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Nos motores SI o combustível é misturado com o ar já no sistema de admissão. Após a

compressão desta mistura, uma descarga elétrica inicia o processo de combustão. Uma chama

se desenvolve a partir do “núcleo” criado pela centelha e propaga-se através do cilindro até as

paredes da câmara, onde se extingue.

Um fenômeno indesejável, a ignição espontânea de uma massa considerável de mistura além da

frente da chama também pode ocorrer. Este fenômeno, também chamado auto-ignição ou

detonação é responsável pela „batida de pino” (ruído característico) que em função das altas

pressões geradas, pode trazer danos ao motor.

TERMOQUÍMICA DA MISTURA AR/COMBUSTÍVELMáquinas Térmicas I – Prof. Eduardo Loureiro

Caracterização das Chamas:

• A combustão da mistura ar/combustível dentro do cilindro é um dos processos que controlam a potência,

eficiência e emissões dos motores. Os processos de combustão são diferentes para os motores de ignição por

centelha, SI, e os de ignição por compressão, CI.

Nos motores CI, o combustível é injetado no interior do cilindro contendo ar já a alta

temperatura e pressão, próximo do final do curso de compressão. A auto-ignição de porções

da mistura em desenvolvimento, do combustível injetado e vaporizado com o ar quente,

começa o processo de combustão, que se espalha rapidamente. A queima então continua à

medida que ar e combustível se misturam até atingir uma adequada composição para que a

combustão aconteça.

Então a mistura combustível/ar exerce um papel importante de controle do processo de

combustão.



• O processo de combustão é uma reação rápida, exotérmica e ocorre na fase gasosa onde o oxigênio é um dos

reagentes. Propaga-se subsonicamente através do espaço e o movimento da chama em relação aos gases não

queimados é uma característica importante.A zona de reação é freqüentemente chamada de “frente da chama.”

A propagação espacial da chama é função do „casamento‟ entre: a reação química; os fenômenos de transporte

de difusão de massa e de calor e do escoamento dos fluidos.

•As chamas são usualmente classificadas de acordo com:

•A composição dos reagentes quando eles entram na zona de reação:

•Chama pré-misturada (premixed), se o combustível e o oxidante são misturados uniformemente.

•Chama de difusão (diffusion flame), quando os reagentes são misturados na mesma região onde a

reação de combustão toma lugar. Neste caso a mistura é acompanhada por um processo de

difusão.

•O escoamento dos gases através da zona de reação:

•Laminar para escoamentos com baixos números de Reynolds. O número de Reynolds retrata a

razão entre as forças de inércia e as forças viscosas presentes. No escoamento laminar a mistura e

transporte são feitos por processos moleculares.

•Turbulento para escoamentos com grandes números de Reynolds. Neste caso, a mistura e

transporte são acelerados pelo movimento relativo de vórtices e redemoinhos característicos da

turbulência.



• Então, podemos afirmar que nos motores convencionais de ignição por centelha a chama é:

•Pré-misturada

•Turbulenta

•E podemos adicionar que, a mistura combustível-ar onde a chama se propaga está na fase gasosa.

• E nos motores de ignição por compressão a chama é:

•De difusão

•Turbulenta

•E o combustível encontra-se inicialmente na fase líquida.

•Ambos os processos são extremamente complicados pois envolvem a ocorrência de complexos mecanismos

químicos, pelos quais o combustível e oxidante reagem para formar os produtos da queima, dentro de um

processo de transporte convectivo e turbulento.

•A combustão em motores de ignição por compressão é ainda mais complicada porque a vaporização do

combustível líquido e a mistura do ar com o combustível estão envolvidos no mesmo processo.


Composição do ar e combustíveis:

Principais constituintes do ar seco:

O peso Molecular, M, do ar é obtido da tabela acima:

Gas ppm by volume Molecular Weight Mole fraction

O2 209,500 31.998 0.2095

N2 780,900 28.012 0.7809

Ar 9,300 39.948 0.0093

CO2 300 44.009 0.0003

Air 1,000,000 28.963 1.0000

963.28~ i

i

iMxM

Então, a densidade do ar seco à pressão atmosférica e

a 25ºC é:



Principais constituintes do ar seco:

A densidade do ar seco pode ser obtida de:

Com e

Gas ppm by volume Molecular Weight Mole fraction Molar ratio

O2 209,500 31.998 0.2095 1

aN2 790,500 28.16 0.7905 3.773

Air 1,000,000 28.964 1.0000

TRnTM

RmmRTpV

~~

KT

Papmkg

33 10483.3

/

KkmolJR 3.8314~ 962.28M

3

33

184.127325

103.10110483.3

m

kg



O ar normalmente contém vapor d‟água. A quantidade de vapor depende da temperatura e do grau de saturação.

