MOTORES TÉRMICOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 22-23 – MCI: COMBUSTÃO EM MOTORES ALTERNATIVOS

Combustão em MIFCombustão Normal

◦Nesses tipos de motores, a mistura é comprimidae durante esse processo promove-se avaporização e homogeneização do combustívelcom o ar.

◦Quando o pistão aproxima-se do PMS, ocorre umafaísca entre os eletrodos da vela.

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Combustão em MIFCombustão Normal

◦A partir desse núcleo inicial, a combustão vai sepropagando e, quando os compostos preliminaresatingem certa concentração, a liberação de calorjá é suficiente intensa para provocar reações deoxigenação em cadeia, isto é, a propagação dachama.

◦Por essa explicação nota-se que a combustão nocilindro apresenta uma primeira fase, durante aqual não se registra aumento na pressão. Essafase, necessária ao desenvolvimento de reaçõespreliminares junto à vela, denomina-se“retardamento químico da combustão” ou “atrasode ignição”.

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Combustão em MIFCombustão Normal

◦Uma vez ocorrido o retardamento, acombustão propaga-se na câmarapor meio de uma frente de chama,deixando para trás gases queimadose tendo à frente mistura ainda nãoqueimada.

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Combustão em MIFCombustão Normal

◦A fim de se minimizar trabalhonegativo, é desejável que amáxima pressão provocada pelacombustão venha a acontecerquando o pistão se encontra notempo de expansão, ainda muitopróximo do PMS.

◦Como exemplo, a velocidadelaminar de frente de chama deuma mistura ar-gasolina, a pressãoe temperatura iniciais de 1atm e300K, é de no máximo 35cm/s.

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Combustão em MIFCombustão Normal

◦Os fatores que influenciam de maneiraimportante na velocidade de propagação dachama são:◦ Turbulência: Aumenta a área efetiva da frente de chama

por meio do efeito de “enrugamento”, o que promoveum maior contato entre as partículas em combustão eas que devem reagir na frente de chama, acelerando areação.

◦ Temperatura e Pressão: Temperatura mais alta tambémocasionam aumento na velocidade laminar de frente dechama, o que acarreta maiores velocidades de queima.

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Combustão em MIFCombustão Normal

◦Os fatores que influenciam de maneira importantena velocidade de propagação da chama são:◦ Relação combustível-ar: As misturas levemente ricas (em

até 10% acima do valor estequiométrico) provocam umamaior velocidade de propagação da frente de chama,pois é nesta região em que se encontram os picos develocidades laminares de frentes de chama.

◦ Presença de gases residuais: Tende a desacelerar acombustão, pois acarreta redução na velocidade laminarde frente de chama. O avanço da chama normal provocao aumento da pressão e temperatura da mistura aindanão queimada. Esta poderá, em alguns pontos, atingir atemperatura de auto-ignição do combustível.

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Combustão em MIFCombustão Normal

◦A auto-ignição, quando de uma pequenaquantidade de mistura e, portanto, de pequenaintensidade, auxilia a combustão normal narealização de oxidação, reduzindo o tempo doprocesso.

◦Quando a auto-ignição atinge uma intensidademuito elevada denomina-se detonação e o seuefeito maléfico no motor faz com que sejaevitada.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Se a chama principal varrer a mistura antesque as condições locais de temperatura epressão promovam a auto-ignição, então acombustão será normal. Em caso contrário,essa porção de mistura irá entrar emcombustão repentinamente, a volumeconstante, provocando um aumento muitobrusco de pressão, com a consequentepropagação de ondas de choque.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Esse fenômeno denomina-sedetonação e provoca umaumento local das tensões,bem como um ruídocaracterístico conhecidopopularmente por “batida depino”.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Detonações seguidas irão provocar oaparecimento de pontos incandescentesna câmara como, por exemplo, noseletrodos da vela, em locais carbonizados,nas válvulas de escapamento ou emoutros.

