Investigação do efeito da temperatura do ar de admissão no co

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11649 (2023) Citar este artigo

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Recentemente, o amoníaco (NH3), que tem uma densidade energética mais elevada do que o hidrogénio, ganhou atenção para os objectivos de emissão zero de carbono no sector dos transportes. No entanto, num motor de combustão interna convencional (ICE), o mecanismo de combustão do NH3 ainda está sob investigação. Neste artigo, para expandir ainda mais o conhecimento sobre a adoção de NH3 em ICEs, os autores conduziram experimentos de co-combustão de NH3/gasolina em um motor CI modificado, com taxa de compressão de 17,7:1, aspirado naturalmente, assistido por faísca, com subcâmara. A subcâmara foi escolhida para aumentar a velocidade de combustão do NH3. Além disso, a subcâmara foi equipada com velas incandescentes e de ignição para superar a alta temperatura de autoignição do NH3. O desempenho do motor e as emissões de NOX foram estudados sob três diferentes temperaturas do ar de admissão. Durante os experimentos, o teor de NH3 foi aumentado gradualmente onde o motor funcionou em condições pobres. Embora tenha sido alcançado um teor mais elevado de NH3 em comparação com o nosso trabalho anterior, o aumento da temperatura do ar de admissão resultou numa diminuição da eficiência de carregamento. Além disso, foi constatada corrosão no anel do pistão após 120 horas de operação, afetando negativamente o desempenho do motor. Além disso, a duração da co-combustão NH3/gasolina foi drasticamente reduzida com a influência da subcâmara, onde a duração de combustão mais longa nas condições actuais foi de 17°CA.

Em relação às notícias recentes sobre a alteração do plano original da União Europeia de eliminação progressiva dos motores de combustão interna (MCI), os combustíveis não convencionais (como o amoníaco (NH3), o hidrogénio (H2), os combustíveis sintéticos (combustíveis E) etc.) são ganhando popularidade na pesquisa de ICEs. Será agora possível vender novos veículos ICE na Europa utilizando combustíveis neutros em carbono1. Destes, o NH3 é um forte candidato para expandir ainda mais seu uso em diversos setores. Pode ser utilizado no armazenamento de energia devido ao seu alto teor de hidrogênio, e também no setor de transportes como combustível para geração de energia2,3. Como se pode verificar pela sua estrutura, o NH3 não inclui quaisquer átomos de carbono, nos quais não há emissões de CO2, sendo portanto considerado um combustível isento de carbono. Alguns pontos importantes que precisam ser abordados são a toxicidade e as emissões de NOX em temperaturas elevadas devido ao átomo de nitrogênio (N) disponível. No entanto, o sistema convencional de redução catalítica seletiva (SCR) é capaz de reduzir substancialmente as emissões de NOX se a temperatura de entrada do SCR for mantida a 200°C4.

A Tabela 1 mostra várias propriedades selecionadas do NH3 e sua comparação com o hidrogênio e a gasolina. Quando comparado ao hidrogênio, o NH3 possui maior densidade volumétrica de energia, porém, quando comparado à gasolina, ainda possui cerca de 30% menos densidade volumétrica de energia. Além disso, numerosos estudos têm sido realizados sobre a utilização de H2 e NH3 em ICEs. Kim et al. utilizaram método de injeção direta de H2 com diferentes modos de formação de mistura5. Além disso, como o NH3 tem menor velocidade de propagação da chama, uma abordagem mais comum era utilizá-lo em motores marítimos com velocidades mais baixas6. Para utilizar o NH3 em veículos de passageiros, onde é necessária maior rotação do motor, suas propriedades precisam ser consideradas. Conforme mostrado na Tabela 1, o NH3 possui alto índice de octanas e alto calor latente de vaporização, o que permite sua utilização em motores com alta taxa de compressão (CR). Alinhado com esse conhecimento, Pochet et al. conduziu estudos de combustão dupla de amônia-hidrogênio em um motor com CR de 15:17, 16:18, 22:19 no modo Ignição por Compressão de Carga Homogênea (HCCI). Lhuillier et al. conduziram experimentos usando misturas de NH3 e hidrogênio em um motor de ignição por centelha (SI) com CR de 10,510. Eles também mostraram que o faseamento da combustão está correlacionado com a velocidade de queima laminar (LBV) da mistura sob condições de temporização SI. Num estudo mais recente, Mounaim-Rousselle et al. realizaram experimentos em um ICE monocilíndrico de ignição por compressão assistida por faísca (CI) com CR entre 14 e 17, funcionando com NH311 puro. Eles conseguiram obter uma combustão estável em baixas cargas e em várias velocidades do motor, provando que o alto CR e o método de ignição por faísca funcionam bem para o NH3 como combustível.