Capitulo VI.
GENERALIDADES SOBRE OS PROCESSOS DE COMBUSTAO NOS MOTORES
VI.1 Combustão de uma mistura homogênea. Observações gerais dos fenômenos.
Autoinflamaçao
Uma mistura homogênea de combustível e ar, em proporções estequiométricas, colocada em condições de
temperatura e pressão ambientes, não reage porque as velocidades reacionais de oxidação são lentas demais
para ser apercebidas. Si aumentamos a temperatura da mistura progressivamente, apareceram reações de
oxidação lenta que transformam os reativos iniciais em produtos intermediários de oxidação. A velocidade
global de reação, que pode ser observada pela velocidade de desaparição de um dos reativos, fica em todo
momento limitada e depois de passar por um maximo, diminui a medida que os reativos vão desaparecendo.
(Fig. VI.1)
Fig VI.1. – Evoluções esquemáticas da velocidade de reação duma mistura
Si levamos esta mistura a uma temperatura superior a um valor critico “Ti”, chamado temperatura mínima de
autoinflamaçao, inicialmente aparecem reações de oxidação lentas, e depois aparece subitamente uma
combustão viva, acompanhada de uma emissão de luz e da transformação quase instantânea dos reativos em
produtos de combustão.
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Generalidades sobre os processos de combustão nos motores
O tempo “δ” durante o qual o sistema deve ser mantido nas condições fixas de pressão e temperatura antes de
observar a inflamação e chamado atraso de inflamação, denominado muitas vezes também como atraso de
auto-inflamaçao. Este atraso corresponde ao tempo necessário para algumas prereaçoes de oxidação se
desenvolver na mistura; Estas reações, que são reações em cadeia, dão lugar a radicais líberos cuja
concentração alcança um valor critico no momento da autoinflamaçao.
A temperatura mínima “Ti” depende da natureza do combustível. Os valores das temperaturas de
autoinflamaçao no ar e a pressão atmosférica para diferentes combustíveis aparecem no Anexo VI.1 Para um
combustível dado, em mistura homogênea no ar, o atraso depende da temperatura, da pressão e da riqueza da
mistura, como é mostrado nas figuras VI.2 e VI.3 para um exemplo com (n.heptano + ar).
Fig. VI.2. – Evolução do atraso de autoinflamaçao em função da temperatura e da pressão para uma mistura
estequiométrica homogênea (n.heptano + ar)
Fig. VI.3. – Evolução do atraso de autoinflamaçao em função da riqueza
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Inflamabilidade e processos de propagação
Este processo de autoinfliamaçao pode se produzir em quase a totalidade da mistura, ou ao contrario, se
produzir só localmente, numa zona de pequeno volume para a qual as condições de temperatura, pressão e
concentração das espécies são reunidas. Denominamos este ultimo caso ignição. Esta ignição é normalmente
obtida na pratica a partir de uma centelha elétrica ou introduzindo na mistura um corpo quente ou gases
quentes. A partir deste ponto de ignição, si algumas condições relativas a composição da mistura o permite, a
combustão pode se propagar pelo intermediário de um frente de flamas, que separa em tudo momento a zona
dos gases frescos da zona dos gases queimados. Neste caso denominamos o sistema inflamável.
Fig. VI.4. – Limites de inflamabilidade no ar.
As composições extremas da mistura do ponto de vista da inflamabilidade, se situam a um lado e ao outro
lado da estequiométrica. (Fig. VI.4)
Estes limites, inferior “Li” e superior “Ls” dependem:
.
.
.
• Das condições de pressão e temperatura da mistura.
• Da natureza do combustível.
• Do grau de diluição da mistura por gases inertes.
O domínio de inflamabilidade de um combustível dado em presença de oxigênio e nitrogênio (ou de outro
diluente), e correntemente representado num diagrama ternário como o mostrado na figura VI.5.
