Análise de desempenho e emissões de um motor de ignição por centelha bicombustível a etanol e biometano para veículos comerciais leves

Abstract

Este trabalho analisa o desempenho e as emissões do motor de ignição por centelha turboaspirado FPT F1C operando com etanol hidratado e biometano em regime bicombustível, em dois pontos de carga parcial representativos de uso urbano (1800 rpm e 2500 rpm com torque próximo a 250 Nm), sendo o etanol caracterizado por via experimental e o biometano por simulação com validação indireta. A pesquisa combina ensaios em bancada dinamométrica no Laboratório de Máquinas Térmicas da UNIFEI com modelagem numérica unidimensional em software dedicado “GT-Suite” utilizando o submodelo de combustão SITurb. O etanol foi caracterizado experimentalmente de forma direta, enquanto o biometano foi caracterizado por validação indireta sustentada na calibração do modelo com dados experimentais de gás natural veicular (GNV) e na intercambiabilidade técnica entre os dois combustíveis gasosos. Diferentemente da literatura existente, focada em motores com biogás de composição variável ou em misturas etanol-gasolina em veículos flex-fuel, este trabalho de dissertação de mestrado compara o etanol hidratado e o biometano nos mesmos pontos operacionais de um motor turboaspirado de produção (FPT F1C, 4 cilindros, 3,0 L). Os resultados quantificam diferenças entre os combustíveis em variáveis de combustão (IMEP, CA50, duração de combustão), de desempenho (potência, torque, BSFC, BTE) e de emissões pré-catalisador (BSNOx, BSCO, BSHC, BSCO₂), e mostram que o biometano apresenta eficiência térmica de freio superior à do etanol em até 3,64 pontos percentuais, BSNOx pré-catalisador de 2 a 4 vezes inferior e ausência de aldeídos como acetaldeído e formaldeído, espécies que dominam a emissão de hidrocarbonetos do etanol. As predições do modelo para o biometano são reportadas com incerteza propagada de ±5% em IMEP e ±15% em BSNOx. Essas margens decorrem da natureza indireta da validação, que acumula as incertezas instrumentais da bancada e os desvios residuais de calibração do modelo, e não comprometem as conclusões comparativas, pois a vantagem máxima de eficiência do biometano, de 3,64 pontos percentuais a 1800 rpm, equivale a cerca de 12% em termos relativos, e a redução de BSNOx, de 2 a 4 vezes, supera com ampla margem a própria faixa de ±15%. As limitações estruturais do modelo, em particular a subestimação de Pmax e BSNOx por ausência de dados de swirl e tumble do motor F1C, são discutidas e contornadas com extrapolação teórica via mecanismo térmico de Zeldovich. Os resultados fornecem parâmetros técnicos para o desenvolvimento de motores bi-combustíveis nacionais e subsidiam estratégias de calibração de ignição diferencial e gestão do catalisador de três vias em operação com etanol e biometano.

This study analyzes the performance and emissions of the FPT F1C turbocharged spark-ignition engine operating on hydrous ethanol and biomethane in dual-fuel operation at two partial load points representatives of urban use (1800 rpm and 2500 rpm with torque near 250 Nm), with ethanol characterized experimentally and biomethane through simulation under indirect validation. The research combines dynamometer bench tests at the Thermal Machines Laboratory of UNIFEI with one-dimensional numerical modeling in GT-Suite using the SITurb combustion sub-model. Ethanol was characterized experimentally through direct measurements, while biomethane was characterized through indirect validation based on model calibration with experimental compressed natural gas (CNG) data and on the technical interchangeability between the two gaseous fuels. Unlike the existing literature, focused on engines with variable-composition biogas or ethanol-gasoline blends in flex-fuel vehicles, this work compares hydrous ethanol and biomethane at the same operating points of a production turbocharged engine (FPT F1C, 4 cylinders, 3.0 L). The results quantify differences between the fuels in combustion variables (IMEP, CA50, combustion duration), performance variables (power, torque, BSFC, BTE), and pre-catalyst emissions (BSNOx, BSCO, BSHC, BSCO₂), and show that biomethane presents brake thermal efficiency superior to ethanol by up to 3.64 percentage points, pre-catalyst BSNOx 2 to 4 times lower, and absence of aldehydes such as acetaldehyde and formaldehyde, species that dominate ethanol's hydrocarbon emissions. Model predictions for biomethane are reported with propagated uncertainty of ±5% in IMEP and ±15% in BSNOx. These margins result from the indirect nature of the validation, which combines the instrumental uncertainties of the test bench with the residual calibration deviations of the model, and do not compromise the comparative conclusions, since the maximum efficiency advantage of biomethane, of 3.64 percentage points at 1800 rpm, corresponds to about 12% in relative terms, and the 2-to-4-fold reduction in BSNOx lies well above the ±15% range. The structural limitations of the model, particularly the underestimation of Pmax and BSNOx due to absence of swirl and tumble data for the F1C engine, are discussed and addressed through theoretical extrapolation via the Zeldovich thermal mechanism. The results provide technical parameters for the development of domestic dual-fuel engines and support differential ignition calibration strategies and three-way catalyst management in ethanol and biomethane operation.