Preparação da Mistura Ar-Combustível

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Prof. Antonio Moreira dos Santos Apostila da Aula 5 1
PREPARAÇÃO DA MISTURA AR-COMBUSTÍVEL. 
 
Motores do Ciclo Otto: 
 O rendimento de um motor do ciclo otto está diretamente ligado à 
quantidade de combustível, e ar e ao modo que ele é fornecido ao motor. 
 Chamaremos de razão ar-combustível (AC), a razão entre a massa de 
ar e a massa de combustível contido na mistura. 
 Por exemplo, uma mistura de AC = 15/1 é constituída de 15 kg de ar e 
1 kg de combustível. Um motor pode ser alimentado por uma mistura com 
distintas razões AC, porém, terá um bem definido que lhe dará um melhor 
rendimento. 
 A potência máxima de um motor não é limitada pela quantidade de 
combustível fornecido, mas sim pela quantidade de ar aspirado, uma vez que 
a quantidade de ar necessária é sempre várias vezes maior do que a 
quantidade de combustível. Além disto, o ar está na fase gasosa, com um 
volume específico cerca de mil vezes superior e sofre a restrição ao 
escoamento provocada pelo filtro de ar, dutos e porta da válvula de 
admissão. O combustível encontra-se na fase líquida com alta densidade o 
que facilita sua admissão. Se um motor recebe uma porcentagem extra de 
combustível acima da necessária para a combustão completa, este excesso 
será desperdiçado, devido a falta de oxigênio para queimar este combustível. 
 
 
Mistura Estequiométrica: 
 
 A quantidade de ar teórica, necessária para que ocorra uma combustão 
completa em um motor alimentado com uma mistura formada de ar e 
gasolina pode ser obtida a partir da reação química de combustão: 
 A gasolina é uma mistura de vários hidrocarbonetos porém podemos 
tomar como representativo desta mistura o iso-octano, cuja reação de 
combustão é a seguinte: 
 
C H O N CO H O N8 18 2 2 2 2 212 5 12 5 3 76 8 9 47+ + → + +, , * ,
 
massa de ar (02 + N2): 12,5 * 32 + 12,5 * 3,76 * 28 = 1716 kg de ar. 
massa de combustível: 8 * 12 + 18 = 114 kg de combustível. 
 
portanto a razão ar-combustível ACe é dado por: 
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 ACe = =
1716
114
15 
 
 
 Portanto, para que ocorra a combustão em 1 kg de gasolina são 
necessários 15 kg de ar atmosférico. Esta razão de ar-combustível é chamada 
de mistura estequiométrica (ACe). 
 
 O etanol é uma substância pura, cuja reação de combustão é a 
seguinte: 
 
C H OH O N H O CO N2 5 2 2 2 2 23 33 76 3 2 11 28+ + → + +. , ,
 
massa de ar (02 + N2): 3 * 32 + 3 * 3,76 * 28 = 411,84 kg de ar. 
massa de combustível: 2 * 12 + 6 + 16= 46 kg de combustível. 
 
portanto, a razão a-combustível estequiométrica para o etanol é: 
 
 ACe = =
411 84
46
8 95
,
, 
 
 
 O d-limoneno, um combustível extraído da casca da laranja, tem a 
seguinte reação de combustão: 
 
C H O N H O CO N10 16 2 2 2 2 214 14 3 76 8 10 52 64+ + → + +. , ,
 
massa de ar (02 + N2): 14 * 32 + 14 * 3,76 * 28 = 1921,92 kg de ar. 
massa de combustível: 10 * 12 + 16= 136 kg de combustível. 
 
 ACe = =
1921 92
136
14 13
,
, 
 
Tipos de misturas Ar/Combustível 
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 A mistura estequiométrica é a mistura onde a relação ar + combustível 
é a ideal para que ocorra uma combustão completa. Teoricamente falando, 
ela seria a razão da mistura com o qual um motor apresentaria a sua máxima 
potência, porém, na prática, isto não acontece, sendo necessário o uso de 
uma mistura com razão AC menor que o estequiométrico. O uso desta 
mistura em excesso de combustível, com a qual obtemos a máxima potência, 
se faz necessário, por causa da vaporização da mistura e dos gases residuais 
da combustão do ciclo anterior que se juntam a esta nova mistura. Nas 
velocidades de cruzeiro do motor, o fator predominante é a economia de 
combustível, portanto, nesta condição, o título da mistura ar-combustível 
deve ser maior que o valor estequiométrico, isto é, a combustão realiza-se 
em excesso de ar. 
 Nestes dois exemplos anteriores, podemos verificar que a razão AC, 
pode oscilar em torno do valor estequiométrico, dependendo do regime de 
funcionamento do motor. 
 Costuma-se definir o lâmbida - λ da mistura como a razão entre a 
mistura ar-combustível real e a mistura ar-combustível estequiométrica. 
 
