Generalidades sobre os processos de combustão nos motores

1. Capitulo 6 Generalidades sobre os processos de combustão nos motores Eng. Julio Cesar LODETTI

2. Equação da Combustão • A reação global de combustão “tenta” ser descrita através de uma equação química, que leva em conta a composição inicial da mistura dos reativos (Ar + Combustível). • Na estequiometria, ela fica mais ou menos assim: • CnHm + Ar => CO2 + água + N2 + entalpia de combustão. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

3. Equação da Combustão • Vale lembrar que esta equação nem de longe leva em conta o mecanismo real da combustão. • Na realidade, a combustão em si, não é o resultado de uma única reação química mas sim, uma sucessão de incontáveis (milhões) reações elementares em cadeia. • No final de uma combustão completa, o CARBONO e o HIDROGÊNIO do combustível se combinam com o oxigênio para formar CO2 e H2O, que são produtos saturados em oxigênio. • O Nitrogênio, como de hábito, não reage com ninguém. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

4. Equação da Combustão • Mas, no cotidiano de um motor, a composição desta “mistura queimada” que sai no escapamento é SEMPRE muito mais complexa do que está escrito na equação; • Assim sendo, a combustão JAMAIS é completa quando da realização de um ciclo termodinâmico em um motor; • Isto pode ocorrer devido a uma falta local ou global de oxigênio, ou por efeito de extinção da frente de chama nas paredes, e etc ..... Volvo Powertrain - Julio Lodetti

5. Equação da Combustão • Se estas reações forem conhecidas, a composição final dos produtos de combustão pode ser CALCULADA, em se supondo um equilíbrio termodinâmico realizado, dentro de condições de pressão e temperatura dos gases observados após a combustão; • Na prática, levando-se em conta as baixas velocidades da maioria destas reações, o estado real dos produtos está longe do equilíbrio, daí a presença de POLUENTES na saída do escapamento. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

6. Equação da Combustão 13,5 E24 Brasil Volvo Powertrain - Julio Lodetti

7. Relação Ar/Combustível • = 1 para uma mistura estequiométrica • < 1 para uma mistura com excesso de ar ou mistura pobre (em combustível) • > 1- para um mistura com excesso de combustível ou mistura rica, que resultará em uma combustão Volvo Powertrain - Julio Lodetti

8. Relação Ar/Combustível • O coeficiente de excesso de ar (Luftzahl) ou LAMBDA, tem origem nas publicações alemãs e é igual ao inverso da riqueza. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

9. Auto-inflamação: Uma mistura HOMOGÊNEA de combustível + AR, em proporções estequiométricas, nas condições normais de temperatura e pressão, NÃO REAGE. Ou pelo menos, para eufemizar a expressão, suas reações de oxidação são tão lentas que é impossível de se perceber. Combustão de uma mistura homogênea Volvo Powertrain - Julio Lodetti

10. Combustão de uma mistura homogênea • Se a temperatura desta mistura começar a aumentar progressivamente, aquelas reações de oxidação lentas, começam a transformar os REATIVOS iniciais em produtos intermediários de oxidação. • A velocidade global da reação, ainda é lenta e, após passar por um valor máximo, ela diminui devido a extinção dos reativos da mistura. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

11. Combustão de uma mistura homogênea • Entretanto, se esta mistura for posta a uma temperatura SUPERIOR a um valor crítico “Ti ”, dita temperatura mínima de auto-inflamação, àquelas reações lentas de oxidação lentas, se transformam numa combustão VIVA. • Os reativos transformam-se quase que instantaneamente em produtos de combustão. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

12. Exemplo “acadêmico” de combustão de uma mistura homogênea • Evoluções esquemáticas da velocidade de reação de uma mistura. Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

13. Exemplo “pratico” de combustão de uma mistura homogênea!!!!!!! Volvo Powertrain - Julio Lodetti

14. Delay de auto-inflamação • O tempo “”, durante o qual este sistema deverá ser mantido em condições fixas de temperatura e pressão, antes que aconteça a inflamação, chama-se DELAI DE AUTO INFLAMAÇÃO. • Este delai  corresponde ao tempo necessário para que certas “pré-reações” de oxidação se desenvolvam em cadeia e iniciem a combustão. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

15. Delai de auto-inflamação • A temperatura mínima “Ti” depende da natureza do combustível. • Para um dado combustível, em mistura homogênea com o ar, o delai  depende da TEMPERATURA, da PRESSÃO, assim como da RIQUEZA da mistura. • As figuras a seguir mostram isto: Volvo Powertrain - Julio Lodetti

16. Delai de auto-inflamação A figura mostra que, o delay diminui se a PRESSÃO do sistema aumenta a uma mesma temperatura. 20 bar 40 bar Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

17. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • O processo de auto-inflamação pode ocorrer em quase toda a zona que se encontra a mistura de reativos.... • ....ou então, em uma pequena região deste volume, onde as condições de temperatura, pressão e concentração dos reagentes estão reunidas. • Neste caso, teremos a IGNIÇÃO! Volvo Powertrain - Julio Lodetti

