aula_03

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Auto‐Ignição e Número de octano 
Se  a  temperatura  de  uma  mistura  ar‐combustível  é  suficientemente 
elevada,  a mistura  entrará  em  auto‐ignição  sem  a  necessidade  de  uma 
vela d ignição ou outro mecanismo externo. A temperatura acima da qual 
isto  ocorre  é  denominada  temperatura  de  auto‐ignição  (TAI).  Este  é  o 
princípio básico de ignição em um motor de ignição por compressão (IC). A 
taxa de compressão é alta o suficiente para que a  temperatura se eleve 
acima  da  TAI  durante  o  ciclo  de  compressão.  A  auto‐ignição  ocorre 
quando o combustível é injetado na câmara de combustão. A auto‐ignição 
não é desejável em um motor de ignição por centelha (SI, do inglês “Spark 
Ignition”), no qual uma vela de  ignição é utilizada para  ignitar a mistura 
em um  tempo apropriado no  ciclo. Define‐se  taxa de  compressão  como 
sendo o quociente existente entre os valores máximo e mínimo do volume 
contido no cilindro de um motor. As taxas de compressão de motores SI à 
gasolina são restritas a aproximadamente 11:1 para evitar a auto‐ignição. 
Quando a auto‐ignição ocorre em um motor  SI de  forma mais  intensiva 
que  a  desejável,  pulsos  de  pressão  são  gerados.  Estes  pulsos  de  altas 
pressões  podem  causar  danos  ao motor  e,  em  geral,  se  encontram  em 
uma  faixa  de  freqüência  audível.  Este  fenômeno  é  denominado 
“detonação”, ou seja, é o nome dado ao ruído que é transmitido através 
da  estrutura  do motor  quando  ocorre  uma  ignição  espontânea  de  uma 
parte do gás‐final, na extremidade oposta à frente de chama. Entende‐se 
por gás‐final aquela parte da mistura que ainda não  foi  consumida pela 
reação  normal  da  frente  de  chama.  Quando  ocorre  uma  combustão 
anormal  deste  tipo,  há  o  fornecimento  extremamente  rápido  de  uma 
grande  quantidade  de  energia  química  contida  no  gás‐final,  causando 
pressões  locais muito elevadas e  a propagação de ondas de pressão de 
amplitude substancial através da câmara de combustão. 
A  propriedade  do  combustível  que  descreve  a  facilidade  com  que  um 
combustível irá sofrer auto‐ignição é denominada número de octano (NO) 
e  constitui  uma  escala  numérica  gerada  por  comparação  com  as 
características  de  auto‐ignição  do  combustível  com  aquelas  de 
combustíveis  padrão  em  um  teste  específico  de  motor  em  condições 
específicas de operação. Os dois padrões de referência para combustíveis 
usados para determinação do número de octano são o  iso‐octano  (2,2,4 
trimetilpentano), para o qual se atribui o valor de número de octano de 
100, e o n‐heptano, para o qual se atribui o valor de número de octano de 
0.  Quanto  maior  o  Número  de  Octano  de  um  combustível,  menor  é  a 
susceptibilidade  do  mesmo  de  sofrer  auto‐ignição.  Motores  que 
trabalham  com baixas  taxas de  compressão podem utilizar  combustíveis 
de baixo número de octano e motores que trabalham com altas taxas de 
compressão devem utilizar combustíveis de altos números de octano para 
evitar a auto‐ignição e a detonação. 
Números de octano  (índice de anti‐detonação) para gasolinas usadas em 
veículos se encontram na faixa entre 87 e 95. O número de octano de um 
combustível depende de uma série de parâmetros, alguns dos quais não 
totalmente  compreendidos  do  ponto  de  vista  de  como  estes  afetam  a 
referida  propriedade.  Os  parâmetros  que  são  conhecidos  afetarem  o 
número  de  octano  são:  a  geometria  da  câmara  de  combustão,  a 
turbulência, a temperatura, a presença de gases inertes, etc. Quanto mais 
rápida for a chama de combustão em uma mistura ar‐combustível, maior 
será o número de octano.  Isto é devido ao  fato de que com uma chama 
mais  rápida, a mistura ar‐combustível que é aquecida acima da TAI  será 
consumida  durante  o  tempo  de  atraso  da  ignição,  e  a  detonação  será 
evitada. Em geral, há uma boa correlação entre a taxa de compressão e o 
número de octano de um combustível requerido para evitar a detonação. 
Quanto maior a taxa de compressão, maior deve ser o número de octano 
para evitar a detonação. 
Quando se mistura vários combustíveis de números de octano conhecidos, 
uma boa aproximação para o número de octano da mistura é dada por 
ܱܰ௠௜௦௧௨௥௔ ൌ ሺ% ܣሻሺܰ ஺ܱሻ ൅ ሺ% ܤሻሺܱܰ஻ሻ ൅ ሺ% ܥሻሺܱܰ஼ሻ    (1) 
em que % se refere ao percentual em massa. 
