This dissertation describes the known formation mechanisms of pollutant emissions for spark ignition internal combustion engines, the most common pollutants emitted by spark ignition engines, current methods to reduce pollutants emissions and a comparison of industry procedures with one and three-dimensional modeling including detailed surface reaction chemistry model, all used to estimate catalytic converter efficiency. Also, experimental tests were performed to provide exhaust gas composition boundary conditions, and to provide values for current catalytic converter efficiency. The detailed surface reaction chemistry model presented problems into implementation for one and three-dimensional analyzes, presenting zero conversion into one-dimensional analysis and continuous reduction in conversion efficiency for three-dimensional analysis. The industry procedure has been used for a long time, and presented the more realist values and behavior, not justifying the replacement for an analysis that includes chemistry reaction models, either one or three-dimensional.

This work investigates through numerical simulation, the operation of a big bore direct fuel injection spark ignition engine, at part load under stratified operation. It evaluates fuel-air mixture preparation and combustion process with the adoption of detailed chemical kinetics mechanisms for both Isooctane and Ethanol, and applying adaptive mesh refinement to capture the turbulent flame brush. The investigation is split in 3 main parts. In the first part, with Isooctane as fuel, the impact of in-cylinder turbulence level induced by squish has shown that the attempt to isolate the squish ratio, maintaining the bowl shape, for the evaluated cases have led to a scenario not more appropriate for flame initiation and propagation for 2 of the 3 geometries. But the observations made during this initial stage have led to the proposal of a fourth geometry to improve the mixture formation and combustion process. As it was seen the combustion process was about 11.5 deg faster with the new piston bowl proposed. In the second part, still with Isooctane and maintaining the new proposed piston, evaluates the influence of two types of hollow cone fuel injectors, an inwardly and an outwardly opening types, where maintain fixed spark timing, the end of injection is varied and compared among the two cases, while targeting for the same gross IMEP output. The main results are that the outwardly opening injector case resulted in better fuel-air mixture preparation, even with a late end of injection. This led to higher combustion efficiency and lower unburned hydrocarbon, CO and soot emissions, while increasing NOx emissions. The 10-90% MFB burn duration is higher for the outwardly opening injector case. In the last part the outwardly opening spray injector from the previous part, but using Ethanol as fuel has shown that to attain the same IMEP level the injected fuel mass is increased with Ethanol, and with its higher latent heat of vaporization, the time required to have an ignitable fuel-air mixture more than doubled that for the Isooctane case. Another important effect of these is the excessive increase of THC emissions. The overall combustion duration was faster for the Ethanol, mainly as the last part of the combustion was almost twice as fast as for the Isooctane case. It may be a consequence of a more homogeneous fuel-air mixture cloud as the fuel has more time to diffuse as the EOI is more advanced. The in-cylinder charge cooling effect of Ethanol led to a reduction in the in-cylinder temperature, leading to a reduction in NOx formation. CO emissions was also lowered, which is maybe attributed to either the reduced chemical dissociation with the lower temperatures, or reduced fuel rich regions. The reduced fuel rich regions also explain the reason for lower soot emissions.

Uma combustão eficiente depende de muitos fatores, tais como injeção de combustível, turbulência e características de ignição. Com a melhoria dos motores de combustão interna a intensidade de turbulência e a pressão interna vêm aumentando, demandando com isso sistemas de ignição mais potentes e eficientes. Em motores de injeção direta, as cargas estratificadas resultantes do spray direto guiado por fronteiras ou ainda por escoamento requerem ainda mais energia. Neste trabalho foi investigado o efeito de diversos parâmetros de ignição nos fenômenos elétricos e mecânicos ligados à abertura e sustentação do arco elétrico e ao processo de combustão. Para isso foram estudados limites de centelhamento, diferentes níveis de energia, bobinas e velas com maiores ou menores perdas internas, diferentes cargas impostas ao sistema de ignição e diferentes sistemas. Foram feitas três bancadas de testes: uma com ignição indutiva padrão; uma com ignição indutiva de alta voltagem e uma com ignição capacitiva de alta energia, com voltagem e capacitância variáveis. A aquisição de dados foi feita através de osciloscópios com pontas de prova específicas e fotografias de alta velocidade utilizando a técnica schlieren, que permite avaliar efeitos térmicos e ondas de choque geradas nos processos de centelhamento e combustão. Os resultados obtidos através destes experimentos mostraram que os sistemas de ignição veiculares padrão ainda podem melhorar muito em voltagem, atraso de resposta, limite de centelhamento e energia entregue à câmara de combustão. Com os sistemas de alta voltagem e/ou energia testados neste trabalho, indutivo e especialmente o capacitivo, pode-se aumentar consideravelmente as folgas de vela, o que melhora bastante o rendimento global dos motores de combustão interna.