 λ =
AC
AC
real
e
 
 
Mistura Rica 
 A mistura é considerada rica quando a razão ar-combustível real é 
inferior à razão ar-combustível estequiométrica, portanto quando λ < 1: 
 
 λ = <
AC
AC
real
e
1 
 
 O inconveniente da mistura rica é que proporciona combustão 
incompleta, devido a falta de oxigênio. Assim, haverá formação de depósitos 
de carbono na câmara, anéis, válvulas e nos eletrodos da vela, prejudicando 
assim o funcionamento do motor . Uma outra desvantagem é o aumento no 
consumo de combustível do motor. A vantagem é que, com a mistura rica, a 
temperatura no interior da câmara de combustível é mais baixa. 
 
Mistura Pobre 
 
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 A mistura é considerada pobre quando a razão ar-combustível real é 
superior à razão ar-combustível estequiométrica, portanto quando λ > 1: 
 
 λ = >
AC
AC
real
e
1 
 
 Quando uma mistura pobre entra em combustão, devido ao excesso de 
oxigênio, a temperatura da chama será muito alta. Esta elevação de 
temperatura, poderá provocar um superaquecimento nos órgãos do motor, 
principalmente na válvula de descarga, podendo inclusive provocar a sua 
queima. 
 
 
 
Razão Estequiométrica para alguns combustíveis 
COMBUSTÍVEL RAZÃO 
ESTEQUIOMÉTRICA 
COMBUSTÍVEL RAZÃO 
ESTEQUIOMÉTRICA 
 
ciclopentano 14,7 hidrogênio 29,6 
ciclohexano 14,7 mon. de carbono 29,6 
benzina 13,2 metano 9,5 
tolueno 13,4 etano 5,7 
xileno 13,6 propano 4 
propeno 14,7 butano 3,1 
buteno 14,7 benzol 2,7 
penteno 14,7 metanol 6,4 
hexeno 14,7 etanol 8,95 
hepteno 14,7 propanol 10,5 
hexadecano 14,7 butanol 11,1 
 d-limoneno 14,13 
 
 
 
 
Performance de um Motor do Ciclo Otto em Função da Mistura 
 O sistema de alimentação de mistura ar-combustível, quer seja sistema 
carburado como sistema injetado tem a função de dosar o combustível e o ar, 
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de modo que o motor seja alimentado com uma mistura a mais propícia 
possível. 
 Na figura a seguir apresenta-se o comportamento da potência e do 
consumo específico de um motor em função da qualidade da mistura ar-
combustível λ. 
 
 
 g/cvh 
800 
700 
600 
500 
400 
300 
200 
100 
 cv 
 100 
 90 
 80 
 70 
 60 
 50 
 40 
 30 
 0,8 0,9 1 1,10 1,20 
 λ 
 
 
 O sistema de alimentação carburado é projetado para que forneça uma 
mistura rica (λ ≅ 0,86) quando o motor trabalhar na máxima potência e uma 
mistura pobre (λ ≅ 1,1) para a velocidade de cruzeiro. 
 Quando o motor está em regime de baixa rotação, partes dos gases de 
escape retrocede ao coletor de admissão no momento do cruzamento de 
válvula. Assim, em baixa rotação os gases de escape diluem a mistura fresca 
que será admitida. Para contornar o efeito enfraquecedor dos gases de 
combustão, a mistura deve ser enriquecida, a fim de não prejudicar o 
funcionamento do motor. 
 Quanto mais fechada estiver a borboleta, maior será a depressão no 
coletor, e por conseguinte maior será a quantidade de gases de combustão 
que fluirá para o seu interior, sendo necessário portanto, que o combustível 
seja fornecido em excesso. 
 
