Aula Termoquímica da Mistura Ar Combustível

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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/COMBUSTÍVEL
Máquinas 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.
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Caracterização das Chamas:
• 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.
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Caracterização das Chamas:
• 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.
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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:
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Composição do ar e combustíveis:
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
TRnT
M
R
mmRTpV
~
~

   
 KT
Pap
mkg


3
3 10483.3/
KkmolJR  3.8314
~
962.28M
  









3
33
184.1
27325
103.10110483.3
m
kg
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Composição do ar e combustíveis:
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.
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Composição do ar e combustíveis:
Temperatura de Bulbo seco = 30ºC
Temperatura de Bulbo úmido = 20ºC
Umidade relativa = 40%
Ponto de orvalho = 15ºC
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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 
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ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO:
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 
  22222
4
773.3
2
773.3
4
N
b
aOH
b
aCONO
b
aHC ba 












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ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO:
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
  22222
4
773.3
2
773.3
4
N
b
aOH
b
aCONO
b
aHC ba 












    
y
y
y
y
F
A
s 008.1011.12
456.34
008.1011.12
16.28773.33241











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ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO:
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 
  22222
4
773.3
2
773.3
4
N
b
aOH
b
aCONO
b
aHC ba 












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ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO:
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












 1