Cap. 8 Combustão nos Motores

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Cap.08: Combustão nos 
Motores
Disciplina: Máquinas Térmicas II – Motores de 
Combustão Interna
Prof. Daut Couras
Universidade Federal Rural do Semi-Árido
Depart. de Ciências Amb. e Tecnológicas
Engenharia Mecânica
Prof.: Daut Couras
Universidade Federal Rural do Semi-Árido
Máquinas Térmicas II
8.1. Combustão nos motores IC
• Ar e o combustível misturam no coletor
de admissão, passam pela válvula de
admissão e são comprimidos pelo pistão
para o volume da câmara de combustão.
• Antes do PMS inicia-se a combustão
(faísca).
• Após a inflamação na região da vela a
frente de chama é propagada ao
restante do volume e extinta nas paredes
da câmara e do cilindro.
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Máquinas Térmicas II
8.1. Combustão nos motores IC
• Frente de chama é, teoricamente, de
propagação esférica.
• Na prática: propagação é turbulenta.
• Numa câmara de vela central, a frente de
chama atinge as paredes ~15º depois do
PMS, mas a combustão pode continuar
por mais 5 ou 10º.
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Máquinas Térmicas II
8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Velocidade laminar de chama:
• Velocidade a que uma frente de
chama laminar se propaga na
mistura (sem turbulência)
adiabaticamente.
• Depende:
• Característica do combustível
• Riqueza da mistura.
• Temperatura da mistura e
pouco da sua pressão.
• A velocidade da frente de chama
real (turbulenta) 10x superior.
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Máquinas Térmicas II
8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Zonas da combustão normal:
• Ignição pela faísca.
• Desenvolvimento inicial da chama.
• Propagação da chama.
• Extinção da chama.
• Duração de cada zona: entre 30 e 90º
da árvore.
• Combustão inicia-se antes do PMS e
termina após o instante de pressão
máxima.
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Máquinas Térmicas II
8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• A reação térmica da combustão inicia-se pela adição da
energia da faísca da ignição.
• Fase de desenvolvimento da chama: o tempo necessário
para queimar 1% da massa da mistura.
• A duração desta fase é constante, depende somente da
riqueza da mistura (ϕ).
• Uma velocidade de rotação mais elevada do motor originará
uma maior duração (ângulos de árvore).
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Duração de combustão: definida
entre os valores de 1% e 90% de
mistura queimada.
• Depende: riqueza da mistura,
velocidade do motor, geometria
da câmara, posição da vela e
velocidade de combustão.
• Redução: elevada turbulência,
uma câmara compacta (frente de
chama aumenta) e vela central
(reduz espaço pela frente).
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Velocidade de combustão:
• Variação da massa dos gases
queimados no tempo.
• Determinada por processos de
difusão na frente de chama (grau
de turbulência da mistura e
temperatura).
dt
dx
M
dt
M
m m
q
c 
m
q
M
M
x 
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Se a frente de chama fosse
perfeitamente esférica, era fácil de
deduzir que a taxa de queima seria
sempre crescente (frente
aumentaria sempre de área) até à
sua extinção.
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Inicialmente considera-se uma
propagação esférica, instantes
seguintes a área da frente de chama
estabiliza-se e no final reduz-se a
zero.
• A taxa de queima dos gases tende
para um valor constante, antes da
sua extinção.
• Câmara real: taxa de produção de
gases queimados cresce até um
máximo, e decresce (diminuição da
área de frente e da pressão no
cilindro).
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Velocidade de propagação de chama:
• Velocidade linear de deslocamento da frente de chama em
relação a um referencial fixo (paredes da câmara).
• Elevados rendimentos e baixos consumos:
• Combustões rápidas.
• Liberação de calor no momento certo (5 a 10º depois do
PMS).
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Calor liberado mais cedo:
• Origina elevadas pressões durante o movimento
ascendente do pistão.
• Reduz o efeito motor.
• Aumenta as perdas térmicas para as paredes.
• Calor liberado mais tarde:
• Elevada entalpia descarregada nos gases de escape.
• Muito calor liberado para as paredes do cilindro.
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Combustões rápidas:
• Maximiza o trabalho do ciclo real.
• Minimizam a ocorrência de “knock” (detonação).
• Eficiência da mistura pobre:
• Melhora expoente de expansão.
• Reduz as perdas de bombeamento na válvula borboleta.
• Temperatura de chama mais baixa: menores perdas
térmicas e dissociação.
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Dispersão Cíclica:
• Depende da riqueza da mistura
na zona de ignição e na zona de
propagação.
• Mistura levemente rica tende a
acelerar a frente de chama.
• Mistura pobre retarda a frente
de chama e intensifica a
dispersão cíclica.
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Dispersão Cíclica:
• Como existe a variação da
composição local da mistura de
ciclo para ciclo existem ciclos
com combustões mais rápidas
que outros.
• Mais acentuado em baixas
cargas.
