A new dual fuel Controlled Auto-Ignition (CAI) combustion concept was proposed and researched for lower exhaust emissions and better fuel economy. The concept takes the advantage of the complementary physical and chemical properties of high octane number gasoline and high cetane number Di-Methyl Ether (DME) to organize the combustion process. Homogeneous gasoline/air mixture is utilized as the main combustible charge, which is realised by a low-cost Port Fuel Injection (PFI) system. Pressurised DME is directly injected into cylinder via a commercial Gasoline Direct Injection (GDI) injector. Flexible DME injection strategies are employed to realise the controlled auto ignition of the premixed charge. The engine is operated at Wide Open Throttle (WOT) in the entire operating region in order to minimize the intake pumping loss. Engine load is controlled by varing the amount of internal Exhaust Gas Recirculation (iEGR) which is achieved and adjusted by Positive Valve Overlap (PVO) and/or exhaust back pressure, and exhaust rebreathing method. The premixed mixture can be of either stoichiometric air/fuel ratio or fuel lean mixture and is heated and diluted by recycled exhaust gases. The use of internal EGR is considered as a very effective method to initiate CAI combustion due to its heating effect and moderation of the heat release rate by its dilution effect. In addition, the new combustion concept is compared to conventional SI combustion. The results indicate that the new combustion concept has potential for high efficiency, low emissions, enlargement of the engine operational region and flexible control of CAI combustion.

A necessidade de redução de emissão de gases de efeito estufa nas atividades humanas, em particular no setor de transporte, tem motivado o uso de combustíveis renováveis em veículos. O etanol se mostra como um dos mais apropriados substituto - total ou parcialmente - aos combustíveis fósseis. Entretanto o uso desse combustível em motores modernos dotados de sistemas de injeção direta de alta pressão impõe desafios como a partida a frio, etapa em que é gerada a grande parte dos poluentes emitidos pelos veículos. O presente trabalho contemplou o estudo experimental da interação do spray de combustível e a formação do núcleo de combustão gerado por uma centelha, fenômenos de extrema importância na condição de partida a frio em motores. O objetivo é elaborar estratégias de injeção/ignição adequadas a cada tipo de combustível - etanol versus hidrocarboneto. Esses experimentos foram realizados em uma câmara de combustão de volume constante, projetada para permitir acessos ópticos e construída especialmente para suportar pressões de até 10 MPa. Uma etapa de caracterização do spray de combustível foi realizada em condições similares às presentes em um motor de combustão interna, variando-se o nível de pressão interna da câmara e o nível de pressão de injeção. Após tal caracterização foram realizados os ensaios de combustão, agora contemplando também variações de intervalo de tempo entre o início da injeção e a ignição. A quantificação da qualidade da formação do núcleo da combustão foi realizada pela integração da luminosidade em uma região próxima aos eletrodos de ignição e pela evolução de pressão no interior da câmara de maneira a permitir comparação entre os casos ensaiados. / The need to reduce the emission of greenhouse gases caused by human activities, especially in the transportation sector, has motivated the use of renewable fuels as energy carriers for vehicles. Ethanol has proven to be one of the most suitable alternatives to a substitute - totally or partially - for fossil fuels. However, the utilization of ethanol in current modern engines which count on high-pressure direct-injection systems imposes challenges like the cold start, stage in which a great amount of total pollutants emitted by the vehicles is generated. The present work focus on the experimental study of fuel spray-ignition interaction and the formation of the combustion kernel by a spark, phenomena present at the cold start condition of internal combustion engines. The experiments were carried out in a constant-volume combustion chamber with optical windows designed and built to withstand pressures of up to 10 MPa. Fuel spray characterization was performed at various environment and injection pressure levels. After such characterization the combustion tests were performed, now also considering the variation of time interval between the start of the injection and the ignition. The quantification of the quality of the combustion kernel formation was carried out by integrating the luminosity in a region close to the ignition electrodes and by the pressure evolution, in a way to allow comparison among the tested cases.

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