◦Esses pontos poderão provocar a igniçãoda mistura antes do salto da faísca emciclos subsequentes, causando umcrescimento da pressão entes do pistãoatingir o PMS. Este fenômeno muitoperigoso denomina-se pré-ignição.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Em resumo, a pré-ignição pode sercausa ou consequência da detonação.Muitas vezes, os efeitos de umfenômeno realimentam o outro, masambos devem ser evitados pelos seusefeitos normalmente catastróficos aosmotores.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Entre os fatores que influenciam nadetonação nos motores Otto, destacam-se:◦Qualidade antidetonante do combustível: Pelo

exposto, os combustíveis adequados à motores Ottodevem ter uma elevada temperatura de auto-ignição. A Octanagem ou NO (número de octanas) éa grandeza que representa a resistência da misturado combustível com o ar à auto-ignição, responsávelpela detonação. O aumento de NO permite odimensionamento de câmaras com maior taxa decompressão o que gera maior eficiência térmica nomotor.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Entre os fatores que influenciam na detonaçãonos motores Otto, destacam-se:◦ Temperatura da Mistura na Câmara: Quanto menor,

menos provável a ocorrência de detonação. Influemna temperatura:◦ A taxa de compressão;

◦ A temperatura da mistura na admissão;

◦ A temperatura das paredes, em função do arrefecimento domotor.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Entre os fatores que influenciam nadetonação nos motores Otto, destacam-se:◦ Pressão da mistura na câmara: Quanto menor,

menos provável a ocorrência de detonação. Influemna pressão:◦ A taxa de compressão;

◦ A pressão da mistura na admissão que depende da pressãodo ambiente, da abertura da borboleta aceleradora e daexistência de sobre-alimentação.

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Combustão em MIFDetonação no MIF

◦Entre os fatores que influenciam na detonaçãonos motores Otto, destacam-se:◦Avanço da faísca: Quanto mais avançada, mais

provável a ocorrência de detonação.

◦Qualidade da mistura: Quanto mais próxima daestequiometria, mais provável a detonação.

◦ Turbulência: Quanto mais intensa, menos provável adetonação, pois reduz a duração da combustão ehomogeneíza a mistura e a temperatura da câmara.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦A câmara de combustão, para o bomdesempenho dos motores Otto, semdetonação, deve obedecer a três regrasbásicas:◦Gerar nível adequado de turbulência para uma

combustão rápida e eficiente;

◦ Ser Compacta;

◦ Ter relação volume-superfície grande no iníciodo trajeto da chama e pequena no fim.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Gerar nível adequado de turbulência parauma combustão rápida e eficiente: Aturbulência pode ser criada oupotencializada por um ou mais padrões deescoamento no interior do cilindro.

◦São eles:◦ Swirl;

◦ Tumble;

◦ Squish.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Swirl: Movimento de corpo rígido dofluxo, ordenado, caracterizado por umarotação ao longo do eixo do cilindro,muito utilizado em MIF. Tende aaumentar a eficiência em carga parcial eprevenir detonações em carga plena.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Tumble: Similar ao Swirl, porém comrotação perpendicular ao eixo docilindro, muito utilizado nos motoresmodernos, de ignição por centelha e emmotores de competição.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Squish: Jato provocado peloesmagamento da mistura ao final dacompressão, normalmentedirecionado par a vela. Aumentamuito a intensidade da turbulência,acelerando a combustão. Pode sergerado pelo fluxo da mistura para ointerior de recesso no cabeçote ao nopistão.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Ser Compacta: Essa característicareduz o caminho percorrido pelafrente de chama, consequentementeredução da duração da combustão,reduzindo o tempo de exposição daparte final da mistura ar-combustívelaos gases queimados e diminuindo atendência à ocorrência dedetonação. Velas de igniçãolocalizadas no centro do cilindro sãoideais para tal.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Ter relação volume-superfície (V-S)grande no início do trajeto da chama epequena no fim:◦ No primeiro exemplo: Na região próxima àvela de ignição, uma relação volume-superfície pequena, o que retarda apropagação da frente de chama. Na regiãomais afastada da vela a relação volume-superfície é grande, o que acarretadiminuição do fluxo de calor dos gases paraas paredes. Essa porção de mistura estarásujeita a temperaturas mais elevadas e,portanto, a maior possibilidade dedetonação.

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Ter relação volume-superfície (V-S)grande no início do trajeto da chama epequena no fim:◦ No segundo exemplo: Obtida pela simples

mudança da posição da vela a propagaçãoda chama é rápida no início, pois asrelações acontecem em uma frente amplacom pouca interferência de paredes para oresfriamento. A região terminal tem umvolume pequeno, com bastante contatocom as paredes, o que torna menosprovável se atingir o TAI (temperatura deauto-ignição)

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Combustão em MIFCâmara de Combustão

◦Ter relação volume-superfície (V-S)grande no início do trajeto dachama e pequena no fim:◦No terceiro exemplo: Mostra

genericamente uma boa câmara paramotores Otto, com vela de igniçãocentrada, regiões de baixa volume-superfície na fase final da combustão.

