Combustão em motores
de combustão interna
alternativos de Ciclo Otto
e Diesel
Composição do ar
Símbolo
Peso
Molecular
Análise
Volumétrica
Peso
Relativo
Análise
Volumétrica
Volume
Relativo
Análise em
Peso
O2
31,998
0,2095
6,703
0,2095
1
0,231
N2
28,012
0,7809
21,874
A
39,948
0,0093
0,372
CO2
44,009
0,0003
0,013
0,7905
3,773
0,769
1,0000
28,962
1,0000
4,762
1,000
Total
Nitrogênio atmosférico = 28,16 kg/kmol
Equação da combustão
C  O2  3,773N 2  CO2  3,773N 2  393,510kJ
1
H 2  O2  H 2 O  241,818 kJ
2
Equação da combustão para um
hidrocarboneto genérico CaHbOc
Ca HbOc  d (O2  3,773N2 )  eCO2  fH 2O  g3,773N2
Balanço de carbono: a = e
Balanço de hidrogênio: b = 2f
Balanço de oxigênio: c + 2d = 2e + f
Balanço de nitrogênio: 3,773d = 3,773g
Equação da combustão para um
hidrocarboneto genérico CaHbOc
Ca HbOc  d (O2  3,773N2 )  eCO2  fH 2O  g3,773N2
a=e
b = 2f
c + 2d = 2e + f
3,773d = 3,773g
e=a
f = b/2
d = a + b/4 – c/2
g=d
Equação da combustão para um
hidrocarboneto genérico CaHbOc
Ca HbOc  d (O2  3,773N2 )  eCO2  fH 2O  g3,773N2
b c
b
b c


Ca H bOc   a   (O2  3,773N 2 )  aCO2  H 2O  3,773 a    N 2
4 2
2
4 2


Combustão estequiométrica
b c
b
b c


Ca H bOc   a   (O2  3,773N 2 )  aCO2  H 2O  3,773 a    N 2
4 2
2
4 2


( A / F ) ST 
massa de ar necessária para a combustão completa de um kmol de combustíve l
massa de um kmol de combustíve l
( A / F ) ST
b c

a

   1 32  3,773 28,16

4 2

a 12,011 b 1,008 c 16
Relação de mistura - l
(A/F)atual
l
(A/F)ST
Taxa de equivalência - 