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Dispersão Cíclica:
• Rotações Elevadas: elevada
turbulência homogeneíza melhor
a mistura e reduz a dispersão
cíclica.
• Baixas Cargas: diluição dos
novos gases pelos queimados
penaliza a ignição da mistura e
propagação da chama.
• Motores de queima pobre
necessitam de elevada
turbulência.
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8.1.1. Caracterização da Combustão Normal
• Diagrama p-V:
• As linhas de compressão e
expansão são retas de
inclinação entre 1,3 e 1,35
(expoente politrópico).
• 1,3: expoente adiabático para a
mistura ar-combustível.
• 1,35: é superior ao expoente
adiabático para os gases de
escape.
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8.2. Parâmetros da Combustão IC
8.2.1. Turbulência
• A velocidade de combustão duma mistura estacionária é
extremamente lenta.
• Na prática: escoamento através das tubulações e restrições e
compressão no cilindro causa elevada turbulência.
• Velocidade de combustão pode ser 10x superior.
• Formas de produzir turbulência:
• “Swirl” – turbilhão
• “Tumble” - confusão
• “Squish” - esmagar
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8.2.1. Turbulência
• “Swirl”:
• Inserção de obstáculos no
escoamento: defletores nas
válvulas de admissão ou
encurvamento nas tubulações de
admissão.
• Eleva as perdas de carga e
condicionam a potência máxima.• Aumenta a superfície média da
frente de chama e reparte melhor a
região dentro da câmara.
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8.2.1. Turbulência
• “Swirl”:
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8.2.1. Turbulência
• “Barrel Swirl” ou “tumble”:
• Criação dum turbilhão de eixo perpendicular ao eixo do
cilindro que é intensificado na compressão da mistura.
• Usado em motores de 4 válvulas.
• Pode-se usar válvulas borboletas na tubulação que leva a
uma das válvulas de cada cilindro.
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8.2.1. Turbulência
• “Squish”:
• “Esmagamento” da mistura na
periferia da câmara de
combustão quando o pistão
sobe até PMS.
• A mistura é violentamente
atirada para o centro da
câmara, produzindo um nível
de turbulência elevada.
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8.2.1. Turbulência
• “Squish”
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8.2.1. Turbulência
• Esses processos referem-se a macro-turbulência.
• Micro-turbulência:
• Pode acontecer num fluido globalmente parado, mas
dotado de uma intensa agitação local: micro-vórtices e a
nível molecular.
• As macro-turbulências transformam-se em grande parte em
micro-turbulências no PMS, mas o restante dissipa-se em
calor, havendo sempre uma macro-turbulência residual.
• Na zona da vela deverá ter somente micro-turbulência, não
devendo haver grandes movimentos de mistura na ignição.
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8.2.1. Turbulência
• Velocidade de propagação de chama:
• Aproximadamente proporcional à velocidade média do
pistão.
• Diretamente proporcional a turbulência.
• Motor IC: velocidade de propagação de chama é
praticamente proporcional à sua velocidade de rotação.
• Avanço de ignição:
• Diretamente proporcional ao regime.
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8.2.2. Taxa de Compressão
• Aumentando consegue-se uma velocidade de chama mais
elevada, pois a pressão e a temperatura da mistura são mais
elevadas no instante da ignição e da propagação:
• Energia necessária para a ignição é mais baixa (início de
combustão mais fácil e rápido).
• Propagação da frente de chama é mais rápida, velocidades
de combustão elevadas.
• Aumento da turbulência da mistura.
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8.2.3. Avanço da Ignição
• A ignição deve ser posicionada
de maneira a que se obtenha o
valor máximo de pressão logo
após o PMS e para isso a
faísca deve ocorrer com um
certo avanço (10º a 50º).
• Aumenta o torque do motor.
• Regras práticas:
• Pressão máxima: 16º
após PMS.
• ½ da mistura deve estar
queimada: 10º após
PMS.
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8.2.3. Avanço da Ignição
• Avanços exagerados:
• Ocasiona um aumento
excessivo da pressão
durante a subida do pistão,
reduzindo a sua
componente útil.
• Pode originar o “knock”.
• MBT: ponto de torque
máximo.
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8.2.3. Avanço da Ignição
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8.2.3. Avanço da Ignição
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8.2.4. Qualidade da Faísca
• Energia: 50mJ durante um período entre 10 e 1000µs.
• Posição da faísca depende do tipo de vela que se usa e da
posição da vela na câmara de combustão, mais central
possível.
• Elevadas velocidades de rotação: pouco tempo de energização
resultando em faíscas de baixa energia.
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8.2.5. Riqueza da Mistura
• Binário Máximo: riquezas ligeiramente superiores à
estequiométrica.
• Queima pobre: velocidades de combustão relativamente
baixas se a turbulência da mistura não for aumentada.
• Dispersão cíclica: aumenta com o emprobecimento da
mistura, há maior probabilidade de ocorrência de pontos
excessivamente pobres nas imediações dos eletrodos da vela.