Os limites de inflamabilidade são influenciados pelas condições praticas de realização do processo de
combustão, em particular aquelas relativas a ignição e a geometria do sistema no qual é efetuada
experimentalmente u industrialmente a combustão. Estes limites de inflamabilidade, aproximados devido as
diversas condições de medição experimental, assim como as dificuldades destas, são recolhidas para alguns
compostos no Anexo VI.2
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Fig. VI.5. – Limite de inflamabilidade do propano nas misturas O2 e N2.
A propagação da zona reagente criada pela ignição pode se fazer de forma diferente segundo a natureza inicial
da mistura. Si o combustível e o comburente estão intimamente misturados antes da ignição, a chama se chama
chama de premistura. No caso contrario, onde o fenômeno de propagação é em parte controlada pela
velocidade com a qual os reativos se difundem unos em direção dos outros, a chama é chamada chama de
difusão.
A chama de premistura pode, dependendo da natureza da mistura e as condições operatorias, se propagar a
velocidade subsônica, no caso de deflagrações, ou a velocidade supersônica no caso das detonações. Nos
motores, como veremos mais tarde, geralmente só intervem os fenômenos de deflagração, mesmo si
erradamente continuamos usando o termino detonação para falar do fenomeno de detonaçao (Knock em
ingles).
A propagação do frente de flamas é assegurada pela transferência de calor e a transferência de massa ou a
difusão das partículas ativas da zona quente de reação química em direção da zona dos gases frescos. Os fatores
aerodinâmicos existentes no sistema exercem uma grande influencia sobre a velocidade global da combustão.
Podemos observar diferencias notaveis dependendo de se a mistura combustível esta em repouso, em
escoamento laminar ou em escoamento turbulento., como na maioria das aplicações industriais como nos
motores. A aerodinâmica interna do motor – características do ecoulement criado pelas geometrias do circuito
da admissão e da câmara de combustão – joga um papel fundamental na combustão.
Nos motores alternativos são usados dois modos de combustão que tem diferencias no processo de inicio e de
propagação da combustão:
.
• Ignição por uma fonte de inflamação e propagação de uma deflagração no caso de um motor de
gasolina. É por isso que se denomina motor a ignição comandada.
.
• Autoinflamaçao do carburante no caso do motor Diesel.
Essencialmente diferentes, estes dois processos de combustão necessitam combustíveis de características
diferenciadas.
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VI.2. – Motor a ignição comandada.
A combustão é iniciada em uma ou varias zonas bastante localizadas da mistura (combustível + ar) por um
aporte externo de energia, num instante dado do ciclo, com um dispositivo de ignição.
A centelha provoca uma autoigniçao (T >> 300 k) a partir dos eletrodos da vela e com um atraso desprezavel
devido as temperaturas extremamente elevadas realizadas localmente. A partir desta fonte de inflamação, o
frente de flamas se propaga na mistura a uma velocidade de unas dezenas de metros por segundo, separando a
câmara em uma zona de gases frescos e uma zona de gases queimados (Fig. VI.6). Esta deflagração só pode se
propagar efetivamente se a mistura combustível é sensivelmente homogênea e se a sua composição inicial o
permite. A riqueza da mistura deve estar entre os limitas de deflagração correspondentes as condições de
pressão e temperatura existentes na câmara durante a combustão. Observaremos que, depois da ignição, a
combustão se efetua de forma autônoma e não pode ser modificada por uma intervenção exterior. É importante
evitar que uma autoinflamaçao incontrolada e brutal de toda ou duma fração da mistura se produzir antes do
final da propagação normal da chama na câmara de combustão (fenômeno de detonação Fig. VI.8.), o que
impõe ao carburante características particulares de resistência a autoinflamaçao as temperaturas alcançadas
pelos gases frescos durante a combustão. A velocidade de propagação do frente de flamas varia bastante com a
riqueza Φ da mistura; Passa por um maximo na zona próxima ou levemente superior a riqueza estequiométrica,
ela cai rapidamente duma parte e de outra , bastante rapidamente no caso de mistura pobre (Fig. VI.7.). Então,
para estar seguros de conseguir uma combustão completa, no momento ótimo do ciclo, no tempo disponível –
1
alguns milisegundos – e isto para todas as condições de funcionamento motor (regime, carga, etc...) e sejam
quais sejam as condições mais ou menos perfeitas de alimentação em mistura carburada (heterogeneidade
eventual da mistura, diferencia de riqueza entre os cilindros,...), a faixa de riqueza utilizável é limitada ao redor
da estequiométrica. Veremos que na pratica, esta riqueza fica entre 0,8e 1,3.
