Análise do desempenho e da combustão de um motor a etanol com adição de hidrogênio em condições de mistura rica

Abstract

A crescente necessidade de redução de emissões poluentes e de diversificação das fontes energéticas tem impulsionado o desenvolvimento de estratégias voltadas ao uso de combustíveis renováveis em motores de combustão interna. Entre as alternativas de interesse, o etanol destaca-se por sua elevada octanagem e origem renovável, enquanto o hidrogênio apresenta alta velocidade de chama laminar e ampla faixa de inflamabilidade, sendo sua combinação uma estratégia promissora para potencializar as vantagens individuais de cada combustível e melhorar a dinâmica da combustão e o desempenho do motor. Neste contexto, este trabalho apresenta uma análise numérica da combustão e do regime de chama de um motor Fiat Fire 1.4 Flex operando com etanol puro e misturas etanol?hidrogênio sob diferentes estratégias de avanço de ignição. O estudo fundamenta-se nos princípios de funcionamento de motores de ignição por centelha e na aplicação da Dinâmica dos Fluidos Computacional à modelagem tridimensional (3D) de motores. Para representar adequadamente a cinética química das misturas, foi desenvolvido um mecanismo integrado a partir da combinação de mecanismos consolidados para etanol e hidrogênio, utilizando o programa CONVERGE CFD e validado com base em dados experimentais de atraso de ignição, velocidade de chama laminar e concentração de espécies químicas. O escoamento no interior do cilindro foi caracterizado por meio de simulações (1D) e (3D), sendo o modelo 1D empregado para estabelecer condições iniciais e de contorno para as simulações 3D. A análise da combustão foi conduzida a 3875 rpm, com razão ar?combustível relativa constante (? = 0,9), considerando duas estratégias de ignição: avanço fixo e avanço otimizado para a máxima pressão média efetiva indicada (IMEP). Sob avanço fixo, a adição de H2 elevou o pico de pressão e a taxa máxima de liberação de calor, antecipando os ângulos característicos da fração de massa queimada, embora a antecipação excessiva da liberação de calor tenha limitado os ganhos de desempenho quando o avanço não foi ajustado à nova cinética da mistura. Com avanço otimizado, a maior reatividade das misturas foi convertida de forma mais eficiente em trabalho indicado, resultando em incrementos da pressão média efetiva indicada (IMEP), destacando-se as misturas com 1,9% e 5,4% de fração energética de H2. A caracterização do regime de combustão por meio do diagrama de Borghi?Peters indicou que todas as condições permaneceram predominantemente no regime de zona de reação fina, sendo observada redução da razão u'/SL nos instantes próximos ao ponto morto superior devido ao aumento de SL, enquanto o ajuste do avanço atuou como mecanismo de regularização da interação entre turbulência e cinética química ao longo do ciclo. Os resultados demonstram que a adição controlada de hidrogênio ao etanol pode melhorar a dinâmica da combustão e o desempenho indicado quando acompanhada por adequado reposicionamento do avanço de ignição, evidenciando a importância do equilíbrio entre cinética química, regime turbulento e sincronização da liberação de calor com a dinâmica de expansão do cilindro.

Abstract: The growing need to reduce pollutant emissions and diversify energy sources has driven the development of strategies aimed at the use of renewable fuels in internal combustion engines. Among the available alternatives, ethanol stands out due to its high octane number and renewable origin, while hydrogen exhibits a high laminar flame speed and wide flammability limits. Their combination therefore represents a promising strategy to leverage the individual advantages of each fuel and improve combustion dynamics and engine performance. In this context, this work presents a numerical analysis of the combustion process and flame regime in a Fiat Fire 1.4 Flex engine operating with pure ethanol and ethanol?hydrogen blends under different spark timing strategies. The study is based on the operating principles of spark-ignition engines and on the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) to three-dimensional (3D) engine modeling. To adequately represent the chemical kinetics of the mixtures, an integrated mechanism was developed by combining well-established mechanisms for ethanol and hydrogen, implemented in the CONVERGE CFD software and validated against experimental data for ignition delay, laminar flame speed, and chemical species concentrations. The in-cylinder flow field was characterized through one-dimensional (1D) and three-dimensional (3D) simulations, with the 1D model used to establish consistent initial and boundary conditions for the 3D simulations. The combustion analysis was conducted at 3875 rpm with a constant relative air?fuel ratio (? = 0.9), considering two ignition strategies: fixed spark timing and spark timing optimized for maximum indicated mean effective pressure (IMEP). Under fixed timing, the addition of H2 increased the peak pressure and maximum heat release rate, advancing the characteristic crank angles of the burned mass fraction, although the excessive advancement of heat release limited performance gains when the spark timing was not adjusted to the modified mixture kinetics. With optimized timing, the higher reactivity of the blends was more effectively converted into indicated work, resulting in increases in indicated mean effective pressure (IMEP), particularly for blends with 1.9% and 5.4% hydrogen energy fraction. The combustion regime characterization using the Borghi?Peters diagram indicated that all conditions remained predominantly within the thin reaction zones regime. A reduction in the u'/SL ratio was observed near top dead center due to the increase in SL, while spark timing adjustment acted as a regulating mechanism for the interaction between turbulence and chemical kinetics throughout the cycle. The results demonstrate that the controlled addition of hydrogen to ethanol can enhance combustion dynamics and indicated performance when accompanied by appropriate spark timing repositioning, highlighting the importance of balancing chemical kinetics, turbulent regime, and heat release phasing with the cylinder expansion dynamics.