Development procedure for a prototype turbo engine design powered by ethanol and assisted by water injection

Abstract

A gestão dos recursos energéticos globais tem estimulado o surgimento de diversos acordos em prol do meio ambiente. Entre os mais conhecidos estão a Conference of Parties (COP) e a Rota 2030, que visam limitar o aquecimento global a 1,5°C, reduzindo o consumo de energia e os níveis de emissões globais. Para atender aos padrões internacionais de consumo de energia e emissão de poluentes, o governo brasileiro vem promovendo a expansão dos biocombustíveis na matriz energética nacional. Diante desse cenário, o desenvolvimento de um novo motor de combustão interna para uso exclusivo do etanol como combustível, equipado com tecnologias modernas e empregando conceitos modernos de projeto, consiste em uma alternativa inovadora e promissora para o futuro da mobilidade. Nesse sentido, este trabalho apresenta um procedimento de desenvolvimento de um protótipo de motor turbo alimentado que usa o etanol hidratado como combustível e equipado com injeção indireta de água. O etanol foi selecionado devido às suas propriedades físico-químicas, que permitem ao motor atingir cargas superiores a 30 bar de IMEP, e também devido à sua disponibilidade como energia renovável. Além disso, um sistema de injeção indireta de água foi instalado no motor com o objetivo de auxiliar o processo de combustão, mitigando a tendência de detonação. Completamente novos os componentes do motor foram projetados em modelos CAD e avaliados pelo método FEM para aplicação de cargas térmicas e mecânicas. Além disso, o desempenho geral previsto do motor foi obtido por meio de uma simulação GT-PowerTM 1D, cujos resultados apontaram para um torque máximo de 279 Nm de 2000 a 4000 rpm e uma potência de pico indicada de 135 kW a 5500 rpm. Com uma relação WFR máxima de 19,2%, o motor foi capaz de realizar toda a sua curva de plena carga na condição de Full Spark Authority, fato que torna a abordagem de injeção de água junto com o etanol uma solução atrativa. Como resultado do desenvolvimento de cada componente do motor e dos parâmetros geométricos definidos com base em abordagens de projeto modernas, não utilizadas anteriormente em um motor que funciona exclusivamente com etanol, foi alcançada uma máxima eficiência de conversão de combustível indicada de 45,3%. Além disso, o motor foi capaz de atingir mais de 40% da eficiência de conversão de combustível indicada em quase toda a sua curva de plena carga.