Nestas condições, sendo a energia calorifica especifica q* da mistura, como a riqueza, sensivelmente constante,
a carga do motor – ou a potencia desenvolvida a uma velocidade de rotação dada – só pode ser regulada
modificando o vazão de ar – então o vazão de mistura carburada – admitido.
Assim:
∗
q
Pi = nc.Mmélange.q .ηth = nc.Mair. . ηth
∗
te
q ou q≈ C
Potencia Indicada Pi variável
Mmistura ou Mair variável
Para um motor a ignição comandada, a borboleta, diretamente acionada pelo pedal de aceleração, atua sobre a
pressão de admissão para variar a massa de mistura introduzida em cada cilindro. Como veremos, esta
particularidade de regulagem, imposta pelo processo de combustão, tem incidências negativas importantes
sobre o rendimento indicado do motor (perdas devido as fases de transferência de gases ou perdas por
bombeamento– (Fig. VI.9) e sobre a própria combustão.
1
Para saber de memória a escala de tempo característica de um motor, lembremos que, para um motor de 4 tempos girando a 3000 rpm, (50
giros/segundo), a combustão num cilindro é repetida 25 vezes por segundo. O tempo do qual disponemos, a cada ciclo para provocar a
inflamação e assegurar a combustão completa e cifrada em milisegundos : 60 a 90 graus de rotação do virabrequim correspondem a 3 a 5 ms.
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Fig. VI.6. – Combustão normal num motor a ignição comandada.
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Estes inconvenientes podem em principio ser evitados sobre os “motores a carga estratificada” que serão
vistos mais tarde. Observaremos também que o limite de funcionamento em mistura pobre homogênea é
podido ser retrasado notavelmente sobre alguns motores depois de importantes pesquisas efetuadas neste
campo e este melhoramento de funcionamento nos motores a ignição comandada constitui sempre um objetivo
de progresso.
Fig. VI.7. – Influencia da riqueza da mistura sobre a combustão. (Evoluções relativas a velocidade de
combustão e da dispersão cíclica)
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Fig. VI.8. – Exemplo de diagrama de pressão com detonação intensa.
Fig. VI.9. – Regulagem da carga pela pressão de admissão. Perdas por bombeamento
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VI.3. Motor Diesel
Neste tipo de motor, a ignição é obtida, sem intervenção exterior, por “autoinflamaçao”, com a energia
aportada pela fase de compressão do ciclo que permite elevar a temperatura da mistura combustível acima do
valor critico Ti; Por isso o nome de “motor a ignição por compressão” dada algumas vezes aos motores
Diesel.
As características próprias dos motores Diesel são impostas com a necessidade de dar inicio a combustão por
este processo de autoinflamaçao, sejam quais sejam as condições de velocidade de rotação e de carga. Isto
conduze então a procurar um atraso de auto-inflamaçao mínimo, para ter um controlo suficientemente preciso
do instante de inicio da combustão.
Por isto é necessário em primeiro lugar adotar uma relação volumétrica de elevada (14 a 23/1) para obter em
final de compressão níveis de pressão e temperatura que permitam o inicio da auto-inflamaçao. (Fig. VI.10.).
Observemos que um motor deste tipo, alimentado com uma mistura homogênea de ar e de combustível poderia
teoricamente funcionar a um torque sensivelmente constante e a um regime dado. A sua estabilidade de marcha
não seria muito boa e a combustão realizada seria muito brutal. Para uma velocidade de rotação imposta, a sua
potencia não poderia ser regulada sobre uma faixa de regime suficiente. O controlo da admissão, limitando a
quantidade admitida de mistura homogênea de riqueza constante (como no caso de um motor a ignição
comandada), daria lugar a uma descida dos níveis de pressão e temperatura em final de compressão o qual não
permitiria assegurar uma autoinflamaçao regular (Fig. VI.2). Manter uma vazão de ar constante e a diminuição
da riqueza de uma mistura previamente carburada, que poderia ser relativamente homogênea, não permitiria
um correto funcionamento devido ao aumento grande demais do atraso de autoinflamaçao quando a riqueza
diminui (Fig. VI.3.)