O etanol (álcool etílico) tem sido cada vez mais estudado e testado como combustível alternativo para substituição do uso de alguns derivados de petróleo em motores de combustão interna. O presente trabalho procura abordar o emprego do etanol na forma vaporizada em motores do ciclo Otto, objetivando a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico total. Deste modo, um motor para teste de octanagem (motor CFR) foi equipado com um vaporizador de álcool instalado no coletor de escapamento, e após uma série de ensaios, várias análises puderam ser feitas. Essas considerações procuraram se ater a aspectos como rendimento térmico, relação ar/combustível, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape, assim como potência e eficiência volumétrica, levando em conta, sempre, a sua influência no funcionamento geral do motor. Ficou constatado que o motor movido a etanol vaporizado apresenta rendimento consideravelmente maior, menor consumo de combustível e funcionamento mais suave que aqueles verificados quando o mesmo motor e alimentado com álcool líquido. / The ethanol (ethyl alcohol) has been studied more and more as alternative fuel to replace some petroleum derivatives for internal combustion engines. The attached study examines the application of vaporized ethanol for Otto cycle engines, searching for better levels of total thermal efficiency. Therefore, an engine for test of octane number (CFR motor) was equipped with an alcohol vaporizer installed inside the escape pipe, and after many experiences, several analysis were made. The various analysis included aspects as thermal efficiency, air/fuel ratio, advance ignition, escape temperature, power and volumetric efficiency, always considering their influence on the operation of the engine. It was confirmed that the engine moved by vaporized ethanol presents higher thermal efficiency, smaller fuel consumption and smoother working than in case of alimentation by liquid alcohol.

O álcool etílico ou etanol vem se tornando, neste novo século, uma importante referência para estudos e aplicações que procuram um combustível alternativo ao uso de derivados de petróleo em motores de combustão interna. Neste trabalho, o uso do etanol vaporizado pelos gases de escape em motores do ciclo Otto busca a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico e emissões de poluentes. Assim sendo, um motor de 1.0 litro foi montado em laboratório com um trocador de calor instalado ao lado do coletor de escapamento, e uma série de testes foram feitos, possibilitando uma cuidadosa análise quanto a rendimento térmico, relação ar/álcool, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape e gases de emissão, entre outros aspectos. Conclui-se que o motor a álcool vaporizado, em certos regimes de funcionamento, apresenta rendimento maior e emissões menores que aqueles verificados no motor a álcool líquido. / The ethyl alcohol or ethanol is becoming, in this new century, an important reference for studies and applications that search for an alternative fuel to be used in internal combustion engines, replacing oil derivatives. In this study, an Otto cycle engine is fueled with ethanol vaporized by the exhaust gases, aiming for better levels of thermal efficiency and exhaust emissions. Therefore, a 1.0 liter engine with a heat exchanger connected to the exhaust manifold was prepared in a test bench, and several tests were made, which allowed a criterious analysis about air/alcohol ratio, spark ignition time, exhaust temperature and exhaust emissions, and others. It was concluded that the engine fueled with vaporized alcohol presents, in some operation points, higher thermal efficiency and less emissions compared to the case of engine fueled with liquid alcohol.

O etanol (álcool etílico) tem sido cada vez mais estudado e testado como combustível alternativo para substituição do uso de alguns derivados de petróleo em motores de combustão interna. O presente trabalho procura abordar o emprego do etanol na forma vaporizada em motores do ciclo Otto, objetivando a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico total. Deste modo, um motor para teste de octanagem (motor CFR) foi equipado com um vaporizador de álcool instalado no coletor de escapamento, e após uma série de ensaios, várias análises puderam ser feitas. Essas considerações procuraram se ater a aspectos como rendimento térmico, relação ar/combustível, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape, assim como potência e eficiência volumétrica, levando em conta, sempre, a sua influência no funcionamento geral do motor. Ficou constatado que o motor movido a etanol vaporizado apresenta rendimento consideravelmente maior, menor consumo de combustível e funcionamento mais suave que aqueles verificados quando o mesmo motor e alimentado com álcool líquido. / The ethanol (ethyl alcohol) has been studied more and more as alternative fuel to replace some petroleum derivatives for internal combustion engines. The attached study examines the application of vaporized ethanol for Otto cycle engines, searching for better levels of total thermal efficiency. Therefore, an engine for test of octane number (CFR motor) was equipped with an alcohol vaporizer installed inside the escape pipe, and after many experiences, several analysis were made. The various analysis included aspects as thermal efficiency, air/fuel ratio, advance ignition, escape temperature, power and volumetric efficiency, always considering their influence on the operation of the engine. It was confirmed that the engine moved by vaporized ethanol presents higher thermal efficiency, smaller fuel consumption and smoother working than in case of alimentation by liquid alcohol.

O álcool etílico ou etanol vem se tornando, neste novo século, uma importante referência para estudos e aplicações que procuram um combustível alternativo ao uso de derivados de petróleo em motores de combustão interna. Neste trabalho, o uso do etanol vaporizado pelos gases de escape em motores do ciclo Otto busca a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico e emissões de poluentes. Assim sendo, um motor de 1.0 litro foi montado em laboratório com um trocador de calor instalado ao lado do coletor de escapamento, e uma série de testes foram feitos, possibilitando uma cuidadosa análise quanto a rendimento térmico, relação ar/álcool, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape e gases de emissão, entre outros aspectos. Conclui-se que o motor a álcool vaporizado, em certos regimes de funcionamento, apresenta rendimento maior e emissões menores que aqueles verificados no motor a álcool líquido. / The ethyl alcohol or ethanol is becoming, in this new century, an important reference for studies and applications that search for an alternative fuel to be used in internal combustion engines, replacing oil derivatives. In this study, an Otto cycle engine is fueled with ethanol vaporized by the exhaust gases, aiming for better levels of thermal efficiency and exhaust emissions. Therefore, a 1.0 liter engine with a heat exchanger connected to the exhaust manifold was prepared in a test bench, and several tests were made, which allowed a criterious analysis about air/alcohol ratio, spark ignition time, exhaust temperature and exhaust emissions, and others. It was concluded that the engine fueled with vaporized alcohol presents, in some operation points, higher thermal efficiency and less emissions compared to the case of engine fueled with liquid alcohol.