MCI Gasolina

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA 
FONSECA 
CAMPUS ANGRA DOS REIS 
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
CÉSAR AUGUSTO OLIVEIRA GONÇALVES DE JESUS 
GIAN VICTOR PEREIRA 
PAULO HEINRIQUE GOMES JÚNIOR 
 
 
 
 
 
 
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA A GASOLINA 
 
 
 
 
 
 
 
 
Angra dos Reis - RJ 
Setembro 2021 
 
 
CÉSAR AUGUSTO OLIVEIRA GONÇALVES DE JESUS 
GIAN VICTOR PEREIRA 
PAULO HEINRIQUE GOMES JÚNIOR 
 
 
 
 
 
 
 
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA A GASOLINA 
 
 
 
Trabalho de sistemas térmicos 
realizado como requisito parcial 
para primeira avaliação. 
 
 
 
 
Professora: Clara Cristina Almeida Loures 
 
 
 
 
 
 
 
 
Angra dos Reis - RJ 
Setembro/2021 
Sumário 
 
1. Introdução............................................................................................................................ 4 
1.1. Motor de combustão interna ........................................................................................ 4 
1.2. Ciclo Otto ..................................................................................................................... 4 
2. Memória de Cálculo ............................................................................................................ 6 
2.1. Balanço da equação da combustão .............................................................................. 6 
2.2. Razão ar/combustível (A/C) ........................................................................................ 6 
2.3. Processos de combustão ideal e real ............................................................................ 6 
2.4. Temperatura de orvalho dos produtos de combustão .................................................. 7 
2.5. Entalpias de formação e de combustão ........................................................................ 8 
2.5.1. Entalpia de formação ............................................................................................ 8 
2.5.2. Entalpia de combustão .......................................................................................... 8 
2.6. Poder Calorífico ........................................................................................................... 9 
2.7. Temperatura adiabática de chama ................................................................................ 9 
2.7.1. Aplicação da 1ª da termodinâmica ....................................................................... 9 
2.7.2. Cálculo da temperatura adiabática de chama ..................................................... 10 
3. Conclusão .......................................................................................................................... 13 
Referências Bibliográficas ........................................................................................................ 14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Introdução 
1.1. Motor de combustão interna 
 
 Os motores de combustão interna são os motores cujo combustível é queimado 
internamente e podem ser classificados como motor com ignição por centelha e motor com 
ignição por compressão. mecanismo constituído por pistão, biela e virabrequim é o 
responsável por transformar a energia térmica da combustão em energia mecânica. 
Os MCI são constituídos de: Bloco, cabeçote, cárter, pistão, biela, virabrequim, volante e 
válvulas, e podem ser modelados por ciclos termodinâmicos como o ciclo Diesel, ciclo Otto 
e ciclo dual, sendo o ciclo Otto o que melhor descreve o funcionamento do MCI com ignição 
por centelha utilizando gasolina como combustível. 
 
 
Figura 1: Cilindro-pistão 
 
1.2. Ciclo Otto 
 O ciclo Otto é um ciclo que considera que a adição de calor ocorre 
instantaneamente enquanto o pistão se encontra no ponto morto superior, como 
mostrada na Figura 1. 
O ciclo pode ser visto na Figura 2 utilizando os diagramas p-v e T-s, cujos processos 
são idealizados como internamente reversíveis. 
 
Figura 2: Diagrama p-v e T-s ciclo Otto 
 
Processo 1-2: Processo em que ocorre uma compressão isentrópica do ar conforme 
o pistão se move do ponto morto inferior (PMI) para o ponto morto superior (PMS); 
Processo 2-3: Em volume constante, ocorre transferência de calor para o ar de uma 
fonte externa enquanto o pistão está no PMS, processo cujo objetivo é representar a 
ignição da mistura A/C e a combustão rápida que se segue; 
Processo 3-4: Processo em que ocorre expansão isentrópica; 
Processo 4-1: Onde o ciclo é completado através de um processo a volume constante 
no qual o calor é rejeitado pelo ar conforme o pistão se posiciona no PMI. 
 
 
2. Memória de Cálculo 
 
 O intuito do trabalho é analisar um MCI utilizando como combustível a gasolina. Com 
essa finalidade foi considerado a gasolina como Octano líquido (C8H18). 
 
