Efeitos da admissão de ozônio em carga parcial de motores de ignição por centelha

Abstract

O constante melhoramento dos motores de combustão interna é fundamental para atenuar a emissão de gases de efeito estufa produzidos pelo setor de transportes. Nesse sentido, o governo brasileiro tem incentivado o desenvolvimento de tecnologias que promovam a descarbonização do setor da mobilidade através do programa ROTA 2030. Contudo, aumentar a eficiência dos motores de combustão interna e atender à legislação de controle de emissões de poluentes são tarefas difíceis. O uso de combustíveis com menor impacto de carbono é uma maneira eficaz de reduzir os gases do efeito estufa. A gasolina brasileira possui aproximadamente um quarto de etanol, o que reduz as emissões de carbono do combustível e mantém uma adequada densidade de energia. Ainda, o aumento da eficiência dos motores também impacta na redução das emissões de CO2. Dessa maneira, a eficiência do processo de troca de gases, em condição de carga parcial, causa uma penalidade considerável na eficiência de conversão de combustível em motores de ignição por centelha com controle de carga por throttling. Uma maneira de diminuir essa ineficiência é através da diluição da mistura ar + combustível com gases residuais. Contudo, a variabilidade de combustão limita a quantidade máxima admissível de gases residuais. Nesse sentido, a adição de ozônio no sistema de admissão foi testada como um melhorador de ignição para permitir maior desentrangulamento do motor. Por essas razões, uma investigação experimental sobre parâmetros relacionados com a combustão, eficiência e emissões foi realizada em um motor turboalimentado de 1,0 l com injeção direta. Os testes experimentais foram realizados utilizando a gasolina brasileira em 3 e 6 bar de IMEP, relação ar-combustível estequiométrica, 1500 rpm e ponto de ignição em máxima eficiência indicada ou limitado por knock. Os estudos iniciais mostraram que a operação em baixa carga e grande quantidade de gás residual resultam em operação instável do motor, com alta variabilidade cíclica da combustão. Diferentes concentrações de ozônio foram testadas, e os resultados apontam que é possível aumentar a eficiência do processo de troca de gases, permitindo maior desestrangulamento. Além disso, a adição de ozônio apresenta potencial para promover autoignição controlada com o auxílio da centelha, apesar da baixa razão de compressão do motor. No entanto, a eficiência indicada diminuiu com a maior fração de gás residual em alguns pontos de operação que deixam espaço para melhorias.

The improvement of the internal combustion engines is fundamental to reduce carbon emissions and mitigate the greenhouse effect generated by the transport sector. In this way, the Brazilian government has encouraged the development of technologies that promote the decarbonization of the mobility through the ROTA 2030 program. However, increasing the engine efficiency while meeting pollutant emission legislation is a difficult task. The use of fuels with a lower carbon footprint is an effective way to reduce greenhouse gases. Brazilian gasoline has approximately a quarter of ethanol, reducing the carbon emissions and still maintaining suitable energy density. Furthermore, improve engine efficiency also contributes to lower CO2 emissions. Thus, the gas exchange efficiency in partial load causes a considerable penalty in the fuel conversion efficiency in spark ignition engines with load control by throttling. Residual gas dilution can be used to decrease this inefficiency. Nevertheless, the combustion variability limits the maximum amount of residual gas. In this regard, ozone addition in the intake system has been tested as an ignition enhancer to allow further engine de-throttling. For these reasons, an experimental investigation on parameters related to combustion, efficiency and emissions was carried out in a 1.0 l turbocharged engine with direct injection. The experimental tests were performed using Brazilian gasoline in 3 and 6 bar IMEP, stoichiometric air-fuel ratio, 1500 rpm and spark timing adjusted to maximum indicated efficiency or knock limited. Initial studies have shown that low load operation and a large amount of residual gas result in unstable engine operation. Different ozone concentrations were used as a mixture with the intake air to overcome the unstable engine operation. The results showed that it is possible to increase the gas exchange efficiency with the addition of ozone, promoting an operation of de-throttling. In addition, the ozone supply has shown potential to promote the end gas autoignition with spark assistance, despite the low compression ratio. However, combustion efficiency is impaired by the higher residual gas fraction in some operation points that leave room for improvement.