Por isso este tipo de motores necessita usar um modo particular de introdução do combustível em forma
liquida, diretamente na câmara de combustão: É o que realiza o sistema de injeção.
Quando o combustível é injetado no ar contido na câmara de combustão e levado, devido a compressão, a uma
temperatura suficientemente elevada, temos uma pulverização, vaporização das gotas e difusão dos
componentes do combustível no ar. (Fig. VI.11).
Ao atraso de auto-inflamaçao de ordem químico, variável com a riqueza como se indico anteriormente,
temos que somar um atraso físico, que corresponde ao tempo de vaporização do combustível liquido.
A mistura (ar-carburante) assim realizada, essencialmente heterogênea, tem zonas de riqueza variável que vão
do combustível puro (Φ infinito) ao ar puro (Φ = 0).
E geralmente impossível saber em qual zona exata se iniciara a autoinflamaçao, mais, mediando uma
temperatura e uma pressão de ar suficientes em final de compressão, existe inevitavelmente num ponto da
câmara de combustão, uma mistura elementar de ar e de combustível propicia a autoinflamaçao rápida (Fig.
VI.12.)
Esta zona, onde se va a iniciar a combustão, pode existir seja qual seja a quantidade de combustível
injetada sob forma liquida, então, seja qual seja a “riqueza global” da mistura (combustível + ar).
Observaremos que, tendo em conta a diversidade de riquezas locais nos diferentes pontos da câmara de
combustão, so podemos falar de “riqueza global” (Φglobal); Esta, como para uma mistura homogênea, esta em
relação direita com a energia calorífica especifica da mistura, q*.
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Fig. VI.10. – Influencia da Relação Volumétrica de Compressão ε sobre as pressões e temperaturas de final de
compressão.
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Fig. VI.11. – Esquema da pulverização do jet de combustível na saída do injetor e a difusão combustivel-ar ao
redor duma gota.
Fig. VI.12. – Evoluções em função do tempo das riquezas locais e das temperaturas ao redor duma gota.
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Partindo desta zona inicial de inflamação, onde consideramos que a chama se desenvolve em premistura, e
com a energia liberada, a chama se estende depois por flamas de difusão ao resto do combustível presente na
câmara, que pode estar mais ou menos vaporizado ou num estado químico mais ou menos oxidado, assim como
ao combustível que continua a ser injetado depois do inicio da autoinflamaçao e pode assim modificar a
evolução da combustão.
As diferentes fases da combustão, em função da evolução da pressão no interior da câmara de combustão são
dadas esquematicamente na figura VI.13.
A “riqueza global“ maxima admisivel que assegura uma combustão completa é limitada por um valor bastante
inferior ao estequiométrico (Φ global < 0,85). Tendo ainda oxigênio disponível na câmara, a partir de uma
quantidade injetada, o combustível é queimado incompletamente produzindo fumaça preta.
Sobre este tipo de motor estamos em medida de realizar a regulagem da carga atuando sobre a quantidade de
combustível injetada, sem modificar o enchimento em ar, estando este constantemente mantido a seu valor
maximo de plena admissão.
Assim:
P = n .M . .η
i
air
q
c th
te
Mair ≈ C Potencia Indicada Pi variável
q (combustível injetado) ou Φglobale variável
Fig. VI.13. – Auto-inflamaçao e combustão num motor Diesel. Analise a partir do diagrama de pressão.
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Motor Diesel a injeção direta (“Direct injection – D.I. –Diesel Engine”)
.- Câmara de combustão única (ou câmara aberta)
.- (Diversas formas de pistão associadas a geometria do circuito de admissão para criar a turbulência)
-Injetor a buracos
.- Relações volumétricas: 15 a 17/1
.- Motores industriais e de tração ferroviária, marítima e estradal de cilindradas relativamente
importantes.
