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.

[pt] O desempenho de veículos automotivos é um importante atributo a ser avaliado quando motores de combustão interna e novos combustíveis estão sendo desenvolvidos. A previsão desse parâmetro também é de suma importância, uma vez que os testes de desempenho de automóveis em pista requerem prazos de realização e altos custos com equipamentos, aluguel da pista, contratação de pessoas e deslocamento de veículos e combustíveis. Além disso, seus resultados são diretamente afetados por irregularidades na superfície da pista e variações nas condições climáticas, como pressão ambiente, temperatura, umidade do ar e velocidade do vento. Assim, este trabalho tem como objetivo utilizar os dados coletados em testes de bancada com um motor de combustão interna com a finalidade de modelar os testes de retomada de velocidade de um automóvel convencional leve. A metodologia proposta simula a força de tração nas rodas a partir do torque medido no dinamômetro do motor ou a partir das curvas de pressão no interior da câmara de combustão com o auxílio de modelos de atrito para motores de ignição por centelha. Para validar o modelo proposto, foi necessário realizar testes de retomada de velocidade com o carro em um dinamômetro de chassi. Além disso, foram utilizadas sete misturas diferentes de etanol e gasolina, e concluiu-se que o etanol anidro puro promoveu maior capacidade de aceleração na maioria dos experimentos, mas apresentou maior consumo de combustível. Os combustíveis hidratados reduziram o desempenho, mas melhoraram a eficiência global. As simulações demonstraram alta precisão em relação ao experimento, com média da diferença do tempo de recuperação da velocidade de 0,51 segundos e desvio padrão de 0,078. Além disso, as simulações de desempenho de aceleração tiveram erros menores que 5,25 por cento. Além disso, a realização desses testes em laboratório tem a vantagem de um maior controle das condições ambientais da sala e dos parâmetros de operação do motor. / [en] Vehicle performance is an important feature to be evaluated when internal combustion engines and new fuels are being developed. Predicting this parameter is also of great significance, once track testing requires long periods of time to be done and high costs with equipment, rental of the track, hiring people and displacement of vehicles and fuels. In addition, their results are directly affected by track surface irregularities and variations in weather conditions such as ambient pressure, temperature, air humidity and wind speed. Thus, this work aims to use collected data in bench tests with an internal combustion engine in order to modeling an automobile speed recovery time. The proposed methodology simulates the traction force on the wheels based on the measured torque in engine dynamometer or from the pressure curves inside the combustion chamber with the aid of friction models for spark ignition engines. In order to validate the proposed model, it became necessary to perform speed recovery tests with the car on a chassis dynamometer. Also, seven different mixtures of ethanol and gasoline were used, and it was concluded that pure anhydrous ethanol promoted a higher acceleration capacity in most of the experiments but it had higher fuel consumption. Hydrated fuels reduced performance but improved global efficiency. The simulations demonstrated a high precision in relation to the experiment, with a speed recovery time diference average of 0.51 seconds and standard deviation of 0.078. Also, the acceleration performance simulations had errors smaller than 5.25 percent. In addition, doing these tests in laboratory has the advantage of a greater control of the room ambient conditions and the engine operating parameters.

