aula_02

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Combustão e Produtos de Combustão 
Os motores de Combustão  Interna  (CI) obtêm a energia necessária para 
promover movimento  pela  combustão  de  hidrocarbonetos  combustíveis 
com  ar,  convertendo  a  energia  química  dos  combustíveis  para  energia 
interna nos gases dentro do motor. 
A quantidade máxima de energia química que pode ser liberada (calor) de 
um  combustível  é  aquela  devido  à  reação  (combustão)  estequiométrica 
com oxigênio. O oxigênio estequiométrico (também denominado oxigênio 
teórico)  é  suficiente  para  converter  todo  o  carbono  combustível  em 
dióxido de carbono (CO2) e todo o hidrogênio em água (H2O), sem sobrar 
nenhum oxigênio não  reagido. A equação balanceada da  reação química 
do  hidrocarboneto  mais  simples,  o  metano,  com  o  oxigênio 
estequiométrico é: 
ܥܪସ ൅ 2ܱଶ ՜ ܥܱଶ ൅ 2ܪଶܱ 
Gastam‐se  dois  moles  de  oxigênio  para  reagir  com  um  mol  de 
combustível,  gerando  um  mol  de  dióxido  de  carbono  e  dois  moles  de 
vapor  de  água.  Se  o  iso‐octano  é  o  componente  combustível,  a  reação 
estequiométrica de combustão com o oxigênio é: 
ܥ଼ܪଵ଼ ൅ 12,5ܱଶ ՜ 8ܥܱଶ ൅ 9ܪଶܱ 
Moléculas  reagem  com  moléculas,  portanto,  ao  se  balancear  uma 
equação  representando  uma  reação  química,  utiliza‐se  quantidades 
molares  (número  fixo  de moléculas)  e  não  quantidades  em massa. Um 
kgmol  de  uma  substância  tem  uma  massa  em  kg  igual,  em  número,  à 
massa molecular daquela substância. 
Exemplo:  1 kgmol de CH4 = 16,04 kg 
    1 kgmol de O2 = 32,00 kg 
Motores  pequenos  e  potentes  poderiam  ser  construídos  se  os 
combustíveis fossem queimados com oxigênio puro. Entretanto, os custos 
de  se utilizar oxigênio puro  seriam proibitivos  e, portanto,  tais motores 
não são construídos. O ar atmosférico é utilizado como fonte de oxigênio 
para  reagir  com  o  combustível.  O  ar  atmosférico  é  constituído  de 
aproximadamente 78%  (em moles) de nitrogênio, 21% de oxigênio, e 1% 
de outros gases, incluindo argônio, neônio, hélio, CO2, H2O, etc. 
O nitrogênio e os gases raros são quimicamente  inertes, não reagindo no 
processo  de  combustão.  Entretanto,  a  presença  destes  afeta  a 
temperatura  e  a  pressão  na  câmara  de  combustão.  Portanto,  para 
simplificar os cálculos de combustão, sem causar grandes erros, os gases 
raros  são  combinados  com o nitrogênio e o  ar  atmosférico é modelado 
como  sendo  constituído  de  21%  de  oxigênio  e  79%  de  nitrogênio.  Para 
cada  0,21  moles  de  oxigênio  há  também  0,79  moles  de  nitrogênio 
presente, ou para  cada mol de oxigênio, há 0,79/0,21  (=3,76) moles de 
nitrogênio.  Para  cada  mol  de  oxigênio  necessário  para  uma  reação 
estequiométrica de combustão, 4,76 moles de ar devem ser supridos: um 
mol de oxigênio mais 3,76 moles de nitrogênio. 
A combustão estequiométrica de metano com o ar é: 
ܥܪସ ൅ 2ܱଶ ൅ 2ሺ3,76ሻ ଶܰ ՜ ܥܱଶ ൅ 2ܪଶܱ ൅ 2ሺ3,76ሻ ଶܰ 
A combustão estequiométrica de iso‐octano com o ar é: 
ܥ଼ܪଵ଼ ൅ 12,5ܱଶ ൅ 12,5ሺ3,76ሻ ଶܰ ՜ 8ܥܱଶ ൅ 9ܪଶܱ ൅ 12,5ሺ3,76ሻ ଶܰ 
É conveniente que se represente as equações balanceadas de reações de 
combustão  considerando  um  kgmol  de  combustível.  A  energia  liberada 
pela reação será em unidades de energia por kgmol de combustível, que é 
facilmente transformada em energia total quando a vazão de combustível 
é conhecida. 