Diesel combustível 
O diesel combustível é obtido em uma ampla faixa de massas moleculares 
e propriedades físicas. Vários métodos são usados para classificar o diesel 
combustível,  alguns  utilizando  escalas  numéricas  e  outros  o  designando 
para  usos  específicos.  Em  geral,  quanto  mais  refinado  o  diesel 
combustível, menor é a massa molecular do mesmo, menor a viscosidade 
e maior o  respectivo  custo. Para este  combustível, as escalas numéricas 
variam de 1 a 6, com subcategorias usando letras do alfabeto (e.g., A1, D2, 
etc). Os menores números representam as menores massas moleculares e 
viscosidades  mais  baixas.  Estes  são  os  combustíveis  do  tipo  diesel 
comumente  utilizados  em  motores  CI.  Combustíveis  classificados  com 
números maiores são utilizados para aquecimento residencial e em fornos 
industriais. Cada classificação apresenta um conjunto de limites aceitáveis 
para as propriedades  físicas associadas,  tais como viscosidade, ponto de 
fulgor, ponto de fluidez, número de cetano, teor de enxofre, etc. 
Outro método de classificação de diesel a ser usado para motores CI é o 
de designar a  intenção de uso para o mesmo. Estas designações  incluem 
ônibus,  caminhão,  locomotivas,  navios  e  combustível  estacionário, 
abrangendo da massa molecular mais baixa à mais alta. 
Por conveniência, combustíveis do tipo diesel para motores CI podem ser 
divididos em duas categorias extremas: Diesel leve, com massa molecular 
aproximada  de  170  (de  fórmula  química  aproximada  C12,3H22);  e  Diesel 
pesado,  com  massa  molecular  aproximada  de  200  (de  fórmula  química 
aproximada  C14,6H24,8).  A  maioria  dos  combustíveis  do  tipo  diesel  irá  se 
enquadrar  nesta  faixa.  O  diesel  leve  é  menos  viscoso,  mais  fácil  de 
bombear, é  injetado na  forma de pequenas gotas, e  também é de custo 
mais  elevado.  O  diesel  pesado  pode,  em  geral,  ser  usado  em  motores 
maiores  com  pressões  de  injeção  maiores  e  sistemas  de  alimentação 
aquecidos. 
Número de Cetano 
Em  motores  IC,  a  auto‐ignição  da  mistura  ar‐combustível  é  uma 
necessidade. O  combustível  correto deve  ser  selecionado  de  forma  que 
este  entre  em  auto‐ignição  no  tempo  apropriado  no  ciclo  do  motor. 
Portanto,  para  tal,  deve‐se  conhecer  e  controlar  o  tempo  de  atraso  da 
ignição  do  combustível.  A  propriedade  que  quantifica  este  parâmetro 
(tempo  de  atraso  da  ignição)  é  denominada  Número  de  Cetano  (NC). 
Quanto maior o Número de Cetano, mais curto é o  tempo de atraso da 
ignição  e  mais  rapidamente  o  combustível  sofrerá  auto‐ignição  no 
ambiente da câmara de combustão. Um número de Cetano baixo  implica 
em um tempo de atraso da ignição mais longo. 
Da mesma forma que se faz para a determinação do Número de Octano, o 
NC é estabelecido por comparação com dois combustíveis de referência: 
ao  n‐cetano  (hexadecano,  C16H34)  é  atribuído  o  valor  de  100;  e  ao 
heptametilnonano (HMN, C12H34) é atribuído o valor de 15. O NC de outros 
combustíveis  é  então  obtido  por  comparação  do  tempo  de  atraso  da 
ignição daquele combustível com o de uma mistura dos dois combustíveis 
de referência: 
ܰܥ௖௢௠௕௨௦௧í௩௘௟ ൌ ሺ% ݊ െ ܿ݁ݐܽ݊݋ሻ ൅ ሺ0,15ሻሺ% ܪܯܰሻ      (2) 
Números de Cetano se encontram normalmente na faixa de 40 a 60 para 
combustíveis do  tipo diesel. Para uma dada  taxa de  injeção e  tempo de 
um motor, se o NC do combustível é baixo, o tempo de atraso da ignição 
será  muito  longo.  Quando  isto  acontece,  mais  combustível  do  que  o 
desejável  será  injetado  no  cilindro  antes  que  as  primeiraspartículas 
sofram ignição, causando um aumento de pressão rápido e significativo no 
início da  combustão.  Isto  resulta em baixa eficiência  térmica e em uma 
operação  inadequada  do  motor.  Se  o  NC  do  combustível  é  alto,  a 
combustão irá se iniciar prematuramente no ciclo. A pressão irá aumentar 
prematuramente e mais trabalho será requerido no ciclo de compressão. 