 A figura a seguir mostra a qualidade da mistura ar-combustivel em 
função da abertura da borboleta de aceleração. 
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 λ 
0,6 
 
0,81,00 
 
1,20 
 AC 
 
 9 
 
 12 
 
 15 
 
18 
 0 0,25 0,50 0,75 1 
 porcentagem de abertura da borboleta 
 
 
 Podemos notar que para um regime de rotação baixa, quando a 
borboleta está parcialmente fechada, a mistura será rica, tendo uma razão ar-
combustível baixa, isto proporciona um consumo específico alto. A medida 
que a borboleta se abre a mistura começa a empobrecer , diminuindo o 
consumo específico até atingir um ponto mínimo. A partir daí, quanto maior 
for a abertura da borboleta, maior será o consumo, já que a mistura começa a 
enriquecer novamente. 
 
Temp. da Câmara em Função da Mistura 
 A temperatura de combustão está relacionada com a razão ar-
combustível. Pelo gráfico da figura a seguir podemos verificar que a 
temperatura da câmara atinge um valor máximo, quando a mistura é pobre. 
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g/cvh
600
400
200
cv
90
70
50
30
 T
(oC)
570
550
530
510
490
 0,25 0,50 0,75 1,0 1,25 1,75 2,0 λ
 
 Podemos verificar que para um lâmbida de 1,25, a temperatura da 
câmara é máxima, e se a mistura torna rica ou pobre a temperatura diminui. 
Porém, a temperatura pode variar em função das características particulares 
do motor. 
 A temperatura dos gases de escapamento também estão relacionadas à 
razão ar + combustível da mistura. Podemos verificar, que com o 
empobrecimento da mistura, a temperatura dos gases vai subindo até atingir 
um ponto máximo a partir daí, começa a diminuir. 
 
 T
(oC)
1000
 900
 800
 700
 600
 0,25 0,50 0,75 1,0 1,25 1,75 2,0 λ 
Tg 
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Vaporização da Mistura 
 A combustão da mistura será tanto melhor quanto maior for a 
percentagem de combustível vaporizado nesta mistura. A vaporização de um 
líquido está diretamente relacionado a três fatores: 
a)- Superfície de contato 
b)- Pressão ambiente 
c)- Temperatura 
e segue aproximadamente a seguinte lei de Dalton: 
 
mc
C A P P
P
v
vap sat= −* * ( ) 
onde: 
mcv = Quantidade de líquido evaporado em gr/min. 
A = Superfície em m2. 
C = Constante, varia de 400 a 700 para ventilação normal a forçada. 
Pvap = Pressão de vapor saturado líquido. 
Psat = Pressão de vapor do líquido na temperatura ambiente. 
P = Pressão atuante. 
 
a) Superfície de contato 
 O carburador deve ser projetado de modo a obter-se a máxima 
vaporização do combustível, com o maior rendimento volumétrico possível. 
Desta forma, o combustível é finamente pulverizado de tal forma que se 
divida em pequenas gotículas aumentando-se substancialmente a área de 
transferência de calor por volume de combustível debitado. 
 
b) Pressão Atuante 
 A pressão atuante na mistura está relacionada com a abertura da 
borboleta e rotação do motor. 
 
c) Temperatura 
 A mistura ar-combustível pode ser aquecida através da água de 
refrigeração do motor ou através dos gases de escape. A água de refrigeração 
do motor é circulada na jaqueta que envolve o coletor de admissão. Uma 
parte destes gases, é desviado por meio de um defletor sendo conduzida até a 
parede inferior do coletor de admissão, aquecendo-o. Tal defletor pode ser 
fixo ou móveis, os móveis são construídos de modo a desviar uma grande 
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quantidade de gases de escapamento sobre a parede do coletor, quando o 
motor estiver frio. Assim que ele é aquecido uma mola metálica aciona o 
defletor para a posição de fechado, diminuindo assim a quantidade de gases 
circulantes, e portanto não elevando demasiadamente a temperatura do 
coletor. 
 O aumento da temperatura da mistura facilita a evaporação, mas por 
outro lado, diminui o rendimento volumétrico, já que a mistura aquecida 
aumenta de volume e seu peso específico diminui. 
 Portanto, a temperatura ideal do coletor deve ser aquela que 
proporciona uma melhor evaporação para um maior rendimento 
volumétrico. 
 
