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Combustion research currently aims to reduce emissions, whilst improving the fuel economy. Burning fuel in excess of air, or lean-burn combustion, is a promising alternative to conventional combustion, and can achieve these requirements simultaneously. However, lean-burn combustion poses new challenges, especially for internal combustion (IC) engines. Therefore, models used to predict such combustion have to be reliable, accurate and robust. In this work, the flamelet approach in the Reynolds-Averaged Navier- Stokes framework, is used to simulate flames relevant to spark-ignition IC engines. A central quantity in the current modelling approach is the scalar dissipation rate, which represents coupling between reaction and diffusion, as well as the flame front dynamics. In the first part of this thesis, the predictive ability of two reaction rate closures, viz. strained and unstrained flamelet models, are assessed through a series of experimental test cases. These cases are: spherically propagating methane- and hydrogen-air flames and combustion in a closed vessel. In addition to these models, simpler algebraic closures are also used for comparison. It is shown that the strained flamelet model can predict unconfined, spherically propagating methane-air flames reasonably well. By comparing spherical flame results with planar flames, under identical thermochemical and turbulence conditions, it is shown that the turbulent flame speed of spherical flames are 10 to 20% higher than that of planar flames, whilst the mean reaction rates are less influenced by the flame geometry. Growth of the flame brush thickness in unsteady spherical flames have been attributed to turbulent diffusion in past studies. However, the present analyses revealed that the dominant cause for this increase is the heat-release induced convective effects, which is a novel observation. Unlike methane-air flames, hydrogen-air flames have non-unity Lewis numbers. Hence, a novel two degrees of freedom approach, using two progress variables, is used to describe the thermochemistry of hydrogen-air flames. Again, it is shown that the strained flamelet model is able to predict the experimental flame growth for stoichiometric hydrogen-air flames. However, none of the models used in this work were able to predict lean hydrogen-air flames. This is because these flames are thermo-diffusively unstable and the current approach is inadequate to represent them. When combustion takes place inside a closed vessel, the compression of the end gases by the propagating flame causes the pressure to rise. This is more representative of real IC engines, where intermittent combustion takes place. The combustion models are implemented in a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, STAR-CD, and it is shown that both strained and unstrained flamelet models are able to predict the experimental pressure rise in a closed vessel. In the final part of this work, a spark-ignition engine is simulated in STAR-CD using the flamelet model verified for simpler geometries. It is shown that this model, together with a skeletal mechanism for iso-octane, compares reasonably well with experimental cylinder pressure rise. Results obtained from this model are compared with two models available in STAR- CD. These models require some level of tuning to match the experiments, whereas the modelling approach used in this work does not involve any tunable parameters.

Uma nova metodologia para a criação de mapas base de injeção eletrônica de combustível para motores de combustão interna de ignição a centelha é apresentada e seu comportamento é comparado com os resultados fornecidos pela metodologia MVEM. A partir da utilização de equacionamentos da literatura, é feita uma modelagem do ciclo ideal Otto para um motor genérico alternativo monocilíndrico de 500 cm³ de volume deslocado. É modelada também uma válvula do tipo borboleta genérica de 0,06 m³ de diâmetro que opera tanto em regime subsônico quanto sônico. A pressão à jusante da borboleta é calculada para aberturas de 5° a 88,64°. Os modelos são acoplados a partir da vazão mássica de ar admitida, que é o parâmetro principal, sendo programados e simulados usando o programa comercial EES. O mapa base de pressão por abertura de borboleta por rotação resultante mostra o detalhe de descontinuidade pelo uso das equações de vazão mássica juntamente com a imposta pelas equações de coeficiente de descarga, implicando na mudança brusca de valores de pressão calculados para a região de abertura menor que 20%. O mapa de vazão mássica de combustível por rotação e por abertura de borboleta para uma razão estequiométrica de 14,67 também é gerado. Nele é possível observar a demanda por vazão mássica de combustível para cada rotação e abertura da válvula borboleta mostrando o caminho a ser seguido pelo motor para que seja atingida a vazão mássica necessária para obter-se a relação ar/combustível desejada. A metodologia proposta gera mapas base de combustível para módulos de injeção eletrônica. Os resultados são apresentados na forma de gráficos. O modelo produz resultados satisfatórios, reproduzindo o comportamento da válvula borboleta, comparado com a literatura. / A new methodology for EMS base maps to the internal combustion spark ignition engines is presented. Its behavior is compared with results from the MVEM methodology. From the technical literature an ideal Otto cycle for a generic reciprocating single cylinder engine with 500 cm³ of displaced volume. Also, throttle valve with a diameter of 0.06 m of diameter operating in subsonic and sonic flow regime is modeled. The downstream pressure is calculated for throttle openings of 5° to 88.64°. The models are coupled using the engine air mass flow rate as the main parameter, being programmed and simulated using a commercial EES software. The base map of pressure versus throttle opening and engine speed shows the discontinuity detail imposed from the mass flow and discharge coefficient equations, resulting into a abrupt change of pressure values calculated for an opening region less than 20%. The fuel mass flow versus revolutions per minute versus throttle valve opening for stoichiometric air fuel ratio of 14.67 is also generated. In such map it is possible to show the fuel mass flow demand for each rotation and throttle opening showing the path to be followed by the engine to reach the mass air flow needed to reach the target air fuel ratio. This methodology generates base fuel maps for electronic fuel injection modules. The results are presented in graph forms. The model presents satisfactory results that reproduce the throttle valve behavior, compared to the literature.