2.1. Balanço da equação da combustão 
 
𝐶8𝐻18 + 𝑎(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 𝑏𝐶𝑂2 + 𝑐𝐻2𝑂 + 𝑑𝑁2 
 
Aplicando o princípio da conservação de massa respectivamente ao carbono, 
hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, obtém-se: 
 
𝐶: 𝑏 = 8 
𝐻: 2𝑐 = 18 
𝑂: 2𝑏 + 𝑐 = 2𝑎 
𝑁: 𝑑 = 3,76𝑎 
 
Com o resultado das equações acima, temos: a = 12,5; b = 8; c = 9; e d = 47. A 
equação estequiométrica balanceada fica: 
 
𝐶8𝐻18 + 12,5(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂 + 47𝑁2 
2.2. Razão ar/combustível (A/C) 
 
 A razão ar-combustível em uma base molar é dada por 
 
𝐴/𝐶 =
12,5 + 12,5(3,76)
1
 → 59,5
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑎𝑟)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
 
 
A razão ar-combustível em base mássica é dada por: 
 
𝐴/𝐶 = [59,5
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑎𝑟)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
] [
28,97
𝑘𝑔 (𝑎𝑟)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑎𝑟)
114,22
𝑘𝑔 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
] = 
 
𝐴/𝐶 = 15,1
𝑘𝑔 
𝑘𝑔 
 
 
2.3. Processos de combustão ideal e real 
 
 Conforme o balanço estequiométrico realizado acima, o processo de combustão 
ideal, ar teórico 100%, nos fornece uma razão de ar/combustível de 15,1 kg/kg. 
Os combustíveis líquidos podem trabalhar com excesso de ar variando de 102% a 130% 
de ar teórico. Será realizado o cálculo da razão A/C utilizando 120% de ar teórico, 
combustão real, a fim de comparar com o processo de combustão ideal. 
 
𝐶8𝐻18 + 1,2(12,5)(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 𝑏𝐶𝑂2 + 𝑐𝐻2𝑂 + 𝑑𝑁2 + 𝑒𝑂2 
 
Aplicando o balanceamento: 
𝐶: 𝑏 = 8 
𝐻: 2𝑐 = 18 
𝑂: 2𝑏 + 𝑐 + 2𝑒 = (1,2)(12,5)(2) 
𝑁: 𝑑 = (1,2)(12,5)(3,76) 
 
Com o resultado das equações acima, temos: b = 8; c = 9; e d = 56,4; e = 2,5. 
A equação química balanceada fica: 
 
𝐶8𝐻18 + 15(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂 + 56,4𝑁2 + 2,5𝑂2 
 
Calculando a razão de A/C, obtém-se: 
 
𝐴/𝐶 =
15 + 15(3,76)
1
 → 71,4
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑎𝑟)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
 
 
𝐴/𝐶 = [71,4
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑎𝑟)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
] [
28,97
𝑘𝑔 (𝑎𝑟)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑎𝑟)
114,22
𝑘𝑔 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙)
] = 
𝐴/𝐶 = 18,1
𝑘𝑔 
𝑘𝑔 
 
 
Razão de equivalência: 
𝛷 =
15,1
18,1
 → 𝛷 ≈ 0,83 
 
Como 𝛷 < 1, é possível afirmar que a mistura é pobre em combustível possuindo 
excesso de oxigênio o que resultará em oxigênio presente nos gases de exaustão do 
motor. 
 
2.4. Temperatura de orvalho dos produtos de combustão 
 
 A temperatura de orvalho é a temperatura limite para que se produza a 
condensação da umidade contida no ar. Pode-se calcular a Tpo utilizando a temperatura 
de saturação correspondente a pressão parcial da água. Onde a pressão parcial da água, 
a 100kPa, é: 
 
𝑃𝑣 = 100𝑘𝑃𝑎(0,1186) = 11,86𝑘𝑃𝑎 
 
 Onde: “9H2O” na equação corresponde a 11,86% de H2O nos produtos da 
combustão. 
Tabela 1: Interpolação de temperatura de orvalho 
Temperatura (°C) Pressão (kPa) 
45,81 10 
x 11,86 
60,06 20 
 
 
Na pressão de 11,86kPa, interpolando da tabela de água saturada, obtém-se 
Tpo = 48,46°C. 
 