Números de Cetano menores que 40  resultam em níveis  inaceitáveis de 
fumaça  na  exaustão  e  são  ilegais  por  força  de  lei  no  que  concerne  à 
emissão.  Devido  à  dificuldade  e  custo  associado  à  determinação  do 
número de cetano de um combustível, métodos aproximados que utilizam 
as  propriedades  físicas  de  um  combustível  foram  desenvolvidos  para 
estimar esta propriedade e um deles é o  índice de  cetano  (CI, do  inglês 
cetane index): 
ܥܫ ൌ െ420,34 ൅ 0,016ܩଶ ൅ 0,192ܩ൫݈݋݃ଵ଴ ௠ܶ௣൯ ൅ 65,01൫݈݋݃ଵ଴ ௠ܶ௣൯
ଶ
െ
0,0001809 ௠ܶ௣ଶ     (3) 
Em  que  ܩ ൌ ൬ଵସଵ,ହ
ௌ೒
൰ െ 131,5,  e  Sg  é  a  densidade  específica  e  Tmp  é  a 
temperatura de ebulição média em oF. 
 
Exercício 
Um taxi é equipado com um motor flex (tipo SI) e roda com uma mistura 
de metanol e gasolina com uma razão de equivalência de 0,95. Qual deve 
ser  mudança  na  razão  de  mistura  ar‐combustível  quando  se  muda  a 
mistura de 10% metanol (M10) para 85% metanol (M85)? 
Solução 
Trabalhar  com  moles  de  combustíveis  em  M10  ao  invés  de  massas  de 
combustíveis. 
Combustível  Massa, m 
(kg) 
Massa 
molecular, M
Moles, 
N=m/M 
(kgmol) 
Fração molar
CH3OH  0,10  32 0,003125 0,278 
C8H15  0,90  111 0,008108 0,722 
  1,00  0,011233 1,000 
 
Para um kgmol de combustível reagindo com ar estequiométrico: 
0,278ܥܪଷܱܪ ൅ 0,722ܥ଼ܪଵହ ൅ 8,9005ܱଶ ൅ 8,9005ሺ3,76ሻ ଶܰ
՜ 6,054ܥܱଶ ൅ 5,971ܪଶܱ ൅ 8,9005ሺ3,76ሻ ଶܰ 
Para um kgmol de combustível reagindo com uma razão de equivalência 
de 0,95: 
0,278ܥܪଷܱܪ ൅ 0,722ܥ଼ܪଵହ ൅ ൬
8,9005
0,95
൰ܱଶ ൅ ൬
8,9005
0,95
൰ ሺ3,76ሻ ଶܰ
՜ 6,054ܥܱଶ ൅ 5,971ܪଶܱ ൅ ൬
8,9005
0,95
൰ ሺ3,76ሻ ଶܰ ൅ 0,468ܱଶ 
A razão ar‐combustível é: 
ܣܥ ൌ
݉௔
݉௖
ൌ
ቂቀ8,90050,95 ቁ ሺ1 ൅ 3,76ሻሺ29ሻቃ
ሾሺ0,278ሻሺ32ሻ ൅ ሺ0,722ሻሺ111ሻሿ
ൌ 14,53 
Repetindo os cálculos para M85: 
Combustível  Massa, m 
(kg) 
Massa 
molecular, M
Moles, 
N=m/M 
(kgmol) 
Fração molar
CH3OH  0,85  32 0,026563 0,952 
C8H15  0,15  111 0,001351 0,048 
  1,00  0,027914 1,000 
 
Reação estequiométrica: 
0,952ܥܪଷܱܪ ൅ 0,048ܥ଼ܪଵହ ൅ 1,992ܱଶ ൅ 1,992ሺ3,76ሻ ଶܰ
՜ 1,336ܥܱଶ ൅ 2,264ܪଶܱ ൅ 1,992ሺ3,76ሻ ଶܰ 
Para um kgmol de combustível reagindo com uma razão de equivalência 
de 0,95: 
0,952ܥܪଷܱܪ ൅ 0,048ܥ଼ܪଵହ ൅ ൬
1,992
0,95
൰ܱଶ ൅ ൬
1,992
0,95
൰ ሺ3,76ሻ ଶܰ
՜ 6,054ܥܱଶ ൅ 5,971ܪଶܱ ൅ ൬
1,992
0,95
൰ ሺ3,76ሻ ଶܰ ൅ 0,105ܱଶ 
A razão ar‐combustível é: 
ܣܥ ൌ
݉௔
݉௖
ൌ
ቂቀ1,9920,95 ቁ ሺ1 ൅ 3,76ሻሺ29ሻቃ
ሾሺ0,952ሻሺ32ሻ ൅ ሺ0,048ሻሺ111ሻሿ
ൌ 8,09