(F/A)atual
(F/A)ST
Combustão estequiométrica
b c
b
b c


Ca H bOc  l  a   (O2  3,773N 2 )  aCO2  H 2O  3,773 a    N 2
4 2
2
4 2


l  1 mistura pobre (excesso de ar)
l = 1 mistura estequiométrica
(ar estequiométrico)
l < 1 mistura rica (falta de ar)
Relação de mistura - Lambda
Fig.1
Fig.2
Fig.3
Exercício
• Determine a relação (A/F)ST do etanol
(C2H5OH).
Exercício
• Considerando que o gás natural veicular
(GNV) seja composto de 92% de metano
(CH4) e 8% de etano (C2H6), determine a
relação (A/F)ST deste combustível.
Exercício
• No Brasil uma mistura de gasolina A
(CnH1,87n) com 20% a 25% de etanol
anidro combustível (C2H5OH) é
comercializada nos postos de
abastecimento (gasolina C). Determine a
relação (A/F)ST quando:
• A) 20% AEAC
• B) 25% AEAC
Combustíveis para
motores de combustão
interna alternativos de
Ciclo Otto e Diesel
Combustíveis para motores de
combustão interna
Derivados do petróleo ou hidrocarbonetos
• Saturados: CaHb – ligações simples entre
átomos de carbono: parafinas e cicloparafinas
• Insaturados: CaHb – ligações duplas ou triplas
entre os átomos de carbono: olefinas e
aromáticos
Oxigenados ou hidrocarbonetos oxigenados
• Álcoois (R – OH )
• Éteres (R – O – R)
Combustíveis para motores de
combustão interna
FAMÍLIA
FÓRMULA
ESTRUTURA
SATURADO
Parafínicos
CnH2n+2
cadeia
sim
Olefínicos
CnH2n
cadeia
não
Diolefínicos
CnHn-2
cadeia
não
Naftenos/Cicloparafinas
CnH2n
cíclica
sim
benzenos
CnH2n-6
cíclica
não
naftalenos
CnH2n-12
cíclica
não
Aromáticos
Família das parafinas
METANO – CH4
• 1 - metano
• 2 - etano
• 3 - propano
ETANO – C2H6
4 - butano
5 - pentano
6 - hexano
7 - heptano
8 – octano
9 - nonano
10 - decano
Família das olefinas
ETENO – C2H4
• Caracterizam-se por estrutura em cadeia aberta como
as parafinas, porém são não saturadas, podendo
aparecer ligações duplas ou triplas entre os átomos de
carbono. Utilizam o sufixo eno para identificá-las e os
mesmos prefixos das parafinas
Família dos aromáticos
BENZENO – C6H6
XILENO – C8H10
Combustíveis oxigenados para motores
de combustão interna – álcool (R-OH)
METANO
ETANO – C2H6
METANOL
ETANOL
Combustíveis oxigenados para motores
de combustão interna – éteres
(R – O – R)
MTBE
Combustíveis para motores de
combustão interna
Propriedades físicas
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pressão de vapor
Características de destilação
Calor de vaporização
Poder calorífico
Densidade
Poder anti-detonante
Temperatura de auto-ignição
Flash point
Tensão superficial
Viscosidade
Pressão de vapor
• Propriedade que determina a qualidade das
características de volatilidade do combustível.
• A Agência Nacional do Petróleo (ANP) utiliza as normas
ASTM D4953, D5190, D5191 e D5482 e ABNT NBR
4149 e NBR 14156.
• Em uma câmara fechada imersa em um banho a
temperatura de 38,7°C é colocado o combustível líquido
numa relação de ar/combustível de 4:1. Com a
evaporação do combustível a pressão da câmara sobe
até atingir o equilíbrio das fases. A pressão de equilíbrio
é então denominada pressão de vapor ou pressão
“Reid”, em homenagem ao propositor do teste.
Calor de vaporização
• É a energia necessária para converter um mol de líquido
para vapor, ou seja, a energia necessária para a
mudança de fase líquido/vapor.
• Hidrocarbonetos convencionais que compõem as
gasolinas apresentam calores de vaporização em torno
dos 300 kJ/kg, já para os oxigenados, como o etanol,
estes valores são superiores a 500 kJ/kg,
• Surge aqui um paradoxo, se por um lado torna-se mais
difícil a evaporação de um oxigenado, a grande redução
da temperatura da mistura promove melhor enchimento
do cilindro aumentando a eficiência volumétrica
Poder calorífico superior
• Poder calorífico superior (PCS) de um
combustível representa a quantidade de
