Estudo da ocorrência de knock para misturas de isooctano e n-heptano em um motor CFR modificado

Abstract

O knock é um fenômeno com alto potencial de dano e um dos principais obstáculos no aumento da eficiência térmica dos motores de combustão interna pois limita o aumento da razão de compressão com ponto de ignição ótimo. Entender este fenômeno ainda é fundamental para o desenvolvimento de motores mais eficientes. Diversos estudos vêm propondo modelos computacionais para prever o knock e, consequentemente, reduzir o custo de desenvolvimento dos motores de combustão interna. Uma das formas de modelagem utiliza mecanismos de cinética química para predição da autoignição da zona não queimada que é condição para a ocorrência de knock. Neste estudo um motor CFR foi instrumentado com uma injeção eletrônica programável para controlar a injeção de combustível e o ponto de ignição do motor e, um sensor piezoelétrico foi instalado na câmara de combustão para detecção de knock a partir da pressão de cilindro. Foram realizados testes utilizando isooctano (I) e n-heptano (H) como combustíveis, misturados nos percentuais volumétricos I100H0, I80H20, I60H40, I40H60, I20H80 e I0H100. Cada mistura foi testada para uma ampla faixa de razões de compressão e em cada razão de compressão o ponto de ignição foi avançado até a detecção do knock audível. Para cada ponto de teste foram adquiridos 200 ciclos de pressão de cilindro e pós processados em Matlab para o cálculo do fator de knock, fração de massa queimada, taxa de liberação de calor, ponto de 50% da massa queimada, pressão média efetiva indicada (IMEP), coeficiente de variação do IMEP e eficiência térmica. Um modelo de duas zonas do software Chemkin foi utilizado para avaliação do knock computacionalmente. Nesse modelo, uma frente de chama se propaga pela câmara de combustão transformando reagentes em produtos e concomitantemente um mecanismo de cinética química rege as reações da zona não queimada identificando uma possível autoignição. Esse modelo, utiliza como dado de entrada a curva de fração de massa queimada. Identificou-se que a utilização da curva de massa queimada proveniente da média dos 200 ciclos testados não é capaz de prever o knock neste modelo computacional pois, mesmo com o motor em condições de knock, a maioria dos ciclos são de combustão normal, logo, a média desses ciclos aproximam a curva de fração de massa queimada para uma curva de combustão normal. A separação e utilização apenas dos ciclos com knock para obter a curva de fração de massa queimada e utilizar como entrada no modelo se mostrou eficaz para a previsão do knock computacionalmente. Foram simulados ciclos para as seis misturas de combustíveis utilizadas no trabalho experimental. Tanto os resultados experimentais como os numéricos mostraram a maior tendência de ocorrência de knock para o n-heptano. A intensidade do knock aumentou progressivamente com o aumento do percentual de n-heptano na mistura. Além disso, o método estocástico de detecção do knock utilizado no trabalho experimental se mostrou uma boa ferramenta para quantificar a intensidade do knock e encontrar o ponto de ignição para início de sua ocorrência.

Knock is a phenomenon with high potential of damage for the internal combustion engines and one of the main barriers to improve the thermal efficiency because it restrains the compression ratio rise whith optimum phasing combustion. The understanding of this phenomenon is important to improve the engine development. Many works have been proposing computational models to predict the knock and hence to decrease the engine development cost. One of the model types uses chemical kinetics mechanisms to predict auto ignition in the unburned zone, which is a condition to knock occurence. In this work, a CFR engine was instrumented with a programmable electronic injection to control the fuel injection and the spark timing. In addition, a piezoelectric pressure sensor was installed in the combustion chamber to detect the knock. Tests were performed applying Isooctane (I) and n-Heptane (H) blends at the volumetric percentages: I100H0, I80H20, I60H40, I40H60, I20H80 and I0H100. Each blend was evaluated at a large range of compression ratio and in each compression ratio the spark timing was advanced until the audible knock occurrence. For each blend, in the test point was acquired 200 cylinder pressure cycles and subsequently processed in Matlab to compute the knock factor, mass fraction burned, heat release rate, crank angle to 50% of mass fraction burned, indicated mean effective pressure (IMEP), variation coefficient of IMEP (COVIMEP) and thermal efficiency. A two zones model of the Chemkin software was used to computational knock evaluation. In this model, a flame propagates in the combustion chamber converting reactants in products and, at the same time, a chemical kinetics mechanism conducts the chemical reactions in the unburned zone recognizing a possible auto ignition. This model uses a mass fraction burned curve as an input. It was noticed that the use of the mass fraction burned curve from the average of the 200 pressure cycles tested is not able to predict the knock occurrence in the computational model. Even the engine operating under knock condition, the knock does not occur in the majority of the cycles, hence, the average of the cycles leads the mass fraction burned curve to a normal combustion curve. The mass fraction burned curve considering only the knock cycles was a good way to detect the knock in the computational model. The modelling was performed by using the same 6 fuel blends applied in the experimental study. Both, experimental and numerical results, showed that n-heptane presented a higher tendency to knock than isooctane. The knock intensity increased with higher n-heptane ratio in the blends. Furthermore, the Stochastic Knock Detection method used in the experimental section was a good way to quantify the knock intensity and to find the knock onset ignition time.