dissertação
Computational tool to evaluate the efficency of hydrogen in internal combustion engines
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Universidade Federal de Lavras
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Escola de Engenharia – EENG
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
Agência de fomento
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
Os estudos comportamentais da eficiência de um motor alimentado com hidrogênio são importantes, já que faz parte de uma iniciativa global no processo de descarbonização do setor automobilístico, dita rota tecnológica de utilização do hidrogênio é promissora dentro dos recentes estudos de transição energética. Nesse sentido, a exploração de novas rotas de desenvolvimento tecnológico na área de produção, comercialização e utilização do hidrogênio para o Estado de Minas Gerais e o Brasil foi proposto mediante várias iniciativas governamentais nos recentes anos. Por esse motivo, este trabalho desenvolveu uma ferramenta computacional baseada em um modelo matemático zero dimensional capaz de prever a eficiência de um motor de ignição por centelha ao usar hidrogênio como combustível. A simplicidade do modelo oferece uma visão rápida da operação e da termodinâmica do motor, o que reduz o esforço computacional e produz resultados que representam o comportamento real da combustão do hidrogênio. Esse foco ajuda no estudo da combustão e na tomada de decisões sobre a viabilidade econômica do uso do hidrogênio em motores de combustão interna. Para isso, os processos de compressão, combustão e expansão no ciclo Otto foram modelados matematicamente para representar o comportamento da queima da mistura ar-hidrogênio dentro do cilindro do motor, mediante um código escrito em MATLAB. O modelo matemático foi validado com dados experimentais tomados da bancada com motor de pesquisa e os reportados na literatura em relação à curva de pressão para os diferentes motores e condições de operação avaliadas, além disso, foi estimada a eficiência produzida pelo motor nessas condições. Uma interface gráfica foi gerada em AppDesigner para a ferramenta computacional, facilitando ao usuário desenvolver o estudo comportamental e operacional de um motor a hidrogênio. Os resultados obtidos com a ferramenta computacional mostram que os valores estimados de pressão e eficiência estão em boa concordância com os encontrados na literatura em todos os casos avaliados. O erro máximo na comparação da curva de pressão foi de 1,32% para um motor com velocidade de 3300 RPM. Além disso, o ajuste mínimo do modelo matemático aos dados experimentais foi de 86%, o que representa uma boa alternativa para estimar o valor da eficiência térmica.
Abstract
Behavioral studies on the efficiency of a hydrogen engine are important, as they are part of a global initiative to decarbonize the automotive sector, and this technological route for the use of hydrogen is promising within recent energy transition studies. In this sense, the exploration of new technological development routes around production, commercialization and use of hydrogen for the state of Minas Gerais and for Brazil has been proposed through various government initiatives in recent years. For this reason, this work has developed a computational tool based on a zero-dimensional mathematical model capable of predicting the efficiency of a spark ignition engine when using hydrogen as fuel. The simplicity of the model offers a quick view of the operation and thermodynamics of the engine, which reduces computational effort and produces results that represent the real behavior of hydrogen combustion. This focus helps in the study of combustion and in making decisions about the economic viability of using hydrogen in internal combustion engines. To do this, the compression, combustion and expansion processes in the Otto cycle were mathematically modeled to represent the combustion behavior of the air-hydrogen blend inside the engine cylinder, using code written in MATLAB. The mathematical model was validated with experimental data taken from the research engine bench and those reported in the literature in relation to the pressure curve for the different engines and operating conditions evaluated, and the efficiency produced by the engine under these conditions was estimated. A graphical interface was generated in AppDesigner for the computational tool, making it easier for the user to develop the behavioral and operational study of a hydrogen engine. The results obtained with the computational tool show that the estimated pressure and efficiency values are in good agreement with those found in the literature in all the cases evaluated. The maximum error when comparing the pressure curve was 1.32% for an engine with a speed of 3300 RPM. In addition, the minimum fit of the mathematical model to the experimental data was 86%, which represents a good alternative for estimating the thermal efficiency value.
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Arquivo retido, a pedido do autor, até março de 2026.
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Citação
RINCON, Alvaro Ferney Algarra. Computational tool to evaluate the efficency of hydrogen in internal combustion engines. 2025. 70 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.
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