This document compares the EGR (exhaust gas recirculation) and lean-burn strategies in a natural gas spark ignition engine using a two-zone combustion model. It presents a methodology using thermodynamic formulations and assumptions to model the combustion process with EGR. The results show that EGR reduced NOx emissions by 70% and increased fuel consumption by 10% compared to lean-burn, while also lowering the combustion rate and prolonging the combustion duration.

1. A comparison between EGR and lean-burn
strategies employed in a natural gas SI engine
using a two-zone combustion model
Ibrahim; Saiful (2009)
Marcelo Alexandre de Souza Júnior
TERMODINÂMICA 07/05/2012

2. TERMODINÂMICA
07/05/2012
INTRODUÇÃO

3. INTRODUÇÃO/ PROCESSO “LEAN BURN” VS.
PROCESSO “EGR”
Processo “Lean Burn”
Alimentação da Câmara com uma mistura pobre

4. INTRODUÇÃO/ FORMAÇÃO DE POLUENTES NUMA
CÂMARA DE COMBUSTÃO
Principais Poluentes: NOX e CO
A formação de NOX é favorecida à altas
temperaturas de queima.
A formação de CO é favorecida com o baixo tempo
de residência.

5. INTRODUÇÃO/ PROCESSO “LEAN BURN” VS.
PROCESSO “EGR”
Processo “EGR”
Reciclo de uma fração de produtos da
combustão

6. TERMODINÂMICA
07/05/2012
METODOLOGIA

7. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"

8. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"
Considerações do Modelo
Todos as substâncias do processo se mistu-
ram de forma perfeita, mantendo as propriedades
constantes durante todas as etapas do processo*.
Durante a combustão, formam-se duas regi-
ões distintas na câmara. (Queima e não-queima)
A vazão nos coletores de admissão e exaus-
tão é constante. ( A pressão de exaustão é conside-
rada como 102 kPa)

9. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"
Considerações do Modelo
Todos os gases foram considerados como
gases ideais .
Foram desconsiderados todos os efeitos de
fenda e o blow by foi assumido como zero.
A engrenagem está operando em regime per-
manente.

10. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"
Formulações Termodinâmicas:
Primeira lei da Termodinâmica
Conservação da Massa
Leis dos Gases Ideais
- Parâmetros do equipamento (designer) e condi-
ções operacionais

11. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"

12. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"

13. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"
Hipóteses adotadas para o processo de combustão:
A espessura da chama é desprezada.
A pressão do cilindro é considerada uniforme
e igual nas duas zonas.
A transferência de calor entre as duas zonas é
desprezada.
A troca de calor entre as paredes do cilindro e
seu interior se dá por convecção.

14. METODOLOGIA/ MODELO PROPOSTO PARA A
TÉCNICA DE COMBUSTÃO "EGR"
Hipóteses adotadas para o processo de combustão:
Para os cálculos de equilíbrio químico na zona
de queima foram consideradas as espécies: CO2,
CO, H2O, N2, O2, OH, NO, H, O e NO.
A área da parede câmara de combustão em
contato com os gases queimados será considera-
do proporcional à raiz quadrada da fração de
massa queimada para explicar o maior volume
preenchido por gases queimados contra o volu-
me não queimado, tal como sugerido por Ferguson
(1986).

15. METODOLOGIA/ VALIDAÇÃO DO MODELO
Especificações do Motor
Número de Cilindros 1
Capacidade do Motor 507 cc
Velocidade Máxima 300 rpm
Pressão Máxima do
150 bar
Cilindro

16. METODOLOGIA/ VALIDAÇÃO DO MODELO

17. METODOLOGIA/ VALIDAÇÃO DO MODELO

18. TERMODINÂMICA
07/05/2012
RESULTADOS

19. RESULTADOS/ EFICIÊNCIA QUANTO AO PODER DO
MOTOR
%EGR: 10%, Pentrada=130 kPa; 1500 rpm, rc= 8

20. RESULTADOS/ EFICIÊNCIA QUANTO AO PODER DO
MOTOR
=130 kPa; 1500 rpm, rc= 10
Pentrada=113 kPa; 1500 rpm, rc= 8

21. RESULTADOS/ EFICIÊNCIA QUANTO CONSUMO DE
COMBUSTÍVEL
1500 rpm, rc= 10

22. RESULTADOS/ EFICIÊNCIA QUANTO À EMISSÃO
DE NO
1500 rpm, rc= 10

23. RESULTADOS/ EFICIÊNCIA QUANTO À EMISSÃO
DE NO
1500 rpm, rc= 10

24. RESULTADOS/ TEMPERATURA DE SAÍDA DOS
PRODUTOS DA COMBUSTÃO
1500 rpm, rc= 10

25. TERMODINÂMICA
07/05/2012
CONCLUSÕES

26. CONCLUSÕES/ EFICIÊNCIA DA TÉCNICA
A técnica de EGR derrubou a taxa de combustão e
aumentou o tempo de duração da combustão.
O uso da técnica EGR com diluição de 20% reduziu
as emissões de NO em 70% comparado com a
técnica “lean burn”.
O aumento do consumo de Combustível foi de 10%
quando se usou a técnica de EGR.

27. TERMODINÂMICA
07/05/2012
OBRIGADO !!!

28. A comparison between EGR and lean-burn
strategies employed in a natural gas SI engine
using a two-zone combustion model
Ibrahim; Saiful (2009)
Marcelo Alexandre de Souza Júnior
TERMODINÂMICA 07/05/2012