Estudo da adição de hidrogênio e redução do diesel fóssil na operação de motores de combustão interna de ignição por compressão

Abstract

Motores de combustão interna que utilizam o diesel como combustível são amplamente utilizados no setor de transportes em nosso país, seja por meio de caminhões, ônibus, trens, embarcações, entre outros. Estes diversos meios de transportes contribuem imensamente para o desenvolvimento de nosso país, pois esta logística é necessária para que pessoas sejam deslocadas, mercadorias entregues e insumos distribuídos. No entanto, estes motores movidos a diesel são grandes fontes de agentes poluentes nocivos, como a fuligem (soot), o monóxido de carbono (CO), o dióxido de carbono (CO2), entre outros. Mesmo com o desenvolvimento de novas tecnologias, como a utilização de ARLA (Agente Redutor Líquido Automotivo) que reduz a emissão de poluentes transformando os tóxicos óxidos de nitrogênio em materiais não-nocivos, como nitrogênio e água, ou ainda pela utilização da válvula EGR (Recirculação dos gases de escape), que atua no controle de emissão de gases poluentes provenientes da queima do combustível a fim de se obter uma redução na produção do óxido de nitrogênio (NOx), estes motores continuam poluindo o meio ambiente em níveis elevados. Além disso, a utilização de veículos providos de motores elétricos ou mesmo que utilizam combustíveis mais eficientes e menos poluidores como o hidrogênio está avançando pelo mundo, porém ainda de modo tímido em nosso país. Desta forma, estudos de sustentabilidade, eficiência energética e otimização dos motores de combustão interna existentes são extremamente necessários para se obter melhorias de eficiência através da redução do consumo de combustível e da redução das emissões de poluentes, permitindo a continuidade do uso destes motores até que possam ser substituídos. Neste sentido, este estudo visa avaliar por meio de análise numérica os efeitos da adição de hidrogênio à mistura ar/combustível e da redução do diesel injetado, a fim de se obter um ganho de eficiência em termos de consumo de combustível e redução das emissões de poluentes. Para isso, foram realizadas simulações numéricas utilizando o software AVL-FIRE? M versão 2023 R1. As simulações consideraram diferentes proporções de hidrogênio (0%, 2,5%, 5%, 7,5% e 10%) na mistura ar/combustível e foram realizadas em diferentes rotações do motor (1500, 2500 e 3500 RPM). Os resultados mostraram que a adição de hidrogênio e a redução do diesel injetado podem melhorar a eficiência do motor e reduzir o consumo do combustível diesel assim como as emissões de poluentes.

Abstract: Internal combustion engines that use diesel as fuel are widely utilized in the transportation sector in our country, including trucks, buses, trains, and ships, among others. These various means of transportation significantly contribute to the development of our country, as this logistics is necessary for people to be transported, goods to be delivered, and supplies to be distributed. However, these diesel-powered engines are major sources of harmful pollutants, such as soot, carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), among others. Even with the development of new technologies, such as the use of ARLA (Automotive Liquid Reducing Agent) that reduces pollutant emissions by transforming toxic nitrogen oxides into non-harmful materials like nitrogen and water, or through the use of the EGR valve (Exhaust Gas Recirculation), which controls the emission of pollutants from fuel combustion to reduce the production of nitrogen oxide (NOx), these engines continue to pollute the environment at high levels. Additionally, the use of vehicles equipped with electric engines or those that use more efficient and less polluting fuels like hydrogen is advancing around the world, but still in a limited way in our country. Thus, studies on sustainability, energy efficiency, and optimization of existing internal combustion engines are extremely necessary to achieve efficiency improvements through the reduction of fuel consumption and pollutants emissions, allowing the continued use of these engines until they can be replaced. In this context, this study aims to evaluate, through numerical analysis, the effects of adding hydrogen to the air/fuel mixture and reducing the injected diesel to achieve a gain in efficiency in terms of fuel consumption, and reduced pollutant emissions. For this purpose, numerical simulations were conducted using the AVL-FIRE? M software version 2023 R1. The simulations considered different proportions of hydrogen (0%, 2.5%, 5%, 7.5%, and 10%) in the air/fuel mixture and were performed at different engine speeds (1500, 2500, and 3500 RPM). The results showed that adding hydrogen and reducing injected diesel can improve engine efficiency and reduce diesel fuel consumption as well as pollutant emissions.