Caracterização das Chamas:

Transcrição

1 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 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. 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.

2 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.

3 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.

4 Composição do ar e combustíveis: Principais constituintes do ar seco: Gas ppm by volume Molecular Weight Mole fraction O 2 209, N 2 780, Ar 9, CO Air 1,000, O peso Molecular, M, do ar é obtido da tabela acima: M ~ x i M i i

5 Composição do ar e combustíveis: Principais constituintes do ar seco: Gas ppm by volume Molecular Weight Mole fraction Molar ratio O 2 209, an 2 790, Air 1,000, A densidade do ar seco pode ser obtida de: Com ~ R ~ pv mrt m T nrt M R ~ J kmol K e M p Pa kg/ m T K Então, a densidade do ar seco à pressão atmosférica e a 25ºC é: m 3 kg

6 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.

7 Composição do ar e combustíveis: Temperatura de Bulbo seco = 30ºC Temperatura de Bulbo úmido = 20ºC Umidade relativa = 40% Ponto de orvalho = 15ºC

8 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 CO 2 ; E o hidrogênio em H 2 O. Por exemplo, consideremos a equação da completa combustão de um mol de propano (C 3 H 8 ): C3H8 ao2 bco2 ch 2O Fazendo o balanço: C b = 3 H 2c = 8 c = 4 O 2a = 2b + c = 10 a = 5 Então: C3H8 5O2 3CO2 4H2O

9 ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO: C3H8 ao2 bco2 ch 2O C3H8 5O2 3CO2 4H2O 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: C a H b b a 4 b 4 O N2 aco2 H2O a N2 b 2 Observe-se que a composição do combustível pode ser expressa como CH y, onde y = b/a. divide-se C a H b por a dando CH a/b

10 ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO: C a H b b a 4 b 4 O N2 aco2 H2O a N2 b 2 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): A F 1 y y s y y Por exemplo, para o isooctano C 8 H 18 teremos uma (A/F) s = Ou seja, para cada parte de combustível são necessárias partes de ar para que haja a combustão completa. Para se obter CH y dividiu-se C a H b por a, dando CH a/b

11 ESTEQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO: C a H b b a 4 b 4 O N2 aco2 H2O a N2 b 2 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 (C 8 H 18 ), com 25% de excesso de ar dá: C O N2 8CO2 9H2O 3.13O H N 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 CO 2 e H 2 O. Além destes dois, os produtos da combustão são formados por monóxido de carbono, CO 2, hidrogênio, H 2, e nitrogênio, N 2.

12 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, : F A F A real s O inverso de é a razão relativa ar/combustível, : 1 A F A F real s 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.