2.5. Entalpias de formação e de combustão2.5.1. Entalpia de formação 
 De acordo com a literatura, os valores de entalpia de formação podem ser 
encontrados em tabelas termodinâmicas, para gasolina (C8H18) e seus produtos da 
combustão a 25°C e 100kPa, tem-se a tabela a seguir: 
 
 
 
Tabela 2: Entalpia de formação 
Entalpia de formação (ΔH) 
H2O(g) CO2 (g) C8H18 (l) N2 (g) e O2(g) 
-242 kJ/mol -394 kJ/mol -250 kJ/mol 0 
 
2.5.2. Entalpia de combustão 
 
 A entalpia de combustão pode ser calculada utilizando a diferença entre a 
entalpia dos produtos e a entalpia dos reagentes quando ocorre uma combustão 
completa a temperatura e pressão dadas. 
 
ℎ̅𝑅𝑃 = ∑ 𝑛𝑒ℎ̅𝑒
𝑃
− ∑ 𝑛𝑖ℎ̅𝑖
𝑅
 
 
Utilizando os valores da tabela anterior, para equação estequiométrica, pode-se 
calcular: 
𝐶8𝐻18 + 12,5(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂 + 47𝑁2 
 
ℎ̅𝑅𝑃 = [ 8 ∗ (−394) + 9 ∗ (−242) + 47 ∗ 0] − [−250 + (12,5 ∗ 0)] 
ℎ̅𝑅𝑃 = −5080 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 
 
 Para a equação de combustão a 120% de ar teórico, tem-se: 
 
𝐶8𝐻18 + 15(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂 + 56,4𝑁2 + 2,5𝑂2 
 
ℎ̅𝑅𝑃 = [ 8 ∗ (−394) + 9 ∗ (−242) + 56,4 ∗ 0] − [−250 + (15 ∗ 0)] 
ℎ̅𝑅𝑃 = −5080 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 
 
2.6. Poder Calorífico 
 
 Existem dois poderes caloríficos que são chamados de poder calorífico superior 
(PCS) e o poder calorífico inferior (PCI). O PCS é obtido quando toda a água formada 
por combustão é um líquido, já o PCI é quando toda a água formada na combustão é 
vapor. 
De acordo com o a tabela termodinâmica A-25 do livro “Princípios da termodinâmica 
– Morgan & Shapiro – 7edição” 
 
 
Figura 3: Poder calorífico do octano. 
 
2.7. Temperatura adiabática de chama 
 
 É a temperatura que seria alcançada pelos produtos no limite de uma operação 
adiabática, também pode ser chamado de temperatura de combustão adiabática. 
 
2.7.1. Aplicação da 1ª da termodinâmica 
 
 Pode-se calcular a temperatura adiabática de chama considerando que tanto o ar 
de combustão quanto os produtos de combustão formem misturas de gases ideais, com 
isso, o balanço de taxa de energia em uma por mol de combustível é reduzida para a 
forma ℎ̅𝑃 = ℎ̅𝑅 ou seja 
 
∑ 𝑛𝑠ℎ̅𝑠
𝑃
= ∑ 𝑛𝑒ℎ̅𝑒
𝑅
 
 
 Onde s refere aos valores de saída e e valores de entrada e o volume de controle 
está limitado a câmara de combustão. 
 Para a utilização de dados tabelados para estimar as parcelas de entalpia, a 
equação acima se torna. 
∑ 𝑛𝑠(ℎ𝑓
𝑜̅̅ ̅ + 𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
= ∑ 𝑛𝑒(ℎ̅𝑓
𝑜
+ 𝛥ℎ̅)𝑒
𝑅
 
∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
= ∑ 𝑛𝑒(𝛥ℎ̅)𝑒 +
𝑅
∑ 𝑛𝑖ℎ̅𝑓𝑖
𝑜
𝑅
− ∑ 𝑛𝑠ℎ𝑓𝑒
𝑜̅̅ ̅̅
𝑃
 (𝑎) 
 
 Onde os n são obtidos em uma base por mol de combustível da equação de reação 
química balanceada, os valores de entalpia podem ser obtidos em tabelas de 
propriedades termoquímicas a 298K e 100kPa. 
 