A combustão pode ocorrer, dentro de certos limites, quando mais que o ar 
estequiométrico  (pobre)  está  presente,  ou  quando  menos  que  o  ar 
estequiométrico  (rica)  está  presente  para  uma  dada  quantidade  de 
combustível. Se o metano é queimado com 150% de ar estequiométrico, o 
excesso  de  oxigênio  estará  presente  nos  produtos  da  reação  de 
combustão: 
ܥܪସ ൅ 3ܱଶ ൅ 3ሺ3,76ሻ ଶܰ ՜ ܥܱଶ ൅ 2ܪଶܱ ൅ 3ሺ3,76ሻ ଶܰ ൅ ܱଶ 
Se  o  iso‐octano  é  queimado  com  80%  de  ar  estequiométrico,  não  há 
quantidade suficiente de oxigênio para converter todo o carbono em CO2, 
e uma quantidade de monóxido de carbono estará presente nos produtos 
de combustão: 
ܥ଼ܪଵ଼ ൅ 10ܱଶ ൅ 10ሺ3,76ሻ ଶܰ ՜ 3ܥܱଶ ൅ 9ܪଶܱ ൅ 5ܥܱ ൅ 10ሺ3,76ሻ ଶܰ 
O monóxido de carbono é um gás venenoso, incolor e inodor que pode ser 
queimado  para  formar  CO2. O  CO  é  formado  em  qualquer  processo  de 
combustão  em que há deficiência de oxigênio.  Também  é provável que 
parte do  combustível não  vá queimar quando houver deficiência de O2. 
Este  combustível  não  reagido  irá  constituir  poluente  na  exaustão  do 
motor. 
Para combustão em motores, a  razão de equivalência é uma medida da 
mistura combustível‐ar relativa às condições estequiométricas e é definida 
como: 
׎ ൌ ሺ஼஺ሻೝ೐ೌ೗
ሺ஼஺ሻ೐ೞ೟
ൌ ሺ஺஼ሻ೐ೞ೟
ሺ஺஼ሻೝ೐ೌ೗
          (1) 
em que CA = mc/ma é a razão massa de combustível por massa de ar, mc e 
ma são as massa de combustível e de ar, respectivamente, e AC é a razão 
massa  de  ar  por  massa  de  combustível.  Quando  ø  <  1,  a  mistura 
combustível‐ar é pobre em  combustível  e haverá oxigênio presente nos 
gases de exaustão do motor; quando ø > 1, a mistura combustível‐ar é rica 
em  combustível  e  haverá  CO2  e  combustível  presente  nos  gases  de 
exaustão do motor; e quando ø = 1, a razão é estequiométrica e a energia 
liberada pelo combustível é máxima. Motores, em geral, operam com uma 
razão  de  equivalência  na  faixa  de  0,9  a  1,2  dependendo  do  tipo  de 
operação. 
Exemplo 1 
Iso‐octano é queimado  com 120% de ar  teórico em um pequeno motor 
turbo de 3 cilindros. Calcular: 
1. a razão ar‐combustível; 
2. a razão combustível‐ar; e 
3. a razão de equivalência. 
Solução 
A reação estequiométrica para queima de iso‐octano é: 
ܥ଼ܪଵ଼ ൅ 12,5ܱଶ ൅ 12,5ሺ3,76ሻ ଶܰ ՜ 8ܥܱଶ ൅ 9ܪଶܱ ൅ 12,5ሺ3,76ሻ ଶܰ 
Com 20% de excesso de ar: 
ܥ଼ܪଵ଼ ൅ 15ܱଶ ൅ 15ሺ3,76ሻ ଶܰ ՜ 8ܥܱଶ ൅ 9ܪଶܱ ൅ 15ሺ3,76ሻ ଶܰ ൅ 2,5ܱଶ 
Com 20% de excesso de ar,  todo o combustível é queimado, e a mesma 
quantidade de CO2 e H2O é encontrada nos produtos. Além disso, há uma 
pequena quantidade de oxigênio e nitrogênio em excesso nos produtos de 
combustão. 