Normalmente a proporção em massa é de cerca de 1%, podendo chegar a 4% em condições extremas.

A umidade relativa compara a quantidade de vapor d‟água no ar com aquela requerida para saturá-lo.

A umidade relativa é expressa pela razão entre a pressão parcial de vapor d‟água real e a pressão de saturação à

mesma temperatura.

O conteúdo de vapor d‟água é medido por um psicrômetro de bulbo úmido e de bulbo seco. Ele consiste de dois

termômetros expostos a uma corrente de ar úmido. A temperatura de bulbo seco é a temperatura do ar. O

bulbo do outro termômetro é envolto numa mecha umedecida (em contato com um recipiente contendo água).

A temperatura de bulbo úmido é menor que a de bulbo seco devido à evaporação da água da mecha. A umidade

relativa pode ser obtida através de uma carta psicrométrica.



Temperatura de Bulbo seco = 30ºC

Temperatura de Bulbo úmido = 20ºC

Umidade relativa = 40%

Ponto de orvalho = 15ºC


ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO:

A estequiometria diz respeito às relações entre a composição dos reagentes (combustível e ar) de uma mistura

combustível e a composição dos produtos da combustão.

Se há oxigênio suficiente, um combustível (hidrocarbonetos) pode ser completamente oxidado.

•O Carbono é convertido em CO2;

•E o hidrogênio em H2O.

Por exemplo, consideremos a equação da completa combustão de um mol de propano (C3H8):

Fazendo o balanço:

C b = 3

H 2c = 8 c = 4

O 2a = 2b + c = 10 a = 5

Então:

OcHbCOaOHC 22283

OHCOOHC 22283 435



O ar contém nitrogênio, mas quando os produtos estão a baixas temperaturas o nitrogênio não é afetado

significativamente pela reação.

A equação completa da combustão é:

Observe-se que a composição do combustível pode ser expressa como CHy, onde y = b/a.

divide-se CaHb por a dando CHa/b

OcHbCOaOHC 22283 OHCOOHC 22283 435

222224

773.32

773.34

Nb

aOHb

aCONOb

aHC ba



A equação acima define as proporções estequiométricas (quimicamente corretas ou teóricas) de combustível e ar.

Ou seja, há justamente a quantidade de oxigênio suficiente para a oxidação completa dos produtos.

A relação ar/combustível estequiométrica, (A/F)s, depende da composição dos combustíveis. Sabendo-se os

pesos moleculares do oxigênio (32), nitrogênio atmosférico (28.16) carbono (12.011) e hidrogênio (1.008):

Por exemplo, para o isooctano C8H18 teremos uma (A/F)s = 15.13. Ou seja, para cada parte de combustível são

necessárias 15.13 partes de ar para que haja a combustão completa.

Para se obter CHy dividiu-se CaHb por a, dando CHa/b

222224

773.32

773.34

Nb

aOHb

aCONOb

aHC ba

y

y

y

y

F

A

s 008.1011.12

456.34

008.1011.12

16.28773.33241



Misturas com mais ar que a mistura estequiométrica (e também misturas com menos ar), podem „queimar.‟

Com excesso de ar (mistura pobre), o ar extra aparece nos produtos da combustão de forma inalterada. Por

exemplo, a combustão de isooctano (C8H18), com 25% de excesso de ar dá:

Com menos ar do que a mistura estequiométrica (mistura rica) não há oxigênio suficiente para oxidar todo o C

e H, presentes no combustível, para produzir CO2 e H2O. Além destes dois, os produtos da combustão são

formados por monóxido de carbono, CO2, hidrogênio, H2, e nitrogênio, N2.

222222188 95.5813.398773.35.1225.1 NOOHCONOHC

222224

773.32

773.34

Nb

aOHb

aCONOb

aHC ba



Como a composição dos produtos da combustão difere significativamente quando se usam misturas rica e

mistura pobre e como a razão estequiométrica combustível/ar depende da composição do combustível, um

parâmetro mais informativo é a razão de equivalência combustível ar, :

O inverso de é a razão relativa ar/combustível, :

Para mistura pobre: < 1; > 1

Para mistura estequiométrica: = 1; = 1

Para mistura rica: > 1; < 1

Há um dispositivo chamado sonda lambda nos sistemas de injeção eletrônica para checar esta razão.

s

real

A

F

A

F

s

real

F

A

F

A

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