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8.2.6. Nível de Preparação da Mistura
• Mistura perfeitamente homogeneizada queima
adequadamente.
• Combustíveis gasosos: baixo nível de potência (volume
ocupado pelo combustível).
• Combustíveis líquidos: elevada preparação da mistura se
houver espaço e tempo suficiente.
• Inversamente proporcional a velocidade do motor.
• Aquecimento da mistura ajuda na utilização de injeção
multiponto.
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8.2.6. Nível de Preparação da Mistura
• Pulverização do combustível:
• Não é necessário completamente vaporizado: gotas de
reduzidas dimensões, mistura é densa (estado líquido).
• Reduz a temperatura da mistura.
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8.2.6. Nível de Preparação da Mistura
• Pulverização do combustível:
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8.2.7. Carga e Velocidade do Motor
• Aumento da velocidade:
• Aumenta o nível de turbulência (benéfico para combustão).
• Eleva a velocidade de combustão.
• Deve haver avanço na ignição.
• Redução do tempo do ciclo é mais significativa,
necessitando a mistura dum maior ângulo para sua
combustão.
• Rotações elevadas:
• Carga reduzida eleva substancialmente a turbulência da
mistura, pois a velocidade do ar aumenta ao nível da
válvula borboleta.
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8.2.7. Carga e Velocidade do Motor
• Rotações baixas:
• Baixa pressão no coletor de admissão:
gases de escape retornam (aumento da
dispersão cíclica).
• Injeção MPI:
• Deficiências de preparação de mistura
para velocidades e cargas baixas: não se
cria turbulência e aumenta a dispersão
cíclica.
• EGR (Recirculação de gases de escape):
• Diluição destes gases a baixas pressões
de admissão.
• Temperatura e pressão máximas são mais
baixas reduzindo a emissão de NOx.
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8.2.8. Temperatura, Pressão e Umidade do Ar
• Elevação da Temperatura e Pressão proporciona uma
combustão mais rápida.
• Aumento da pressão e redução da temperatura: efeito do
aumento da densidade da mistura.
• Aumento da umidade: reduz a velocidade de chama e a
temperatura máxima de combustão.
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8.2.9. Características do Combustível
• Índice de octano - Octanagem:
• Determina a taxa de compressão e a velocidade de
combustão.
• Elevado num motor com elevada taxa de compressão:
queima mais eficiente.
• Se combustível (alta octanagem) for queimado num motor
de taxa de compressão baixa dele se obterá mesmo
rendimento que dum combustível de menor índice de
octano.
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8.3. Câmaras de Combustão dos Motores IC
• Principais características:
• Compacta.
• Posição da vela.
• Temperatura máximas das paredes, especialmente em
zonas longe da vela.
• Área de passagem dos gases e posição das válvulas.
• Turbulência e enchimento.
• Posicionamento dos coletores de admissão e escape.
• Minimizara ocorrência do “knock” e queimar rapidamente.
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8.3. Câmaras de Combustão dos Motores IC
• Características de uma câmara ideal:
• Compacta (razão área/volume baixa).
• Vela localizada centralmente (minimizar a distância
percorrida pela frente de chama) ou pode-se usar duas por
cilindro.
• Área de frente de chama deverá aumentar com sua
progressão.
• As paredes (válvulas e velas incluídos) deverão ter uma
temperatura o mais homogênea possível.
• As válvulas devem ser colocadas de maneira a que se
maximizem a área de passagem dos gases.
• A turbulência da mistura deve ser elevada, mas não deverá
penalizar grandemente o enchimento.
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8.3.1. Câmaras com Válvulas Laterais
• Câmara de combustão consiste
no volume que faz a ligação
entre o cilindro e as válvulas.
• Vantagens: facilidade de
fabricação e baixo custo de
produção.
• A vela deve ser colocada sobre
as válvula de escape.
• Propensa ao “knock”.
• Baixa compacidade.
• Rendimento é extremamente
baixo.
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8.3.2. Câmara de Turbulência
• Câmara em L com uma zona de
“squish”.
• Zona de esmagamento: pistão
praticamente toca o cabeçote.
• Velocidade de combustão é alta.
• Taxas de compressão >6:1.
• Maiores velocidades.
• Melhores rendimentos.
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8.3.3. Câmaras em Banheira
• Cavidade em forma de fundo de
banheira.
• Válvulas paralelas e o seu eixo
geralmente é paralelo ao do
cilindro.
• A vela é posicionada numa
posição lateral, colocando-se
com seu eixo inclinado em
relação ao do cilindro.
• Diâmetro das válvulas é
condicionado pelo do pistão
(inferior a metade deste).
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8.3.3. Câmaras em Banheira
• Enchimento da câmara de
combustão é prejudicado: em
grande parte do perímetro das
válvulas, haver uma parede,
sendo difícil a entrada e saída
dos gases.
• Arestas vivas: pontos quentes,
depósitos de carbonos.