1) a razão ar‐combustível é dada por: 
ܣܥ ൌ
݉௔
݉௖
ൌ ௔ܰ
ܯ௔
௖ܰܯ௖
ൌ
ሾሺ15ሻሺ4,76ሻሺ29ሻሿ
ሾሺ1ሻሺ114ሻሿ
ൌ 18,16 
2) a razão combustível‐ar é: 
ܥܣ ൌ
݉௖
݉௔
ൌ
1
ܣܥ
ൌ
1
18,16
ൌ 0,055 
3) a razão combustível‐ar da combustão estequiométrica é: 
ሺܥܣሻ௘௦௧ ൌ
ሾሺ1ሻሺ114ሻሿ
ሾሺ12,5ሻሺ4,76ሻሺ29ሻሿ
ൌ 0,066 
A razão de equivalência é dada por: 
׎ ൌ
ሺܥܣሻ௥௘௔௟
ሺܥܣሻ௘௦௧
ൌ
ሺ0,055ሻ
ሺ0,066ሻ
ൌ 0,833 
Mesmo quando a vazão de ar e de combustível para dentro de um motor 
é  controlada  exatamente  em  condições  estequiométricas,  a  combustão 
não será “perfeita” e outros compostos, que não o CO2, H2O e N2 estarão 
presentes nos produtos na exaustão. Uma das principais razões para  isto 
acontecer é o  tempo extremamente  curto em  cada  ciclo do motor, que 
implica em uma mistura menos completa entre ar e combustível. Algumas 
moléculas de combustível não encontram uma molécula de oxigênio para 
reagir  e  pequenas  quantidades  de  combustível  e  de  oxigênio  estarão 
presentes  na  exaustão.  Motores  a  combustão  interna  apresentam 
eficiências de combustão na  faixa de 95% a 98% para misturas pobres e 
valores  menores  para  misturas  ricas,  nas  quais  não  há  quantidade 
suficiente de ar para reagir com todo o combustível. Motores CI, em geral, 
operam  com  misturas  pobres  e  tipicamente  apresentam  eficiências  de 
combustão de aproximadamente 98%. 
Equilíbrio Químico 
Se uma reação química genérica é representada como: 
ߥ஺ܣ ൅ ߥ஻ܤ ՜ ߥ஼ܥ ൅ ߥ஽ܦ 
Em que A e B representam todas as espécies reativas e C e D representam 
todos os produtos,  independentemente do número de cada, ߥ஺, ߥ஻, ߥ஼  e 
ߥ஽  representam  os  coeficientes  estequiométricos  de  A,  B,  C  e  D, 
respectivamente. A  composição de equilíbrio para esta  reação pode  ser 
determinada se se conhece a constante de equilíbrio químico: 
 
ܭ௘ ൌ
ቀே಴
ഌ಴ேವ
ഌವቁ
ቀேಲ
ഌಲேಳ
ഌಳቁ
 ቀ ௉
ே೟
ቁ
∆ఔ
          (2) 
em que ∆ߥ ൌ ߥ஼ ൅ ߥ஽ െ ߥ஺ െ ߥ஻, Ni é o número de moles do componente 
i no equilíbrio, Nt é o número de moles total noequilíbrio, e P é a pressão 
absoluta total em unidade de atmosferas. 
A  constante  Ke  é  fortemente  dependente  da  temperatura,  variando  em 
várias ordens de magnitude na faixa de temperaturas que se encontra em 
motores CI. À medida que Ke aumenta, o equilíbrio se desloca mais para a 
direita,  ou  seja,  para  a  formação  de  produtos.  Isto  é  a maximização  da 
entropia. Para hidrocarbonetos combustíveis reagindo com o oxigênio (ar) 
às  temperaturas elevadas de motores, a constante de equilíbrio é muito 
elevada, significando que haverá muito pouco reagente (combustível e ar) 
sobrando no  equilíbrio  final.  Entretanto,  a  estas  temperaturas  elevadas, 
outro  fenômeno  químico  ocorre,  que  afeta  o  processo  global  de 
combustão do motor e também o que vai conter nos gases de exaustão. 