.- Aplicações em pequenas cilindradas para a tração automóvel cada vez mais numerosas.
Motores Diesel a injeção indireta ou a precamara (“Indirect Injection – I.D.I. –Diesel Engine")
.- Câmara de combustão em duas partes: precamara (ou câmara de turbulência) e câmara principal
comunicadas por um canal
.- (figura: Motor Peugeot, câmara tipo Ricardo Comet V)
-Injetor a “teton”
.- Relações volumétricas: 21 a 23/1
.- Pequenos motores de tração automóvel
Fig. VI.14. – Motores Diesel a Injeção Direita e a Injeção Indireta (ou precamara)
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Comparação dos dois tipos de motores: Ignição comandada e Diesel
Podemos então resumir, para os motores alternativos clássicos, os processos normais de combustão e sua
influencia sobre a concepção destes motores pelos esquemas seguintes:
MOTOR A IGNIÇAO COMANDADA
.
•
Combustão em mistura homogênea obtida por carburação previa, o carburante
(gasolina) esta vaporizado antes da combustão.
.
• Carburante facilmente vaporizavel e resistente ao fenômeno de detonação.
.
• Duração da formação da mistura ≈ 360 degV (≈ 50% do ciclo)
.
• Ignição por apartação exterior de energia.
.
• Combustão em premistura por propagação duma deflagração.
• A riqueza da mistura carburada fica em limites pequenos ao redor da estequiométrica: 0,9 –
1,2 (Φ = 1 imposto para o tratamento dos gases de escapamento por catalisador de três vias. Carga
regulada por variação da massa de mistura admitida.
Fig. VI.15. – Resumo do funcionamento do motor a ignição comandada
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MOTOR DIESEL
.
•
Combustão em mistura heterogênea resultante da injeção de combustível (Diesel) sob
forma liquida na câmara de combustão
.
• Combustível com tendência a autoinflamaçao
.
• Duração da formação da mistura limitada ≈40 – 50 degV (≈ 6 % do ciclo)
.
• Inicio da combustão por auto-inflamaçao
.
• Combustão em premistura e por flamas de difusão
.
•
Excesso de oxigênio sempre importante. Riqueza global maxima limitada por utilização
do ar (oxigênio) admitido, variável segundo os tipos de motores: Riqueza global 0,5 a 0,8
Carga regulada por variação da quantidade de combustível injetado A massa de ar admitida fica
sensivelmente constante
Fig. VI.16. – Resumo do funcionamento do motor Diesel
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Comparação dos dois tipos de motor: Ignição comandada e Diesel
A figura VI.17 resume de forma comparativa para os dois tipos de motores:
-As características de destilação dos carburantes leves – Gasolina e Diesel – utilizados em cada tipo de motor.
- Os limites impostos considerando a compressa, supondo esta isentrópica (γ = 1,3), do ar (ou da mistura) –
num plano pressao-temperatura – pelos fenômenos:
.
• A evitar: Detonação (Autoinflamaçao da mistura carburada ainda não queimada) que limita a relação
volumétrica de compressão ε a um valor critico (para um índice de octanos dado)
.
• A facilitas: Auto-inflamaçao do carburante (para iniciar a combustão) o que conduze a uma relação
volumétrica de compressão ε mínima do motor Diesel (para um Diesel com um índice de cetano dado)
Fig. VI.17. – Comparação das curvas medias de destilação gasolina/Diesel e das evoluções pressaotemperatura
em compressão para os dois tipos de motor.
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As condições de “riqueza local” e de temperatura em que estão as diferentes zonas da mistura durante a
combustão são muito diferentes devido aos processos de combustão.