• Baixo custo de fabricação.
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8.3.4. Câmaras em cunha ou triangular
• As válvulas são paralelas entre
si, mas inclinadas em relação ao
eixo do cilindro.
• Maior compacidade e sem
arestas vivas.
• Permite melhores enchimentos:
inexistência de paredes laterais.
• Os pistões são geralmente
curvos e apresentam bolsas
para que as válvulas não o
atinjam.
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8.3.4. Câmaras em cunha ou triangular
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8.3.5. Câmaras Hemisférica
• Boa compacidade e grande
diâmetro das válvulas: potência
e estabilidade de combustão a
baixa rotação.
• Para que a taxa de compressão
seja elevada a coroa do pistão
terá de ser convexa.
• Vela colocada numa posição
lateral (ou 2 velas): o trajeto da
frente de chama seja o mais
curto possível, proporcionando
uma combustão rápida.
• Custo elevado.
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8.3.5. Câmaras Hemisférica
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8.3.7. Câmara no Pistão
• Cabeçote plano com válvulas
paralelas.
• Câmara de combustão usinado
na cabeça do pistão.
• Boa compacidade.
• Baixos enchimentos: diâmetro
das válvulas condicionado pelo
do pistão.
• Induz “Squish”.
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8.3.8. Câmara de 4 Válvulas (pent-roof)
• Compacta, vela na posição
central e enchimento excelente.
• Válvula de diâmetro pequeno:
bom arrefecimento da válvula de
escape.
• Abertura de válvula muito ampla:
não trabalha suavemente em
baixas velocidades.
• Baixa turbulência.
• Em velocidades elevadas:
torque e potência altas.
• Turbulência tipo “thumble”.
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8.3.8. Câmara de 4 Válvulas (pent-roof)
• Em velocidades baixas:
inoperância de uma das válvulas
de admissão.
• Induz a turbulência “swril”.
• Válvula borboleta que corta o
fluxo da mistura.
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8.3.9. Câmara de 4 Válvulas Radiais
• Custo elevado: motores de
competição ou motores de
motos.
• Elevada compacidade.
• Vela central.
• Turbulência a alta rotação.
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8.4. Combustão Anormal
• Três tipos:
• Pré-ignição ou ignição à superfície.
• Auto-ignição.
• “Knock”: grilar, batida de pino ou detonação.
• Quanto maior a taxa de compressão ou maior a temperatura do
motor e misturas estequiométrica maior a possibilidade de
ocorrência dos três.
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8.4.1. Ignição à Superfície
• Geralmente ocorre em motores mais
desgastados.
• Ignição iniciada por um ponto
quente: depósito de carbono ou os
eletrodos da vela.
• A partir das válvulas de escape
ou de descontinuidades da
câmara de combustão.
• Pode ser:
• Pré-ignição: antes da faísca.
• Pós-ignição: depois da faísca.
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8.4.1. Ignição à Superfície
• Pré-ignição é mais grave: pode resultar em
“knock”.
• Pós-ignição: desenvolve-se uma frente de
chama turbulenta.
• O que diferencia da combustão normal:
momento e posição do início da combustão.
• Várias frentes de chamas elevam a pressão e
resulta em combustão severa.
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8.4.1. Ignição à Superfície
• Pré-ignição progressiva:
• Com o aumento do nível térmico do ciclo, o
ponto quente originário do início da
combustão, aquecerá mais, iniciando a
combustão mais cedo.
• Teoricamente: ponto de máxima pressão
ocorre antes do PMS e anula o torque.
• Prática: aparecimento de “knock” violento e
paredes com temperaturas elevadas.
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8.4.1. Ignição à Superfície
• “RUN-ON”: Funcionamento do motor após a
ignição ter sido desligada, quando a
alimentação é por carburadores.
• Evitada pelo uso de velas frias
(temperaturas entre 1100 e 1300K).
• MOGI, 1998: O efeito do aumento da taxa de
compressão e do aumento do avanço da
ignição na pré-ignição devem-se à ocorrência
do “Knock”: aumenta a taxa de transferência de
calor para as paredes, elevando a sua
temperatura.
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8.4.2. Auto-Ignição
• Ignição instantânea de toda a
mistura.
• Causas: Alta taxa de compressão
e/ou paredes muito quentes.
• Útil: Motores de aeromodelo se
utilizam desta combustão usando
uma vela incandescência e
elevados valores de taxa de
compressão.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Forma de auto-ignição de uma parte da
mistura, na qual as condições de temperatura
são superiores às de ignição espontânea.
• Velocidades de propagação de chama
elevadas e ruído metálico (grilar).
• Acontece após o início da combustão normaliniciada pela faísca: pode-se chegar as
condições de ignição num determinado ponto
da câmara de combustão.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
MOTOR 
GRILANDO
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Combustão normal:
• Deflagração da mistura ocorre a velocidades sub-sônicas
do meio não queimado.
• Ondas de pressão: viajam à velocidade do som superiores
à velocidade de frente de chama.