Ao  examinar  as  constantes  de  equilíbrio  das  reações  envolvidas  em 
processos  de  combustão,  verifica‐se  que  a  dissociação  de  componentes 
que são normalmente estáveis irá ocorrer nas temperaturas elevadas dos 
motores.  O  CO2  se  dissocia  em  CO  e  O,  o  O2  se  dissocia  em  O 
monoatômico, o N2 se dissocia em N monoatômico, etc. Isto não só afeta 
a  combustão  química,  mas  também  é  uma  das  principais  causas  de 
problemas de emissão por motores CI. O nitrogênio  como N2 diatômico 
não  reage  com  outras  substâncias,  mas  quando  este  se  dissocia  em 
nitrogênio monoatômico  a  altas  temperaturas,  este  reage  prontamente 
com  o  oxigênio  para  formar  óxidos  nitrogenados,  NO  e  NO2,  que  são 
considerados os principais poluentes automotivos. Para evitar a geração 
de  grandes  quantidades  de  óxidos  de  nitrogênio,  as  temperaturas  de 
combustão  em  motores  automotivos  são  reduzidas,  o  que  reduz  a 
dissociação  do  N2.  Infelizmente,  esta  redução  na  temperatura  também 
diminui a eficiência térmica do motor. 
Temperatura de ponto de orvalho da exaustão 
Quando os gases de um motor CI são resfriados abaixo da temperatura de 
ponto  de  orvalho  do  vapor  de  água,  este  começa  a  se  condensar  na 
exaustão.  É  comum  de  se  ver  gotas  de  água  saindo  de  um  cano  de 
descarga de um veículo quando se dá partida em um motor e o cano de 
exaustão está frio. Rapidamente o cano é aquecido acima da temperatura 
de ponto de orvalho e a água só é vista condensando quando, em clima 
frio, é resfriada pelo ar ao redor da exaustão. 
Temperatura de combustão 
O  calor  liberado  pela  reação  de  combustão  de  hidrocarbonetos 
combustíveis com o ar é a diferença entre a entalpia total dos produtos e 
a entalpia total dos reagentes. Esta energia é denominada calor de reação, 
calor de combustão, ou entalpia de reação, e é dada por: 
ܳ ൌ ∑ ௜݄ܰ௜ െ ∑ ௜݄ܰ௜௥௘௔௚௣௥௢ௗ         (3) 
em que Ni é o número de moles do componente i, ݄௜ ൌ ݄௙௜ ൅ ݈݄݅௜, hfi é a 
entalpia de formação do componente  i (isto é, a entalpia necessária para 
formar  um mol  de  i  em  condições  padrão  de  25oC  e  1  atm),  e  ilhi  é  a 
mudança  de  entalpia  do  componente  i  da  temperatura  padrão  para  a 
temperatura de combustão. 
Q será negativo, significando que o calor é liberado pelos gases reagentes. 
Os  valores  de  formação  hfi  e  ilhi  são  quantidades  em  bases  molares  e 
podem ser encontrados em livros de termodinâmica básica. 
O poder calorífico PC é o negativo do calor de reação para uma unidade de 
combustível  e,  portanto,  é  um  número  positivo,  sendo  calculado 
considerando  que  os  reagentes  e  produtos  estão  a  25oC.  O  poder 
calorífico  superior  (PCS)  é  utilizado  quando  a  água  nos  produtos  de 
exaustão  está  no  estado  líquido,  e  o  poder  calorífico  inferior  (PCI)  é 
utilizado quando a água nos produtos de exaustão está em fase vapor. A 
diferença é o calor de vaporização da água: 
ܳ௉஼ௌ ൌ ܳ௉஼ூ ൅ ݄௩௔௣          (4) 
O PCS é normalmente listado em contêineres de combustíveis, em função 
do  maior  valor  (quando  comparado  ao  PCI)  ser  mais  atrativo  para  o 
combustível.  Para  a  análise  de  motores,  o  PCI  é  o  valor  lógico  a  ser 
utilizado.  Toda  a  troca  de  energia  na  câmara  de  combustão  ocorre  em 
temperaturas  elevadas,  e  somente  na  região  de  exaustão,  onde  não  se 
pode mais afetar a operação do motor, é que os produtos se resfriam para 
a temperatura do ponto de orvalho. 