Uma nova metodologia para a criação de mapas base de injeção eletrônica de combustível para motores de combustão interna de ignição a centelha é apresentada e seu comportamento é comparado com os resultados fornecidos pela metodologia MVEM. A partir da utilização de equacionamentos da literatura, é feita uma modelagem do ciclo ideal Otto para um motor genérico alternativo monocilíndrico de 500 cm³ de volume deslocado. É modelada também uma válvula do tipo borboleta genérica de 0,06 m³ de diâmetro que opera tanto em regime subsônico quanto sônico. A pressão à jusante da borboleta é calculada para aberturas de 5° a 88,64°. Os modelos são acoplados a partir da vazão mássica de ar admitida, que é o parâmetro principal, sendo programados e simulados usando o programa comercial EES. O mapa base de pressão por abertura de borboleta por rotação resultante mostra o detalhe de descontinuidade pelo uso das equações de vazão mássica juntamente com a imposta pelas equações de coeficiente de descarga, implicando na mudança brusca de valores de pressão calculados para a região de abertura menor que 20%. O mapa de vazão mássica de combustível por rotação e por abertura de borboleta para uma razão estequiométrica de 14,67 também é gerado. Nele é possível observar a demanda por vazão mássica de combustível para cada rotação e abertura da válvula borboleta mostrando o caminho a ser seguido pelo motor para que seja atingida a vazão mássica necessária para obter-se a relação ar/combustível desejada. A metodologia proposta gera mapas base de combustível para módulos de injeção eletrônica. Os resultados são apresentados na forma de gráficos. O modelo produz resultados satisfatórios, reproduzindo o comportamento da válvula borboleta, comparado com a literatura. / A new methodology for EMS base maps to the internal combustion spark ignition engines is presented. Its behavior is compared with results from the MVEM methodology. From the technical literature an ideal Otto cycle for a generic reciprocating single cylinder engine with 500 cm³ of displaced volume. Also, throttle valve with a diameter of 0.06 m of diameter operating in subsonic and sonic flow regime is modeled. The downstream pressure is calculated for throttle openings of 5° to 88.64°. The models are coupled using the engine air mass flow rate as the main parameter, being programmed and simulated using a commercial EES software. The base map of pressure versus throttle opening and engine speed shows the discontinuity detail imposed from the mass flow and discharge coefficient equations, resulting into a abrupt change of pressure values calculated for an opening region less than 20%. The fuel mass flow versus revolutions per minute versus throttle valve opening for stoichiometric air fuel ratio of 14.67 is also generated. In such map it is possible to show the fuel mass flow demand for each rotation and throttle opening showing the path to be followed by the engine to reach the mass air flow needed to reach the target air fuel ratio. This methodology generates base fuel maps for electronic fuel injection modules. The results are presented in graph forms. The model presents satisfactory results that reproduce the throttle valve behavior, compared to the literature.

Uma nova metodologia para a criação de mapas base de injeção eletrônica de combustível para motores de combustão interna de ignição a centelha é apresentada e seu comportamento é comparado com os resultados fornecidos pela metodologia MVEM. A partir da utilização de equacionamentos da literatura, é feita uma modelagem do ciclo ideal Otto para um motor genérico alternativo monocilíndrico de 500 cm³ de volume deslocado. É modelada também uma válvula do tipo borboleta genérica de 0,06 m³ de diâmetro que opera tanto em regime subsônico quanto sônico. A pressão à jusante da borboleta é calculada para aberturas de 5° a 88,64°. Os modelos são acoplados a partir da vazão mássica de ar admitida, que é o parâmetro principal, sendo programados e simulados usando o programa comercial EES. O mapa base de pressão por abertura de borboleta por rotação resultante mostra o detalhe de descontinuidade pelo uso das equações de vazão mássica juntamente com a imposta pelas equações de coeficiente de descarga, implicando na mudança brusca de valores de pressão calculados para a região de abertura menor que 20%. O mapa de vazão mássica de combustível por rotação e por abertura de borboleta para uma razão estequiométrica de 14,67 também é gerado. Nele é possível observar a demanda por vazão mássica de combustível para cada rotação e abertura da válvula borboleta mostrando o caminho a ser seguido pelo motor para que seja atingida a vazão mássica necessária para obter-se a relação ar/combustível desejada. A metodologia proposta gera mapas base de combustível para módulos de injeção eletrônica. Os resultados são apresentados na forma de gráficos. O modelo produz resultados satisfatórios, reproduzindo o comportamento da válvula borboleta, comparado com a literatura. / A new methodology for EMS base maps to the internal combustion spark ignition engines is presented. Its behavior is compared with results from the MVEM methodology. From the technical literature an ideal Otto cycle for a generic reciprocating single cylinder engine with 500 cm³ of displaced volume. Also, throttle valve with a diameter of 0.06 m of diameter operating in subsonic and sonic flow regime is modeled. The downstream pressure is calculated for throttle openings of 5° to 88.64°. The models are coupled using the engine air mass flow rate as the main parameter, being programmed and simulated using a commercial EES software. The base map of pressure versus throttle opening and engine speed shows the discontinuity detail imposed from the mass flow and discharge coefficient equations, resulting into a abrupt change of pressure values calculated for an opening region less than 20%. The fuel mass flow versus revolutions per minute versus throttle valve opening for stoichiometric air fuel ratio of 14.67 is also generated. In such map it is possible to show the fuel mass flow demand for each rotation and throttle opening showing the path to be followed by the engine to reach the mass air flow needed to reach the target air fuel ratio. This methodology generates base fuel maps for electronic fuel injection modules. The results are presented in graph forms. The model presents satisfactory results that reproduce the throttle valve behavior, compared to the literature.