Estas evoluções são esquematizadas na figura VI.18. para um motor Diesel (mistura heterogênea) e para um
motor a ignição comandada (funcionando em mistura homogênea a riqueza 1)
Observaremos que estas condições muito diferentes podem dar lugar, no caso do motor Diesel, a formação de
fuligem, que se não é oxidada durante a fase de expansão no interior do cilindro, pode sair com os gases de
escapamento e constitui uma limitação a utilização do ar admitido no motor e da riqueza global máxima a plena
carga.
Fig. VI.18 – Evoluções da riqueza local e da temperatura durante a combustão para os dois tipos de motor
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VI.4. Outros tipos de motores alternativos
Os dois tipos de motores vistos anteriormente são os mais comuns, mais existem alguns motores alternativos
baseados em processos de combustão intermediários.
Motor a carga estratificada
Nestes motores a mistura é voluntariamente “não homogênea”, e o enriquecimento localizado perto da fonte de
ignição permite a combustão de misturas globalmente pobres por propagação dum frente de flamas.
A investigação deste tipo de motores data de longe (1960), algumas tem conduzido a desenvolvimentos
avançados até a industrialização (Motor Honda CVCC) ou a ensaios sobre frotas de veículos.
Entre as numerosas tecnologias desenvolvidas podemos falar de:
.
•
Ford PROCO, TEXACO, ... baseadas sobre uma injeção direta na câmara de combustão, o
controlo dos movimentos do ar adaptados e uma sincronização injeçao-igniçao (Fig VI.19)
.
•
Honda CVCC (“Compound Vortex Controlled Combustion“), baseada sobre uma
estratificação da mistura numa câmara de combustão dividida (Fig. VI.20). A estratificação é realizada por
admissão da mistura carburada rica numa precamara, por um circuito adicional que tem uma terceira válvula, a
câmara principal é alimentada com ar não carburado ou uma mistura pobre.
O motor a ignição comandada a carga estratificada é hoje (1998) em pleno desenvolvimento. Esta se
beneficiando de progressos tecnológicos notáveis realizados estes últimos anos no campo da injeção direta de
gasolina. Também se apóia sobre:
.
•
Os novos conhecimentos no campo da aerodinâmica interna dos motores e das ferramentas
matemáticas de simulação preditiva utilizadas na parte de concepção do(s) circuito(s) de alimentação e da
câmara de combustão.
.
•
As potencialidades dos sistemas de controlo motor e de injeção gasolina devido ao progresso
da eletrônica automóvel.
A figura VI.21. da um exemplo de motor posto a ponto neste campo.
Observaremos que, nesta opção tecnológica, o domínio do estado físico da mistura carburada na câmara de
combustão depende notavelmente da duração da formação da mistura:
-Duração importante, por injeção no inicio da fase de admissão para obter uma mistura homogênea.
- Duração limitada, por injeção tardia durante a fase de compressão, para realizar a estratificação da mistura e
conservar uma riqueza local correta perto da vela.
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Fig. VI.19. – Principio de funcionamento do motor a carga estratificada Ford PROCO.
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Fig. VI.20. – Principio de funcionamento do motor Honda CVCC
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Fig. VI.21. – Principio de regulagem da carga sobre motor Toyota a carga estratificada.
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As características de funcionamento de um motor a carga estratificada ideal são resumidas aqui: MOTOR
CARGA ESTRATIFICADA IDEAL
.
• Combustão em mistura globalmente “não homogênea”
.• Carburante localizado na zona de ignição devido a:
.- Aerodinâmica interna controlada.
.- Injeção direta de gasolina
.
•
Ignição por aporte externo de energia (centelha)
.
•
Combustão por propagação de uma deflagração.
.
•
Carga regulada por variação da quantidade de carburante, o enchimento em ar fica
constante (como nos motores Diesel)
.•
A riqueza global varia entre
.-Φ (homogéneo) ≈ 1,2 a plena carga.
.-Φ (não homogêneo) ≈ 0,1 – 0,2 a vácuo.
Fig. VI.22. – Resumo do funcionamento dum motor a carga estratificada
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Anexo VI.1
Temperaturas de auto-inflamaçao no ar, a pressão atmosférica.
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Anexo VI.2
Limites aproximados de inflamabilidade no ar a pressão atmosférica e temperatura normal
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