energia liberada pela combustão de uma
unidade de massa em um calorímetro de
volume constante com recuperação de
toda a energia de vaporização da água
formada pela combustão.
Poder calorífico inferior
• Poder calorífico inferior (PCI) de um
combustível representa a quantidade de
energia liberada pela combustão de uma
unidade de massa em um calorímetro de
volume constante menos a energia
consumida para vaporizar a água formada
pela combustão.
Densidade
• é a massa de uma unidade de volume de combustível, ou também a
relação entre o massa de um volume de combustível com a massa
de um mesmo volume de água a 15°C e 101,325 MPa, cuja
densidade nestas condições é igual a 1 (densidade relativa).
• a densidade do combustível é muito importante para economia, pois
ela está bem relacionada com o conteúdo de energia do mesmo. As
densidades das gasolinas comuns estão na faixa de 0,72 e 0,78 e
depende dos tipos das frações de hidrocarbonetos que fazem sua
composição. Os hidrocarbonetos aromáticos apresentam as
maiores densidades, as olefinas apresentam densidades médias
entre estas e as parafinas com as menores densidades.
Poder anti-detonante
• Representa a maior ou menor resistência do combustível de poder
permanecer exposto, quando misturado ao ar, a altas temperaturas
na câmara de combustão sem entrar em combustão
espontaneamente.
• Quando o combustível apresenta baixa resistência à auto-ignição,
pode ocorrer o fenômeno conhecido por detonação, ou seja, a autoignição da mistura em pontos distintos da câmara antes da chegada
da frente de chama, o que ocasiona uma combustão extremamente
rápida e descontrolada (detonação) e com um ruído bem
característico devido a uma prejudicial vibração da câmara de
combustão.
• A qualidade antidetonante do combustível é representada pelo
Número de Octanas (NO), isto é, quanto maior o NO, maior será
sua capacidade de resistir à detonação. O NO de um combustível
qualquer equivale ao NO de uma mistura de frações de isoctano
(C8H18) e heptano (C7H17) que tenham qualidades antidetonantes
semelhantes.
Temperatura de auto-ignição
• É a temperatura que o combustível entra em ignição
espontaneamente em contato com o ar.
• Esta característica é dependente das condições de pressão e
temperatura.
• Em geral a temperatura mínima de auto-ignição decresce com o
aumento da pressão.
• Para álcoois, éteres e hidrocarbonetos leves, em ar a pressão
atmosférica esta temperatura está entre 500°C e 600°C e para os
hidrocarbonetos mais pesados com cadeias longas (C8 – C10) com
algumas parafinas e olefinas em torno de 200°C a 250°C.
Flash point (temperatura de
vapor)
• O flash point de um combustível é a
mais baixa temperatura em que uma
mistura de vapor de combustível e ar
entra em ignição.
Tensão superficial
• Tensão superficial é um efeito físico que ocorre na camada
superficial de um líquido que leva a sua superfície a se comportar
como uma membrana elástica. As moléculas situadas no interior de
um líquido são atraídas em todas as direções pelas moléculas
vizinhas e, por isso, a resultante das forças que atuam sobre cada
molécula é praticamente nula. As moléculas da superfície do
líquido, entretanto, sofrem apenas atração lateral e inferior. Esta
força para o lado e para baixo cria a tensão na superfície, que faz a
mesma comportar-se como uma película elástica
Viscosidade
• É a propriedade física que caracteriza a
resistência de um fluido ao escoamento, a
uma dada temperatura;
Combustíveis para motores de
combustão interna
Propriedades físicas
ETANOL
Densidade
(Kg/m³)
Temperatura de
vapor
(°C)
Pressão de
Vapor Reid
(kPa)
Temperatura de
auto-ignição
(°C)
Calor de
vaporização
(kJ/kg)
PCI
(kJ/kg)
MTBE
XILENOS
GASOLINA
720,0
a
780,0
26,7
a
225,0
55,2
a
103,4
794,0
744,0
