FCI – Flex-Fuel Compression Ignition

Abstract

O objetivo desse projeto é definir uma estratégia viável para controlar a combustão de um motor HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) bicombustível para aumentar sua faixa de operação sob altas cargas, ou seja, solucionar o problema da inviabilidade dos motores HCCI para utilização em grande escala, devido sua pequena faixa operacional eficiente. A raiz deste problema é a elevada taxa de liberação de energia consequente da combustão espontânea, característica do motor HCCI, que impossibilita o funcionamento do motor em elevadas cargas. Com isso, é importante salientar, que em um primeiro momento, os clientes seriam as montadoras de veículos de motores a combustão interna. A proposta é de interesse deles, pois traz como uma solução mais barata, exigindo menores mudanças conceituais de projeto, estrutura de supply chain e linhas de fabricação, tendo em vista outras soluções que visam reduzir o impacto ambiental, e consequentemente se adequar a novas regulamentações governamentais que visam reduzir as emissões de veículos, como o Rota 2030 e Proconve L7/8. Além disso, o menor custo representaria também um maior potencial de negócios em mercados subdesenvolvidos que não serão capazes de aderir a eletrificação no curto e médio prazo. A proposta desse projeto é um motor HCCI, com injeção direta de água para estratificação térmica da câmara, visando o controle da taxa de liberação de energia durante a combustão, aumentando assim a faixa operacional da ignição por compressão. Este motor deverá ser bicombustível, capaz de utilizar tanto etanol hidratado quanto gasolina E27. O motor deverá ter uma taxa de compressão fixa, pela menor complexidade mecânica, e utilizará da admissão forçada como uma técnica de suporte a estratificação térmica para alcançar o objetivo proposto. As simulações computacionais desse projeto foram realizadas utilizando o software de simulação de motores AVL Boost, ferramenta que permite maior flexibilidade e envolve menos custos na fase de testes de conceito de uma tecnologia. Durante esse trabalho, foram realizados três modelos, o primeiro sendo o motor base utilizado como referência, o THP 1.6, seguido pelo motor HCCI sem nenhuma técnica de controle de combustão, para gerar os valores bases para o projeto, e logo em seguida o motor FCI, com o uso da estratificação térmica para controle da combustão. Os resultados dessas simulações mostraram a ligação entre o tempo de combustão alongado com a taxa de aumento de pressão, método de avaliar a taxa de liberação de energia, o que possibilitou o motor FCI a funcionar dentro do valor limite de aumento de pressão e assim atingir cargas mais elevadas, mas ainda obtendo os benefícios característicos do motor HCCI, sendo eles maior eficiência indicada, menor consumo especifico e menor temperatura de queima.

The goal of this project is to determine a viable strategy to control the combustion of a bi-fuel HCCI (Homogeneous Charge CompressionIgnition) engine in order to widen its working range on high loads, therefore solving the unfeasibility of HCCI engines to be used in large scale, caused by its narrow workingrange. The root cause of this problem lies on the high heat release rate caused by the spontaneous combustion, key characteristic of a HCCI engine, which forbid the operation in high loads. At first, the customers are vehicle and engine manufacturers. The prop osition is in their interest because it brings a cheaper solution, as well as a solution with less conceptual, supply chain and assembly lines changes, compared with others aimed at reducing emissions, and hence adapting to newer government regulations tha t govern emissions, such as Rota 2030 and Proconve L7/8. Also, the lower cost would represent a bigger business potential in underdeveloped markets, which will encounter difficulties in adapting to electrification on the short to mid-term. This paper proposition is a HCCI type engine, using direct water injection to thermally stratify the combustion chamber, seeking to control the heat release rate during combustion, therefore widening the operation range of the compression ignition. This engine must operate with hydrated ethanol, as well as E27 gasoline, present a fixed compression ratio, in order to reduce mechanical complexity and use force induction as a means to support the thermal stratification in order to reach the proposed goal. The computer simulations of this paper were carried on AVL Boost, tool that allows for greater flexibility and lower costs at the conceptual tests phase of a new technology. During this paper, three models were created, the fist being the base -line engine, a 1.6L THP, followed by a HCCI engine based on the fist, without any control technics for the combustion, in order to create the base results of comparison. Followed by the FCI proposition, implementing the thermal stratification. The simulations results show a connection between the elongated combustion timing and the pressure rise rate, method of evaluating the heat release rate, which allowedthe FCI engine to operate within the limits of pressure rise rate and consequently reaching higher loads, still obtaining the characteristic benefits of a HCCI engine, beinghigher indicated efficiency, lower specific consumption and lower burn temperature.