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Combustão em MIE◦Nos motores do ciclo Diesel a ignição

ocorre por auto-ignição (TAI) no contato docombustível injetado com o ar aquecidopela compressão provocada pelo pistão.

◦O combustível líquido é injetado em altavelocidade na câmara de combustão, emum ou mais jatos, por meio dos pequenosorifícios do injetor, sendo em seguidavaporizado à medida que se mistura com oar em alta temperatura e alta pressão.

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Combustão em MIE◦A figura mostra um gráficocom o comportamento dapressão no interior dacâmara, o curso delevantamento da agulha doinjetor e a taxa de liberaçãode calor em relação ao ângulode movimento da árvore demanivelas, durante um ciclode um motor Diesel.

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Combustão em MIEFatores que Influenciam na Auto-ignição

◦Qualidade do combustível: É definidapor comparação de comportamentodos combustíveis comerciais comcombustíveis padronizados, emensaios fixado pela ASTM.

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Combustão em MIEFatores que Influenciam na Auto-ignição

◦Temperatura e Pressão: A temperaturae a pressão do ar de admissão afetam aauto-ignição por meio das condiçõesda mistura ar-combustível no períodode atraso de ignição. A taxa decompressão é um elementofundamental, um aumento na mesmareduzirá o atraso de igniçãomelhorando a eficiência indicada.

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Combustão em MIEFatores que Influenciam na Auto-ignição

◦Turbulência: O movimento de corpo rígidochamado Swirl é um criador ou potencializadode turbulência, amplamente utilizado emmotores Diesel. O projeto das câmaras decombustão deve considerar o compromisso deredução do atrasado de ignição sem elevardemasiadamente as temperaturas atingidas nasfases iniciais da combustão de pré-mistura, naqual é formada grande parte dos óxidos denitrogênio (NOx) do ciclo Diesel.

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Combustão em MIETipos Básicos de Câmaras

◦Basicamente, as câmaras paramotores Diesel são classificadas emdois grupos fundamentais:◦ Câmaras de Injeção Direta (ou abertas):

nas quais o combustível é injetadodiretamente na câmara;

◦ Câmaras de Injeção Indireta (ou divididas):Que são divididas em duas regiões e ocombustível é injetado em uma pré-câmaraconectada à câmara principal.

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Combustão em MIETipos Básicos de Câmaras

◦Câmara de injeção direta ou abertas:Estas são, em geral, construídas na coroado pistão, utilizam como mecanismospara produção de turbulência o squish, oswirl e quantidade de movimento docombustível injetado. As câmaras deinjeção direta atuais são, em geral, rasase centradas na coroa do pistão efuncionam com injetores centrados demúltiplos orifícios dispostos radialmentena extremidade do injetor.

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Combustão em MIETipos Básicos de Câmaras

◦Câmara de injeção indireta ou divididas:São construídas no cabeçote, com oobjetivo de produzir turbulências muitointensas. É claro que, se por um lado, asturbulências elevadas reduzem oretardamento físico e, portanto, permitemproduzir uma combustão mais suave emais rápida, por outro lado produzem umamaior perda de calor, com consequenteredução de eficiência térmica. As câmarasde injeção indiretas podem ser divididasem: Pré-câmara turbulenta e Pré-câmarade Swirl.

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Combustão em MIETipos Básicos de Câmaras

◦Câmara de injeção indireta ou divididas:◦Pré-Câmara Turbulenta: Quando o pistão

percorre o curso de compressão, o ar éforçado por uma estreita passagem docabeçote para uma câmara auxiliar logo acima,adquirindo alta velocidade. O combustível éentão injetado na câmara auxiliar com umapressão menor do que aquela utilizada nossistemas de injeção direta, produzindo acombustão que eleva a pressão e faz com quea frente de chama se propague até a câmaraprincipal através de um canal estreito que geraelevada turbulência.

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Combustão em MIETipos Básicos de Câmaras

◦Câmara de injeção indireta ou divididas:◦Pré-Câmara Swirl: O combustível é injetado na

câmara secundária, onde sofre combustãoparcial com um aumento considerável dapressão. Por causa disso a mistura emcombustão é impelida para o câmara principalatravés de passagens desenhadas para fazercom que o fluxo assuma um movimento rotativode grande velocidade, induzindo assim o swirlna câmara principal na cabeça do pistão, ondese completa a combustão.

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