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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 = =1716114

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

468 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

13614 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 =ACAC

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 = <ACAC

real

e1

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 = >ACAC

real

e1

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 0,8 1,00 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:

mcC A P P

Pv

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:

ACKg de arKg 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.