• “Knock”:
• Deflagração da mistura propaga-se a velocidades sônicas
relativas aos gases queimados.
• Velocidade de chama e de propagação da pressão são
iguais: pressão elevada.
• As ondas de choque que refletem nas paredes são
responsáveis pelo barulho e vibração característicos.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Características perigosas: com o
grande aumento da pressão, a
temperatura aumenta excessivamente,
pondo em risco os materiais
• Pistões de alumínio: podendo a sua
coroa ser fundida e abrir um buraco,
ou os segmentos ficarem presos.
• Válvula de escape: gases de
escape elevam a temperatura.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Se o “knock” for derivado da iniciação normal
da combustão é repetitivo.
• Pode não ocorrer em todos os ciclos nem
em todos os cilindros.
• Geralmente é mais intenso em um cilindro
do que nos outros.
• Se for derivado da ignição a superfície é
ocasional (não repetitivo).
• Casos particulares.
• Intensidade da ignição a superfície
aumenta com o tempo.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Pode ocorrer tanto a baixa como a alta
velocidade.
• Baixa velocidade: “knock” de aceleração
(grilar) quando se abre o acelerador a
baixa rotação.
• Não é muito destrutivo: não se
prolonga.
• Altas velocidades: não é facilmente
audível.
• É mais destrutivo.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Altas velocidades – consequências:
• Pré-ignição, pelo aquecimento dos depósitos
na câmara.
• “Knock” por pré-ignição cada vez mais cedo
e mais intenso, levando a destruição do
motor.
• Erosão gradual de regiões da câmara de
combustão.
• Progressão: temperaturas se elevam e
aparece cada vez mais cedo.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Como ocorre a máxima carga (borboleta
completamente aberta): restringe potência e
torque máximo do motor.
• Detecção: sensores de “knock” ou audição
humana.
• Sensores: enviam a informação para
central da ignição que avança.
• Detectam ondas de pressão vibratórias ou
somente vibrações.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Ondas de pressão:
• Velocidades muito elevadas: > 1000m/s.
• Frequências: 6 a 20kHz que refletem nas
paredes que produzem o ruído.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Formas de minimizar:
• Reduzir o avanço da ignição.
• Aumentar o IO do combustível.
• Reduzir a taxa de compressão.
• Aumentar a turbulência.
• Reduzir a carga.
• Aumentar a riqueza da mistura.
• Aumentar a velocidade do motor.
• Baixar a temperatura de admissão.
• Baixar a pressão de admissão.
• Reduzir as temperaturas máximas das
paredes da câmara.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Formas de minimizar:
• Reduzir a distância máxima entre a vela e
qualquer ponto da câmara.
• Usar câmaras de combustão mais
compactas.
• Admitir uma maior porcentagem de
combustível no estado líquido.
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8.4.3. “Knock” (Grilar)
• Em relação ao combustível:
• Quanto maior (e mais pesado) mais
propenso é para o desenvolvimento do
“knock”.
• Um motor varia a sua compressão efetiva ao
longo da vida:
• Inicialmente sua compressão aumenta
pela acomodação dos componentes.
• Após 80 a 150 mil km a compressão
começa a baixar, como resultado dos
desgaste dos segmentos e válvulas.
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8.4.3.1. Detonação
• Aparece quando a velocidade de propagação
da frente de chama, acelera a expansão dos
gases queimados, iguala a velocidade do som.
• Cria-se uma onda de pressão com um enorme
valor, coincidente com a frente de chama.
• A onda de pressão criada vai aumentando de
intensidade com a progressão da combustão.
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8.4.4. Parâmetros Relativos ao Knock
• Avanço da ignição:
• Quanto mais avançada mais propensão ao
“knock”.
• Este é o parâmetro controlado pela
sistema de ignição.
• Pode ser efetuado cilindro por cilindro.
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8.4.4. Parâmetros Relativos ao Knock
• Taxa de Compressão:
• Não é possível utilizar valores superiores a
10-11:1. (Será?????)
• Quanto mais elevada for a taxa mais
propenso à ...
• Turbulência:
• Aumenta a velocidade de propagação de
chama, pelo que a combustão será mais
rápida, não havendo tempo à ocorrência...
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8.4.4. Parâmetros Relativos ao Knock
• Carga imposta:
• Cargas mais elevadas vai originar
pressões e temperaturas mais elevadas na
altura da combustão.
• Cargas mais baixas pedem avanço de
ignição, improvável a ocorrência.
• Riqueza da Mistura:
• Aumento da riqueza reduz a possibilidade,
mas inflama com maior facilidade.
• Misturas pobres originam temperaturas
mais baixas, retardam o aparecimento do
“knock”.
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8.4.4. Parâmetros Relativos ao Knock
• Velocidade do motor:
• Aumento cria mais turbulência, reduz a
possibilidade.
• Velocidades elevadas implicam em pouco
tempo para o aparecimento do ...