 
 
O CARBURADOR 
 O carburador tem a finalidade de preparar a mistura ar-combustível 
necessária a cada regime de funcionamento do motor e de promover a maior 
taxa de vaporização possível do combustível no interior da massa de ar 
admitida. O ar e o combustível, estão diretamente ligados ao carburador, 
sendo, que para uma pequena parcela de combustível, necessita-se de uma 
grande quantidade de ar. Como foi visto nos capítulos anteriores, a razão ar-
combustível da mistura é dado pela seguinte fórmula: 
 
AC
Kg de ar
Kg de comb
= 
 
 O ar é muito importante no funcionamento do motor. O ar tem uma 
constituição aproximada de 21 % de oxigênio, 79% de hidrogênio. 
 A mistura ar/gasolina é formada no carburador com uma razão AC = 
12 à 13 para a potência máxima e uma = 15 à 17 para o menor consumo 
específico, isto é, para velocidade de cruzeiro. 
 
Principais sistemas de um carburador: 
 Todo carburador é constituído dos seguintes sistemas: 
a) Sistema de alimentação de combustível. 
b) Sistema de marcha lenta. 
c) Sistema principal. 
d) Sistema suplementar de alta rotação. 
e) Sistema de aceleração rápida. 
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f) sistema de afogamento. 
 
 
 O sistema de alimentação do combustível é constituído pela cuba, boia 
e agulha. A cuba de um carburador é o recipiente que contém o combustível 
vindo do tanque. Ela comunica-se com a atmosfera, através de uma 
passagem geralmente tubular, conhecida como tubo de aeração da cuba ou 
Pitot. O nível de gasolina contida neste reservatório é mantido constante em 
qualquer condição de funcionamento do motor, e a regulagem é feita por 
intermédio de uma bóia e uma válvula agulha, localizada no seu interior. 
Quando o nível de combustível desce, a válvula permite a sua entrada, e 
quando esse atinge um certo ponto, a agulha obstrui a passagem mantendo 
assim, o nível constante no interior do recipiente. 
 
 
 O sistema de marcha lenta tem a função de alimentar o motor nas 
rotações mais baixa, quando a borboleta de aceleração está pouco aberta. A 
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gasolina depois que sai da cuba atravessa o gargulante principal e sobe para 
o gargulante de marcha lenta onde é controlada a quantidade que deve 
passar. Em seguida a gasolina se mistura com o ar que vem do respiro e a 
mistura formada desce em direção à base do carburador, passando pela 
agulha de regulagem que controla a quantidade de mistura que deve 
descarregar no fluxo principal de ar. Para suavizar a passagem da marcha 
lenta para as marchas mais altas, existem os furos de progressão que são 
restrições calibradas que descarregam no fluxo principal. 
 
 
 O sistema principal tem a finalidade de alimentar o motor nas rotações 
mais elevadas. O ar ao passar pelos difusores arrasta a gasolina da cuba 
através do gargulante principal, onde é controlado a quantidade debitada e 
através do tubo misturador onde encontra-se com o ar que vem do respiro 
de alta. A mistura então formada vai para o difusor secundário de onde se 
descarrega no fluxo principal formando dessa maneira a mistura ar-gasolina 
final que vai para o cilindro. 
 
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 O sistema suplementar de alta potência tem a finalidade de enriquecer 
a mistura nas rotações mais elevadas, onde deseja-se máxima potência. 
 Quando a borboleta está totalmente ou parcialmente fecha, a 
depressão abaixo dela atua no canal de tomada de vácuo fechando a 
passagem de gasolina para o tubo de descarga suplementar.Quando a 
borboleta está totalmente aberta, a depressão no canal de vácuo cai e a mola 
superior atua no sentido de abir a agulha que dá passagem de combustível 
para o tubo de descarga suplementar. 
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 O sistema de aceleração rápida tem a finalidade de mudar o motor de 
regime de rotação. 
 Quando a borboleta de aceleração é fechada o pistão injetor é erguido 
admitindo combustível no cilindro que o contém. Qualquer abertura da 
borboleta de aceleração, tem como conseqüência uma injeção de 
combustível adicional para proporcionar a rápida mudança de regime. 
Quando a borboleta estaciona numa posição, o contrapeso e a esfera fecham 
a passagem de combustível por este sistema. 
 
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 O sistema de afogador tem a finalidade de enriquecer a mistura e de 
causar uma queda de pressão no coletor de admissão para proporcionar uma 
mistura ar-vapor de combustível que facilite a partida a frio. 
 Ao acionar o cabo do afogador, a borboleta do afogador é fechada e a 
de aceleração é levemente aberta proporcionando um enriquecimento da 
mistura e uma queda de pressão no coletor.