873,3
77,8
55,0
140,3
15,9
53,8
0,7
422,8
435,0
506,0
257,2
921,1
321,0
347
348,9
26,7
35,1
40,9
41,9
Combustíveis para motores de
combustão interna
•
•
•
•
•
Gasolina automotiva tipo A
Gasolina automotiva tipo B
Gasolina automotiva tipo C
Álcool etílico anidro combustível (AEAC)
Álcool etílico hidratado combustível (AEHC)
UNIDADE
ESPECIFICAÇÃO
MÉTODO
ABNT/ASTM
Cor
—
(1)
Visual (2)
Aspecto
—
(3)
visual (2)
Álcool Etílico Anidro Combustível – AEAC
%vol
(4)
NBR 13992
Massa específica a 20ºC
kg/m3
Anotar
Destilação
10% evaporado, máx.
50% evaporado, máx.
90% evaporado, máx.(5)
PFE, máx.
Resíduo, máx.
ºC
ºC
ºC
ºC
%vol
65,0
80,0
190,0
220,0
2,0
Nº de Octano Motor – MON, mín.
—
82,0 (9)
Índice Antidetonante - IAD, mín.(6)
—
87,0
Kpa
69,0 máx.
NBR 4149
NBR 14156
D 4953
D 5190
D 5191
D 5482
mg/100 ml
5
NBR 14525
D 381
Min
360
NBR 14478
D 525
—
1
NBR 14359
D 130
Enxofre, máx. (8)
% massa
0,10
NBR 6563
NBR 14533
D 1266
D 2622
D 3120
D 4294
D 5453
Benzeno, máx. (8)
%vol
1,0
Chumbo, máx. (12)
g/L
Aditivos (9)
—
CARACTERÍSTICA
Pressão de Vapor
a 37,8 ºC (7)
Goma Atual Lavada, máx.
Período de Indução a 100ºC, mín.
Corrosividade ao Cobre a 50ºC, máx.
Hidrocarbonetos: (8) (10)
NBR 7148
NBR 14065
D 1298
D 4052
NBR 9619
D 86
MB 457
D 2700
MB 457
D 2699
D 2700
—
D 3606
D 5443
D 6277
0,005
—
D 3237
—
—
—
MB 424
D 1319
%vol
Aromáticos, máx. (11)
45
Olefínicos, máx. (11)
30
UNIDADE
ESPECIFICAÇÕES
MÉTODO
ABNT/ASTM
Aspecto
-
Límpido e isento de
impurezas
Visual
Cor
-
Incolor
Visual
Acidez total (como
ácido acético), máx.
mg/L
30
9866
D 1613
Condutividade elétrica,
máx.
µS/m
500
10547
D 1125
Massa específica a
20ºC
kg/m3
811,0
5992
D 4052
Teor alcoólico
ºINPM
93,8
5992
-
-
8,0
10891
-
mg/100Ml
5
8644
-
Teor de
hidrocarbonetos, máx.
%vol.
3,0
13993
-
Íon Cloreto, máx.
mg/kg
1
10894/10895
D 512(7)
Teor de etanol, mín.
%vol.
95,1
-
D 5501
Íon Sulfato, máx.
mg/kg
4
10894/12120
-
Ferro, máx.
mg/kg
5
11331
-
Sódio, máx.
mg/kg
2
10422
-
Cobre, máx.
mg/kg
-
10893
-
CARACTERÍSTICA
Potencial
hidrogeniônico (pH)
Resíduo por
evaporação, máx.
Teste de Qualidade de
Combustíveis
Gasolina:
A) Cor e aspecto
B) Massa específica e temperatura da
amostra ou massa específica a 20ºC
C) Teor de álcool
Gasolina
Cor e Aspecto
a) expressar os resultados de aspecto
observados da seguinte forma:
I – Límpido e isento de impurezas;
II – Límpido e com impureza;
III – Turvo e isento de impurezas, ou
IV – Turvo e com impurezas.
b) expressar a cor visual.
Teor de Álcool na Gasolina
Material:
a) proveta de vidro de 100mL graduada em
subdivisões de 1ml com boca esmerilhada
e tampa;
b) solução aquosa de cloreto de sódio a
10% peso/volume (100g de sal para cada
litro de solução).
Teor de Álcool na Gasolina
Procedimento:
a) colocar 50ml da amostra na proveta previamente limpa,
desengordurada e seca, observando a parte inferior do
menisco;
b) adicionar a solução de cloreto de sódio até completar o
volume de 100mL, observando a parte inferior do
menisco;
c) misturar as camadas de água e amostra através de 10
inversões sucessivas da proveta, evitando agitação
enérgica;
d) deixar a proveta em repouso por 15 minutos de modo a
permitir a separação completa das duas camadas;
e) anotar o aumento da camada aquosa em mililitros.
Teor de Álcool na Gasolina
Teor de álcool na gasolina
Cálculo e Resultado:
a) V = (A x 2) + 1, onde:
V = Teor de álcool (AEAC) na gasolina, e
A = aumento em volume da camada aquosa
(álcool e água)
Teste de Qualidade de
Combustíveis
Álcool Etílico Hidratado Combustível –
AEHC
a) Aspecto e Cor
b) Massa específica e temperatura da
amostra ou massa específica a 20ºC
c) Teor Alcoólico
Teste de Qualidade de
Combustíveis
Diesel:
A) Aspecto e Cor
B) Massa específica e temperatura da
amostra ou massa específica a 20ºC