• Temperatura e pressão de admissão:
• Redução destes originam menores
pressões e temperaturas na altura da
combustão reduz a possibilidade...
• Motores com pré-compressão deverão
usar inter-cooler.
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8.4.4. Parâmetros Relativos ao Knock
• Temperatura do motor:
• Quanto menor este for, menor será a
transferência de calor para os gases durante
a compressão e maior será a perda de calor
dos gases durante a combustão.
• Ambos reduzem a possibilidade...
• Recirculação de gases de escape:
• Reduz a temperatura máxima de chama,
reduz a possibilidade...
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8.4.4. Parâmetros Relativos ao Knock
• Preparação da mistura:
• Preparação deficiente: grandes quantidades
de combustível líquido, origina temperaturas
menores durante a compressão.
• O sistemas de injeção permitem maiores
taxas de compressão.
• Fornecer calor à mistura antes de ser
admitida aumenta a possibilidade.
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8.4.5. Índice de Octano
• O IO da gasolina afeta a taxa de compressão
que o motor pode ter, sem incorrer em
detonação.
Taxa de
compressão
IO necessário Rendimento (%)
5:1 72 -
6:1 81 25
7:1 87 28
8:1 92 30
9:1 96 32
10:1 100 33
11:1 104 34
12:1 108 35
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8.4.6. “Rateres” (“backfire”)
• Combustões anormais que acontecem no coletor de escape ou
no de admissão.
• Mais comuns no escape: falta de ignição dentro do cilindro.
• A mistura A/F é descarregada para o sistema de escape e
entra em combustão.
• Produz uma grande expansão dos gases ao inflamar,
podendo resultar no rompimento dos bojos e originar um
grande ruído e labaredas saindo do tudo de escape.
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8.4.6. “Rateres” (“backfire”)
• Na admissão:
• São mais destrutivos pois destroem o filtro de ar e a sua
caixa.
• Associados a misturas pobres tem duas causas:
• Falha de ignição num ciclo, essa mistura pode arder
pela faísca que alguns sistemas incluem no cruzamento
de válvula, por isso a combustão pode se propaga do
escape à admissão.
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8.4.6. “Rateres” (“backfire”)
• Na admissão:
• Associados a misturas pobres tem duas causas:
• Mistura muito pobre tanto no início como o
desenvolvimento da combustão são muito lentos e pode
acontecer que ainda se desenrole a combustão quando
a abertura da válvulas de admissão (final do escape),
situação que a frente de chama se propaga ao coletor
de admissão.
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8.4.6. “Rateres” (“backfire”)
BACKFIRE
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8.5 COMBUSTÃO NOS MOTORES IPC
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8.5 COMBUSTÃO NOS MOTORES IPC
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8.5.1. Características da Combustão
• Não se desenrola instantaneamente
(Otto), ocupa parte do tempo de
expansão – processo isobárico.
• Permanência a pressões elevadas é
superior no ciclo de IPC.
• Interesse em estender a combustão:
melhora a suavidade.
• O combustível injetado durante
compressão e expansão, sendo a
combustão essencialmente
detonante.
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8.5.1. Características da Combustão
• Característica principal: inflamação
espontânea ou auto-inflamação.
• Pode ocorrer o “knock”: qdo atraso da
detonação for extenso.
• “Knock”: ocorre no início da
detonação quando a taxa de
aumento de pressão é muito
elevada.
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8.5.1. Características da Combustão
• Tempo de compressão: ar ambiente é
comprimido elevando a sua pressão
(30-55 bar) e temperatura (700-
900ºC).
• Combustível é injetado e a mistura se
auto-inflama.
• Injeção continua durante a descida
do pistão: pressão se mantém
constante.
• Preparação da mistura: heterogêneo.
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8.5.1. Características da Combustão
• Não há limitação do ar de admissão.
• Não necessita duma mistura próxima a
estequiométrica: variação da carga é
controlada pela injeção de mais ou
menos combustível.
• A quantidade de ar aspirado é
constante: não possui problemas de
perdas por bombeamento em carga
parcial.
• Pedal ligado a bomba de injeção.
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8.5.1. Características da Combustão
• Queima em mistura pobre:
• O coeficiente politrópico no
processo de expansão é superior
ao do motor a gasolina.
• Ocorre uma conversão de energia
superior.
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8.5.2. Preparação da Mistura
• Mistura heterogêneas: riqueza varia.
• Muito elevada no centro do “spray”
(=∞).
• Muito baixa longe do “spray”(=0).
• Pulverização do combustível:
• Velocidade elevada.
• Turbulência elevada.
• Temperatura elevada.
• Combustível misturar-se com o ar
em sua totalidade: gotas variadas
em direções variadas.
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8.5.2. Preparação da Mistura
• Dispersão cíclica: inexistente
mesmo em cargas reduzidas
(misturas excessivamente pobres)
não há problemas na combustão.
