Development and characterization of a stratified turbulent jet ignition system using a dedicated pre-chamber with a focus on reducing fuel consumption using alcohol fuels

Abstract

O motor equipado com pré-câmaras, principalmente operando ativamente, com combustível sendo injetado também na pré-câmara, permitindo a combustão de misturas ultrapobres, o que reduz a emissão de NOx. Além disso, o uso de pré-câmaras possibilita a operação de taxas de compressão mais altas, aumentando a eficiência térmica do motor. Como estratégia paralela no desenvolvimento de motores, destaca-se o uso de biocombustíveis, nos quais o etanol e o metanol são os que mais se aproximam da aplicação comercial. Os combustíveis apresentam não apenas maior disponibilidade no mercado e caráter renovável, mas também propriedades interessantes quando utilizados em motores de ignição por centelha, como maior velocidade laminar de chama e resistência à detonação quando comparados à gasolina. Apesar de serem duas estratégias promissoras, poucos estudos hoje abordam a combinação de ambas. Assim, o principal objetivo deste trabalho é estudar um biocombustível ótimo para operar em um motor equipado com pré- câmara estratificada, avaliando sua capacidade de estender o limite de empobrecimento, acelerar a combustão, controlar a temperatura na camara de combustao e as perdas térmicas para controlar emissões e consumo de combustível. De forma mais objetiva, tais combustíveis foram testados experimentalmente em várias combinações em um motor de pesquisa monocilíndrico em vários pontos de operação (6 e 15 bar de IMEP a 2.000 e 3.500 rpm). Além disso, simulações 1D realizadas em GT-Power calibradas com dados experimentais foram usadas para estender a análise experimental. Inicialmente foi confirmada a eficácia da utilização de pré-câmaras para a extensão do limite de pobreza, bem como a aceleracao da combustão, principalmente em sua segunda metade. O metanol se destacou por conseguir atingir em alguns pontos da operação λ = 2,5 a 2000rpm e 15 bar de IMEP quando comparado ao etanol, atingindo lambda 2,4 na mesma condição. Os biocombustíveis por si só possibilitaram a operação do motor com taxa de compressão volumétrica de 16,4, que também foi utilizada para a operação da pré- câmara. As oscilações de pressão foram observadas tanto na ignição inicial quanto na pré- câmara, sendo esta última com maior amplitude. Tal fenômeno foi analisado por diversos métodos de detecção de detonação e o método de comparação das amplitudes antes e depois do pico de pressão no cilindro foi considerado o mais adequado para avaliar o funcionamento da pré-câmara. Além disso, o motor com ignição convencional conseguiu atingir λ = 2,0, necessário para redução significativa de NOx, fazendo com que a redução extra de emissão pré-câmara não fosse muito significativa. O aumento da turbulência e da convecção de calor nas paredes dos cilindros devido à instalação da pré-câmara aumentou as perdas de calor nesta configuração, reduzindo a eficiência térmica em mais de 2% quando comparadas as configurações com o mesmo combustível na câmara principal, aumentando o consumo de combustível. O motor equipado com pré-câmaras foi capaz de reduzir ligeiramente as emissões de HC e CO em limites enxutos. No entanto, como os limites de empobrecimento alcançados pelo motor com ignição convencional já eram superiores a λ = 1,7, em que as emissões de NOx diminuem para quase zero, as pré-câmaras não tiveram impacto adicional no controle de emissões. Como conclusão, deve-se destacar a capacidade dos biocombustíveis de operar em alta taxa de compressão em um motor com ignição convencional. Além disso, motores equipados com pré-câmaras apresentam combustão mais rápida (média de 46,5% mais próxima da estequiometria e 35,3% no limite de empobrecimento) e maior resistência à detonação, podendo operar com taxas de compressão do motor ainda maiores, nas quais possivelmente apresentam benefícios mais pronunciados em termos de eficiência térmica e consumo de combustível.