18. Inflamabilidade e processo de propagação de chama Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

19. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • Na prática, isto é o que mais acontece em um motor de combustão interna onde, a IGNIÇÃO é dada por uma centelha elétrica, ou introdução de um corpo quente (motor todo carbonizado!!) ou de gazes quentes do escapamento (motores do futuro). Volvo Powertrain - Julio Lodetti

20. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A partir deste ponto ou momento de ignição, se as condições relativas a mistura permitirem..... • ...... A combustão poderá propagar-se passo a passo através de uma FRENTE DE CHAMA, que separa a todo instante, a zona de gases queimados da zona de gases frescos. • O sistema é dito então, INFLAMÁVEL. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

21. Inflamabilidade e processo de propagação de chama Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

22. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A PROPAGAÇÃO desta zona reativa, criada pela ignição da mistura, pode se realizar de diferentes maneiras. Mas acima de tudo, ela depende muito da natureza inicial da mistura AR + Combustível. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

23. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • Tipos de propagação de frente de chama: • Chama de pré-mistura: Acontece se o combustível e o comburente (ar, nitro, etc) são misturados ANTES da ignição. Ex: Motores a ignição por centelha. • Chama de difusão: Acontece quando o fenômeno de propagação é em parte controlado pela velocidade na qual os reativos se DIFUNDEM uns contra os outros. Ex: Motores a ignição por compressão (Diesel). Volvo Powertrain - Julio Lodetti

24. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE DIFUSÃO - Diesel • Inicia-se sem intervenção interna, ou seja, origina-se por auto-inflamação; • A energia fornecida na fase de compressão do ciclo Diesel já é suficiente, pois a temperatura no interior ultrapassa o valor crítico de auto-inflamação “Ti”; • O processo de início da combustão deve então ser bem controlado afim de minimizar o delay de auto inflamação. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

25. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE DIFUSÃO Foto: DELPHI. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

26. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE DIFUSÃO • O combustível então deve ser injetado diretamente dentro da câmara de combustão; • Este é então pulverizado e depois vaporizado. Difundindo-se assim, no ar comprimido no interior da câmara de combustão. • Um delay de auto-inflamação, de ordem química, que varia conforme a riqueza, se soma ao delay físico que corresponde ao tempo de vaporização do combustível líquido. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

27. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE DIFUSÃO • A mistura formada então, é essencialmente HETEROGÊNEA, e comporta zonas de riqueza variável indo de combustível puro (R = ∞) ao ar puro (R = 0); • É impossível determinar o local da câmara que a auto-inflamação dar-se-á início, porém, se for assegurado uma temperatura e pressão suficiente no fim da compressão...... • ...inevitavelmente um ponto da câmara estará propício a dar início a uma auto-inflamação rápida. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

28. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE DIFUSÃO • Partindo-se desta zona inicial de auto-inflamação, onde se considera que a chama se desenvolve em PRÉ-MISTURA, e graças a energia recém liberada, a combustão se estende em seguida por chama de DIFUSÃO sobre o resto do combustível presente na câmara. • ....assim como o combustível que continua a ser injetado após o início da auto-inflamação, pode-se daí, modificar o desenrolar da combustão. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

29. Inflamabilidade e processo de propagação de chama Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

30. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE DIFUSÃO • Devido a grande variação “local” de riqueza dentro dos mais variados pontos da câmara de combustão, pode-se somente tratar a riqueza como “GLOBAL”; • A riqueza máxima que assegura uma combustão completa, encontra-se na cada 0,85, ou seja, 15% de excesso em ar. • Mesmo que o combustível injetado encontre oxigênio suficiente na câmara, a partir de uma certa quantidade injetada, este queima incompletamente com a aparição de fumaça no escapamento. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

31. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE DIFUSÃO • Sobre este tipo de motor, a regulagem da carga é feita pela quantidade de combustível injetado, sem modificar o enchimento de ar, que em estando constante, é mantido sempre em seu valor máximo. Não tem borboleta!! Volvo Powertrain - Julio Lodetti

32. Exemplo de Chama de difusão:DIESEL Fonte: AVL Volvo Powertrain - Julio Lodetti

33. Inflamabilidade e processo de propagação de chama A PROPAGAÇÃO DA CHAMA EM UM MOTOR A IGNIÇÃO POR CENTELHA Volvo Powertrain - Julio Lodetti

34. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE PRÉ-MISTURA • Depende de uma fonte “externa” de energia para iniciar; • Ela pode, dependendo da natureza da mistura e das condições operatórias do motor, se propagar em diferentes velocidades. • Se velocidade sub-sônica: DEFLAGRAÇÃO • Se velocidade super-sônica: DETONAÇÃO! Volvo Powertrain - Julio Lodetti

35. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A CHAMA DE PRÉ-MISTURA • MAS ATENÇÃO, se velocidade super-sônica é chamada de DETONAÇÃO, não se deve confundir este termo com o fenômeno de “batida de pino” ou “cliquetis” ou “knock” para designar este fenômeno. Chamaremos então este processo anômalo de Combustão Anormal ao longo do curso. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

36. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A PROPAGAÇÃO DA CHAMA => Este fenômeno é assegurado pela transferência de CALOR e MASSA ou, pela DIFUSÃO das partículas ativas da zona quente (onde acontece a reação química) = = = > para a zona de gases não queimados, mais conhecidos como gases “frescos”..... Volvo Powertrain - Julio Lodetti

37. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A PROPAGAÇÃO DA CHAMA • Os fatores aerodinâmicos no sistema em combustão, exercem uma influência MUITO importante sobre a VELOCIDADE global da combustão. • Na prática, a mistura combustível em escoamento turbulento, é a grande responsável pelo bom funcionamento dos motores. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

38. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A PROPAGAÇÃO DA CHAMA • Escoamento turbulento, mas como assim?? • O escoamento turbulento é um agente que aumenta drasticamente a mistura entre os gases “frescos” e os em reação. Sendo assim, ele acelera em muito a combustão dentro da câmara. Deste modo, o motor pode funcionar acima de 2000 rpm!! Volvo Powertrain - Julio Lodetti

39. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A PROPAGAÇÃO DA CHAMA • Nos motores de F1 atuais, eles atingem 20.000 rpm. A combustão não é ainda o fator que limita esta rotação. Fonte: ifp.fr. A foto mostra uma simulação da frente de um motor Peugeot V10 F-1 Volvo Powertrain - Julio Lodetti

40. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A PROPAGAÇÃO DA CHAMA • Devido a esta grande turbulência e outros fatores ligados ao processo de combustão, a frente de chama não tem um aspecto liso ou bem definido. • Existem nas suas fronteiras, micro turbulências que aumentam muito a superfície real da chama. Aumentando assim o contato com os gases “frescos”. • O FSR ou Flame Speed Ratio, é um índice que permite levar em conta a turbulência encontrada na câmara de combustão. Ele representa o aumento da superfície entre uma chama “normal” e uma afetada pela turbulência interna. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

41. Inflamabilidade e processo de propagação de chama Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

42. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • O F.S.R. depende da fase da combustão pois, a velocidade de propagação da chama e a taxa de dissipação de energia, são variáveis ao longo do processo de combustão. (cinemática pistão/manivela) • Nota-se no entanto que, a turbulência tem efeito maior quando a fase de combustão já está plenamente desenvolvida. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

43. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A evolução da velocidade é função: • Da evolução da temperatura e pressão dos gases ONDE se propaga a chama. • Da modificação da turbulência na câmara devido a cinemática do conjunto biela+pistão. => A velocidade no início da combustão é pequena. Podemos supor ainda que o núcleo da combustão está se movimentando sem ser deformado pela ação da turbulência local. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

44. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • Para este núcleo, a verdade será ainda maior se suas dimensões forem menores que as turbulências locais. • Mas, quando a frente de chama alcança dimensões próximas aos níveis de turbulência da câmara, esta irá agir e recortar toda a superfície de frente de chama. A velocidade de propagação da frente de chama dispara neste momento. • Nesta fase, a velocidade depende mais da turbulência do que das propriedades químicas da mistura. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

45. Inflamabilidade e processo de propagação de chama • A PROPAGAÇÃO DA CHAMA - A AERODINAMICA INTERNA do motor, como a geometria dos dutos de admissão, câmara de combustão, também contribuem (ou não) para o aumento e propagação do escoamento turbulento. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

46. Inflamabilidade e processo de propagação de chama A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aerodinâmica Interna Existem atualmente, basicamente 3 maneiras de se admitir a mistura dentro dos cilindros. São elas: • SWIRL • TUMBLE • SQUISH Volvo Powertrain - Julio Lodetti

47. Inflamabilidade e processo de propagação de chama A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aero.Int.- • SWIRL -> Obtido com a geometria dos dutos de admissão. Consiste na rotação da mistura em torno do eixo central do cilindro. Mais comumente usada em motores Diesel para veículos de passeio. Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

48. Inflamabilidade e processo de propagação de chama A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aero.Int.-2 O SWIRL melhora a combustão agindo sobre o aumento da velocidade de queima e regularidade de funcionamento. Também ajuda a aumentar a superfície média da frente de chama e reparte melhor a região dentro da câmara. Ruim no que tange as trocas térmicas com as paredes e rendimento volumétrico. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

49. Inflamabilidade e processo de propagação de chama Alcool/GASOLINA A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aero.Int.-3 Exemplo de soluções DIESEL Fonte: RAYNAL, B. Volvo Powertrain - Julio Lodetti

50. Inflamabilidade e processo de propagação de chama A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aero.Int.-4 2) O TUMBLE: Estratégia de admissão da mistura que a coloca em rotação, na forma de turbilhonamento, em um eixo perpendicular ao eixo do cilindro. Mais comumente usado em motores a ignição por centelha. Volvo Powertrain - Julio Lodetti