 
2.7.2. Cálculo da temperatura adiabática de chama 
 
 Utilizando a equação (a) pode-se calcular a temperatura de chama adiabática 
para o Octano (Gasolina) em estado ideal (Estequiométrico), de tal forma 
𝐶8𝐻18 + 12,5(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂 + 47𝑁2 
 
Como os reagentes entram a 25°C, os termos de (𝛥ℎ̅)𝑒 do lado direito da equação 
desaparecem, 
∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
= ∑ 𝑛𝑒ℎ̅𝑓𝑒
𝑜
𝑅
− ∑ 𝑛𝑠ℎ𝑓𝑠
𝑜̅̅̅̅
𝑃
 (𝑏) 
 
Temos que o lado direito da equação (b) consiste no módulo da entalpia de combustão 
calculado anteriormente, 
ℎ̅𝑅𝑃 = 5080 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝑜𝑢 5080000 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 
 
Logo, 
 
∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
= 5080000 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 
 
8(𝛥ℎ̅)𝐶𝑂2 + 9(𝛥ℎ̅)𝐻2𝑂 + 47(𝛥ℎ̅)𝑁2 = 5080000 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙) 
 
 Cada termo 𝛥ℎ̅ do lado esquerda da equação depende da temperatura dos produtos, 
que pode ser calculada usando o método de tentativa e erro. Com essa finalidade foi 
feita a tabela a seguir, que contém o ∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠𝑃 de algumas temperaturas. 
 
 
 
 
 
Tabela 3: Entalpia de combustão 100% ar teórico 
 mols 2600 K 2400 K 2200K 
CO2 8 128074 115779 103562 
H2O 9 104520 93741 83153 
N2 47 77963 70640 63362 
∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
 - 5629533 5089981 4554887 
 
Como pode ser visto, o valor de 5080000 kj/kmol estaria entre os valores de temperatura 
de 2400K e 2200K. 
Desta forma foi feita a interpolação entre os valores e foi encontrado: 
 
Tabela 4: Interpolação Tp 100% ar teórico 
Temperatura (K) ∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
 
2400 5089981 
Tp 5080000 
2200 4554887 
 
 Resultando em um valor de 𝑇𝑝 = 2396,27 𝐾 
 
 Utilizando a equação (a) pode-se calcular a temperatura de chama adiabática 
para o Octano (Gasolina) em 120% de ar teórico, de tal forma: 
 
𝐶8𝐻18 + 15(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2𝑂 + 56,4𝑁2 + 2,5𝑂2 
 
Seguindo os passos anteriores: 
 
8(𝛥ℎ̅)𝐶𝑂2 + 9(𝛥ℎ̅)𝐻2𝑂 + 56,4(𝛥ℎ̅)𝑁2 + 2,5(𝛥ℎ̅)𝑂2 = 5080000 𝑘𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙 
 
Tabela 5: Entalpia de combustão 120% ar teórico 
 mols 2400 K 2200 K 2000 K 
CO2 8 115779 103562 91439 
H2O 9 93741 83153 72788 
N2 56,4 70640 63362 56137 
O2 2,5 74453 66770 59176 
∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
 5940130 5317415 4700671 
 
 Como pode ser visto, o valor de 5080000 kj/kmol estaria entre os valores de 
temperatura de 2200K e 2000K. 
Desta forma foi feita a interpolação entre os valores e foi encontrado: 
 
 
 
Tabela 6: Interpolação Tp 120% ar teórico 
Temperatura (K) ∑ 𝑛𝑠(𝛥ℎ̅)𝑠
𝑃
 
2200 5317415 
Tp 5080000 
2000 4700671 
 
 Resultando em um valor de 𝑇𝑝 = 2077 𝐾 . 
 
3. Conclusão 
 
 Ao finalizar este trabalho, pode-se afirmar que o objetivo geral e específico foi 
concluído com sucesso. Podendo observar as diferenças na utilização do combustível 
em 100% e 120% de ar teórico. 
Por fim, foi possível desenvolver habilidades essenciais para os alunos da disciplina de 
sistemas térmicos. 
 
Referências Bibliográficas 
 
1. MORÁN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Termodinâmica. 2004. 
2. ÇENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A.; BUESA, Ignacio Apraiz. termodinâmica. 
São Paulo: McGraw-Hill, 2006. 
3. VAN WYLEN, Gordon; SONNTAG, Richard E.; BORGNAKKE, Claus. 
Fundamentos da termodinâmica clássica. Editora Blucher, 1994. 
4. OLIVEIRA, Tiago Luís et al. Study of biomass applied to a cogeneration system: A 
steelmaking industry case. Applied Thermal Engineering, v. 80, p. 269-278, 2015.