• Energia para a inflamação: é
fornecida por transferência de calor
entre o ar e o combustível e não a
partir de um fonte externa de energia.
• Expansão da frente de chama: é
restringida pela existência de oxigênio
junto do combustível.
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8.5.2. Preparação da Mistura
• Problema maior do motor Diesel:
suficiente mistura de combustível e ar.
• Motores com cilindros muito largos
requer injeções de pressões muito
elevadas.
• Motores pequenos e grandes poderão
usar câmaras de combustão
diferentes em desenho e sistemas de
injeção a diferentes pressões.
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8.5.3. Tipo de Combustão
• Início da injeção (antes do PMS):
ocorre a auto-ignição das porções de
combustível que já estão misturadas
com o ar (atraso).
• P e T elevam-se ainda mais,
reduzindo o atraso da inflamação
(queima mais rápido).
• Injeção prossegue até que a
quantidade necessária de
combustível tenha sido fornecida:
durante a expansão (combustível
consumido).
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8.5.3. Tipo de Combustão
• Não há restrições quanto ao “knock”:
• Injeção começa imediatamente
antes da combustão.
• Taxa de compressão não é
limitada.
• Combustão detonante: severa e
ruidosa.
• Desenvolvimento da injeção:
gotas de diâmetros diferentes e
taxas de injeção variáveis – taxas
de aumento de pressão seja
mantida baixa.
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8.5.3. Tipo de Combustão
• Velocidade ótima de combustão:
• Boa pulverização.
• Elevada turbulência.
• Velocidade baixas:
• Formação de gomas devido a
queima incompleta.
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8.5.4. Combustíveis
• Deve ser facilmente auto-inflamável.
• Índice de Cetano (IC): representa a
facilidade do combustível auto
inflamar-se.
• Valores correntes: menor que 50.
• Aumento do IC reduz o poder
calorífico do combustível.
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8.5.5. Fases da Combustão nos Motores IPC
• Fases:
• Atraso da inflamação: início da
combustão.
• Combustão explosiva.
• Combustão progressiva.
• Combustão por difusão: após a
injeção existe a combustão das
últimas porções de combustível.
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8.5.5.1. Atraso da Inflamação
• Motivo: quando se injeta é necessário
que se evapore, misture com o ar e
reaja.
• Atraso físico: transferência de
calor, vaporização das gotas e
mistura.
• Atraso químico: reações químicas
de oxidação lenta.
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8.5.5.1. Atraso da Inflamação
• Condições do ar no momento da
injeção:
• Pressão: 35-60 bar.
• Temperatura: acima de 450ºC.
• As gotas de combustível aquecem e
vaporizam.
• Por difusão mistura-se com ar.
• Inicia-se reações de oxidação lentas.
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8.5.5.1. Atraso da Inflamação
• Equação de Arrhenius – Velocidade
de reação:
• Onde:
• A – fator de frequência
• E – energia de ativação (J/mol)
• R – cte dos gases (J/mol.K)
• T – temperatura absoluta (K)







RT
E
A
dt
dm
exp
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8.5.5.1. Atraso da Inflamação
• Atraso físico depende:
• Atomização do “spray”.
• Taxa de aquecimento.
• Vaporização das gotas.
• Estes parâmetros variam com a
velocidade de injeção e diâmetro
das gotas (depende da
velocidade).
• Atraso químico depende:
• Equação da velocidade de reação.
• Índice de Cetano (IC).
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8.5.5.1. Atraso da Inflamação
• Se o atraso for elevado:
• Combustão será violenta: muita
massa de combustível existente
que queimará simultaneamente.
• Elevada taxa de aumento de
pressão.
• Elevada vibração e ruído.
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8.5.5.1. Atraso da Inflamação
• Para reduzir o atraso: atua sobre a
pulverização.
• “Spray” mais finos: facilita a
vaporização (transferência de
massa), transferência de calor e
mistura com o ar.
• Área superficial do “spray” é
inversamente proporcional ao
diâmetro médio das suas gotas.
• Aumento da turbulência.
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8.5.5.1. Atraso da Inflamação
• Sistemas de injeção “Common-rail”:
• Realiza pré-injeções (0,5 ms): prepara a câmara de
combustão para a combustão rápida de todo o combustível.
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8.5.5.2. Combustão explosiva (cinética)
• Pressão e temperatura sobem
rapidamente: proporciona severidade.
• Controle é difícil: incide sobre os
parâmetros iniciais.
• Variação de vazão.
• Avanço da injeção.
• Pressão de injeção.
• Importante na produção dos
poluentes: NOx e partículas.
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8.5.5.3. Combustão progressiva (difusiva)
• Controle dessa fase é difusivo.
• O combustível precisa se espalhar
por toda a câmara ou o ar (turbulento)
passe pelo “spray”de combustível.
• Motores de injeção direta: Necessário
um “spray” multidirecional e com
gotas de tamanhos variados.
• Gotas menores: consumirão o ar
perto do injetor.