O calor no motor que é convertido em trabalho de eixo pode ser calculado 
como: 
ܳ௜௡ ൌ ߟ௖݉௖ܳ௉஼ூ            (5) 
em que ηc é a eficiência de combustão e mc é a massa de combustível. 
Uma estimativa da temperatura máxima alcançada em um motor CI pode 
ser obtida pelo cálculo da temperatura adiabática de chama da mistura ar‐
combustível de alimentação.  Isto é  feito  igualando‐se Q = 0 na equação 
(3): 
∑ ௜݄ܰ௜ ൌ ∑ ௜݄ܰ௜௥௘௔௚௣௥௢ௗ         (6) 
Considerando que as condições de entrada dos reagentes são conhecidas, 
é  necessário  encontrar  a  temperatura  dos  produtos  de  forma  que  esta 
equação seja satisfeita. Esta é a temperatura adiabática de chama. 
A temperatura adiabática de chama é a temperatura teórica ideal máxima 
que se pode obter para uma dada mistura combustível‐ar. A temperatura 
máxima real a ser alcançada em um ciclo do motor será centenas de graus 
menor que a temperatura adiabática de chama. Há alguma perda de calor 
mesmo no curto  tempo de um ciclo, a eficiência de combustão é menor 
que  100%  de  forma  que  uma  pequena  quantidade  de  combustível  não 
seja  queimada,  e  alguns  componentes  se  dissociam  nas  temperaturas 
elevadas  do  motor.  Todos  estes  fatores  contribuem  para  que  a 
temperatura  máxima  real  no  motor  seja  menor  que  a  temperatura 
adiabática de chama. 
Exemplo 2 
Determinar a  temperatura adiabática de chama de  iso‐octano queimado 
com uma razão de equivalência de 0,833 em ar seco. Pode‐se considerar 
que  os  reagentes  estão  a  uma  temperatura  de  427oC  (700  K)  após  a 
primeira compressão. 
Solução 
A reação para queima de iso‐octano com 20% de excesso de ar é: 
ܥ଼ܪଵ଼ ൅ 15ܱଶ ൅ 15ሺ3,76ሻ ଶܰ ՜ 8ܥܱଶ ൅ 9ܪଶܱ ൅ 15ሺ3,76ሻ ଶܰ ൅ 2,5ܱଶ 
A equação  (6) é utilizada para cálculos de combustão adiabática. Valores 
de entalpia podem  ser obtidos de  livros de  termodinâmica. Utilizando a 
equação (6): 
∑ ௜ܰሺ݄௙
଴ ൅ ∆݄ሻ௜ ൌ ∑ ௜ܰሺ݄௙
଴ ൅ ∆݄ሻ௜௥௘௔௚௣௥௢ௗ       
8ൣሺെ393522ሻ ൅ ∆݄஼ைమ൧ ൅ 9ൣሺെ241826ሻ ൅ ∆݄ுమை൧ ൅ 2,5ൣ0 ൅ ∆݄ைమ൧
൅ 15ሺ3,76ሻൣ0 ൅ ∆݄ேమ൧
ൌ ሾሺെ259280ሻ ൅ ሺ73473ሻሿ ൅ 15ሾ0 ൅ 12499ሿ ൅ 15ሺ3,76ሻሾ0 ൅ 11937ሿ 
Simplificando: 
8∆݄஼ைమ ൅ 9∆݄ுమை ൅ 2,5∆݄ைమ ൅ 56,4∆݄ேమ ൌ 5999535 
Por  tentativa  e  erro,  encontrar  a  temperatura  que  satisfaça  esta  equação.  Tentar  
T = 2400 K: 
8ሺ115779ሻ ൅ 9ሺ93741ሻ ൅ 2,5ሺ74453ሻ ൅ 56,4ሺ70640ሻ ൌ 5940130 
O valor é mais baixo que o desejado (5999535), portanto, tentar T = 2600 K: 
8ሺ128074ሻ ൅ 9ሺ104520ሻ ൅ 2,5ሺ82225ሻ ൅ 56,4ሺ77963ሻ ൌ 6567948 
O valor é mais alto que o desejado (5999535), portanto, a temperatura adiabática de 
chama é encontrada por  interpolação  linear entre os  valores encontrados  (5940130 
para 2400 K e 6567948 para 2600 K): 
ܶ ൌ 2419 ܭ ൌ 2146Ԩ