The present work studies the use of a two-zone computer model to simulate the operation of an internal combustion engine with spark ignition fueled with alcohol fuels and gasohol. To fit the model to the experimental data, a parameter estimation technique was used and the heat transfer correlation that could better fit the tested fuels and engine was determined. The tested fuels were: hydrous ethanol, wet ethanol (from 10% to 40% of water, by volume), n-butanol, n-butanol/ethanol blend and gasohol. In addition to the experimental tests with the engine, tests with a packed distillation column under batch process were made in order to determine the energy efficiency involved between production and use as a fuel for hydrous ethanol and wet ethanol fuels. The results showed that the two-zone model was able to predict satisfactorily the behavior of all tested fuels, accurately obtaining the engine performance parameters. In terms of energy efficiency, wet ethanol fuels have advantage over hydrous ethanol fuel, especially in the case of 30% of water by volume, where energy efficiency reaches its maximum value, considering the distillation and engine combustion processes. The n-butanol fuel was capable of act as a surrogate for both hydrous ethanol and gasohol with efficiency, leading the engine to have good performance in the tested operational conditions and appearing, due to this, as an interesting alternative of renewable fuel to be inserted in the Brazilian energy matrix. / O presente trabalho investiga o uso de um modelo computacional de duas zonas para simular o funcionamento de um motor de combustão interna com ignição por centelha abastecido com álcoois combustíveis e gasolina. Para o ajuste do modelo fez-se uso de técnica de estimação de parâmetros e determinação da correlação de transferência de calor capaz de melhor se ajustar aos combustíveis e ao motor testados. Os combustíveis utilizados foram: etanol hidratado, etanol super-hidratado (de 10% a 40% de água, em volume), n-butanol, misturas de n-butanol e etanol e gasolina e etanol. Além dos testes experimentais com motor, testes de bancada com uma coluna de destilação recheada em regime descontínuo foram realizados a fim de determinar a eficiência energética do processo de produção e queima de etanol hidratado e super-hidratado. Os resultados obtidos mostraram que o modelo de duas zonas é capaz de prever de maneira satisfatória o comportamento de todos os combustíveis testados, com determinação precisa de parâmetros de desempenho do motor. Em termos de eficiência energética, o etanol super-hidratado tem vantagem em relação ao etanol hidratado combustível, em especial quando com 30% de água em volume, onde a eficiência energética é máxima, considerados os processos de destilação e queima no motor. O n-butanol combustível usado mostrou-se capaz de substituir eficientemente tanto o etanol hidratado como a gasolina brasileira, levando o motor a ter boa performance nas condições operacionais testadas e aparecendo, dessa forma, como interessante alternativa de combustível renovável a ser inserida na matriz energética brasileira.

[pt] As projeções para as próximas décadas indicam que os combustíveis tradicionais, derivados do petróleo, associados à utilização de biocombustíveis nos motores de combustão interna continuarão sendo a principal fonte de propulsão dos veículos. Isto justifica as intensas pesquisas por todo o Mundo, para atender aos desafios de aumento de eficiência e redução de emissões de poluentes. As modelagens dos combustíveis comerciais, que possuem centenas de componentes, e dos processos de combustão em motor são, hoje, desafios reais. Também carecem estudos sistemáticos para compreender melhor como os diferentes componentes de combustíveis interagem em mistura e influenciam os parâmetros de combustão e desempenho nos motores. No presente trabalho, realizaram-se seleção de componentes e ensaios experimentais em motor comercial para identificar formulações reduzidas representativas de gasolinas comerciais brasileiras. Concluiu-se que formulações compostas de n-heptano, iso-octano, tolueno e etanol podem ser utilizadas para modelagem de gasolinas oxigenadas. Implementaram-se metodologias para avaliar a influência dos componentes nas propriedades dos combustíveis e parâmetros de combustão e desempenho do motor, identificando os potencias de cada componente e seus grupos químicos. Com dados experimentais de pressão no cilindro desenvolveu-se modelagem para se calcular a velocidade de propagação de chama no motor, bem como foram obtidas relações para calculá-la a partir da velocidade de chama laminar do combustível na condição padrão. Estas relações possuem como parâmetros de entrada o Reynolds de admissão, pressão e temperatura dos gases não queimados na câmara de combustão. Os resultados reúnem informações e metodologias que poderão ser usadas em várias etapas do processo de desenvolvimento de combustíveis para diferentes aplicações. / [en] For the next decades it is expected that the fossil fuels and bio-fuels usage in internal combustion engines remains to be the main source for vehicular propulsion. This justifies the intense worldwide research and development to comply with the challenges of increasing efficiency and emissions reduction. The modeling of commercial fuels and engine combustion processes presents great challenges. There is also the need to better understand how different fuel components interact and influence engine combustion and performance parameters. In the present work, components selection and engine dynamometer tests were done to identify representative surrogate fuels for commercial Brazilian gasoline. It was concluded that formulations of n-heptane, iso-octane, toluene and ethanol can be used to model oxygenated gasolines. Methodologies were implemented to evaluate the influence of the fuel components on fuel properties and several engine combustion and performance parameters. The potentials of each component and corresponding chemical group were identified. Using in cylinder pressure measurements it was developed a methodology to calculate flame propagation velocity in a commercial engine. Further, mathematical modeling was developed to calculate this combustion parameter, based on fuel laminar flame velocity at standard condition. The relations were designed considering the intake Reynolds number, temperature and pressure of the unburned gases inside the cylinder. The results put together informations and methodologies that can be used in several steps of the fuel development process for different applications.