• Gotas maiores: trajeto maior
(paredes do cilindro e pistão).
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8.5.5.3. Combustão progressiva (difusiva)
• Motores de injeção direta:
• Combustão mais lenta.
• Menores teores de emissão.
• Consumos específicos baixos.
• Motores de câmara auxiliar:
turbulência elevada.
• Ar passa a velocidade elevada em
frente ao injetor: pressão pode se
reduzida.
• Fase difusiva é mais rápida.
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8.5.5.3. Combustão progressiva (difusiva)
• Esta fase desenrola-se praticamente
a pressão constante, necessário o
controle:
• Taxa de injeção.
• Forma, atomização e penetração
do “spray”.
• Boa combustão: maior qtde possível
de oxigênio seja posto em contato
com o combustível seja arrefecido
pelas paredes ou sobreaquecido
pelos gases de combustão.
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8.5.5.4. Combustão por difusão
• Ocorre após a interrupção da injeção.
• Relativamente longa.
• Temperatura dos gases não tem uma
redução elevada.
• São queimadas as últimas porções de
combustível e os resíduos sólidos da
combustão anterior.
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8.5.5.4. Combustão por difusão
• Necessário haver na câmara regiões
de elevada temperatura e alguma
turbulência: ar possa chegar onde é
necessário.
• Necessário elevado rendimento para
utilização correta do calor.
• Pós-injeção: partículas sejam
queimadas nessa fase.
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8.6. Parâmetros da Combustão IPC
8.6.1. Sistema de Injeção
• Principal responsável pelo bom ou mau desempenho.
• Função: formação de mistura A/F o mais homogeneamente
possível e fornecer a qtde requerida para uma certa carga.
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8.6.1. Sistema de Injeção
• Características do “Spray”:
• Atomização.
• Penetração.
• Distância que ocorre o
rompimento das gotas.
• Ângulo de “spray” – θ:
 







 

ar
ccinjar ppD



2
05.0
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8.6.1. Sistema de Injeção
• Dois tipos:
• Injeção Direta:
• Maiores pressão
• Injetores de vários orifícios
• Melhor Spray
• Combustível procura o ar
• Bom rendimento térmico
• Bons consumos
• Combustão mais dura
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8.6.1. Sistema de Injeção
• Dois tipos:
• Injeção Indireta:
• Menores pressões
• Injetores de único orifício
• Spray mais grosseiro
• Ar procura combustível
• Câmaras de turbulência
• Baixos rendimentos
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8.6.1. Sistema de Injeção
8.6.1.1. Atomização:
• Parâmetros:
• Pressão
• Diâmetros de orifícios
8.6.1.2. Penetração do spray
• Parâmetros:
• Velocidade (100 a 250
m/s)
• Pressão de injeção (300 e
2000 bar)
• Massa específica
• Diâmetros de orifícios
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8.6.1. Sistema de Injeção
8.6.1.3. Distribuição de Tamanhos
das Gotas:
• Redução do atraso da
inflamação
• Utilização de todo o ar da
câmara
• Variar diâmetro em relação
a massa.
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8.6.1. Sistema de Injeção
8.6.1.4. Avanço da Injeção:
• Entre 10 a 15°.
• Avanço maior: P e T baixas
aumenta o atraso da
inflamação.
• Avanço menor: P e T baixará
idem.
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8.6.1. Sistema de Injeção
8.6.1.5. Carga ou Massa injetada:
• Aumento:
• Combustões com
gradientes de pressão
maiores.
• T’s dos gases residuais e
paredes aumentam.
• Compressão a T maior.
• Reduz o atraso da
inflamação.
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8.6.2. Turbulência
• Afeta transferência de calor e massa:
reduz o atraso da inflamação.
• Pode ser na:
• Câmara de combustão.
• Tubulação de admissão.
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8.6.3. Taxa de Compressão
• Aumento: maior P e T.
• Reduz o atraso da inflamação.
• Aquecimento e vaporização
das gotas.
• Ciclos ruidosos e pouco
suaves.
• Limites: 22:1 ou 19:1
(sobrealimentados).
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8.6.4. Combustíveis
• Índice de Cetano: determina
qualidade de ignição.
• Aumento reduz o atraso.• Varia: 40 a 55.
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8.6.5. Outros Parâmetros
8.6.5.1. P e T de admissão
• Afetam o atraso da inflamação
• T<1000K: aumenta o atraso da
inflamação.
• T>1000K: não haverá muita
diferença.
8.6.5.2. Sobrealimentação
• Eleva P e T de admissão: idem
anterior.
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8.6.5. Outros Parâmetros
8.6.5.3. Velocidade do motor
• Aumenta a turbulência: reduz o
atraso.
• Aumenta a P de injeção e T.
• Sistema Common rail.
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8.6.6. Câmaras de Combustão IPC
• Câmaras de injeção Direta
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8.6.6. Câmaras de Combustão IPC
• Câmaras de injeção Indireta