Capitulo 6
Generalidades sobre os processos de
combustão nos motores
Eng. Julio Cesar LODETTI
Equação da Combustão
 A reação global de combustão “tenta” ser descrita através de
uma equação química, que leva em conta a composição inicial
da mistura dos reativos (Ar + Combustível).
 Na estequiometria, ela fica mais ou menos assim:
– CnHm + Ar => CO2 + água + N2 + entalpia de combustão.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
2
Equação da Combustão
 Vale lembrar que esta equação nem de longe leva em conta o
mecanismo real da combustão.
 Na realidade, a combustão em si, não é o resultado de uma única
reação química mas sim, uma sucessão de incontáveis (milhões)
reações elementares em cadeia.
 No final de uma combustão completa, o CARBONO e o HIDROGÊNIO
do combustível se combinam com o oxigênio para formar CO2 e H2O,
que são produtos saturados em oxigênio.
 O Nitrogênio, como de hábito, não reage com ninguém.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
3
Equação da Combustão
 Mas, no cotidiano de um motor, a composição desta “mistura
queimada” que sai no escapamento é SEMPRE muito mais
complexa do que está escrito na equação;
 Assim sendo, a combustão JAMAIS é completa quando da
realização de um ciclo termodinâmico em um motor;
 Isto pode ocorrer devido a uma falta local ou global de oxigênio,
ou por efeito de extinção da frente de chama nas paredes, e etc
.....
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
4
Equação da Combustão
 Se estas reações forem conhecidas, a composição final dos produtos de
combustão pode ser CALCULADA, em se supondo um equilíbrio termodinâmico
realizado, dentro de condições de pressão e temperatura dos gases observados
após a combustão;
 Na prática, levando-se em conta as baixas velocidades da maioria destas
reações, o estado real dos produtos está longe do equilíbrio, daí a presença de
POLUENTES na saída do escapamento.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
5
Equação da Combustão
E24 Brasil
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
6
13,5
Relação Ar/Combustível
 = 1 para uma mistura estequiométrica
 < 1 para uma mistura com excesso de ar ou mistura pobre (em combustível)
 > 1- para um mistura com excesso de combustível ou mistura rica, que resultará
em uma combustão
 Masse de combustible 


Masse d' air

 reel

 Masse de combustible 


Masse d'air

 stoechio
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
7
Relação Ar/Combustível
 O coeficiente de excesso de ar (Luftzahl) ou LAMBDA, tem origem nas
publicações alemãs e é igual ao inverso da riqueza.
A / F reel
Air  Fuel Equivalence Ratio 
A / F stoechio
1


Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
8
Combustão de uma mistura homogênea
Auto-inflamação:
 Uma mistura HOMOGÊNEA de combustível + AR, em
proporções estequiométricas, nas condições normais de
temperatura e pressão, NÃO REAGE.
 Ou pelo menos, para eufemizar a expressão, suas reações de
oxidação são tão lentas que é impossível de se perceber.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
9
Combustão de uma mistura homogênea
 Se a temperatura desta mistura começar a aumentar
progressivamente, aquelas reações de oxidação lentas,
começam a transformar os REATIVOS iniciais em produtos
intermediários de oxidação.
 A velocidade global da reação, ainda é lenta e, após passar por
um valor máximo, ela diminui devido a extinção dos reativos da
mistura.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
10
Combustão de uma mistura homogênea
 Entretanto, se esta mistura for posta a uma temperatura
SUPERIOR a um valor crítico “Ti ”, dita temperatura mínima de
auto-inflamação, àquelas reações lentas de oxidação lentas, se
transformam numa combustão VIVA.
 Os reativos transformam-se quase que instantaneamente em
produtos de combustão.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
11
Exemplo “acadêmico” de combustão de uma
mistura homogênea
 Evoluções
esquemáticas da
velocidade de
reação de uma
mistura.
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
12
Exemplo “pratico” de combustão de uma
mistura homogênea!!!!!!!
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
13
Delay de auto-inflamação
 O tempo “”, durante o qual este sistema deverá ser mantido em
condições fixas de temperatura e pressão, antes que aconteça a
inflamação, chama-se DELAI DE AUTO INFLAMAÇÃO.
 Este delai  corresponde ao tempo necessário para que certas “préreações” de oxidação se desenvolvam em cadeia e iniciem a
combustão.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
14
Delai de auto-inflamação
 A temperatura mínima “Ti” depende da natureza do combustível.
 Para um dado combustível, em mistura homogênea com o ar, o
delai  depende da TEMPERATURA, da PRESSÃO, assim
como da RIQUEZA da mistura.
 As figuras a seguir mostram isto:
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
15
Delai de auto-inflamação
A figura mostra 20 bar
que, o delay
40 bar
diminui se a
PRESSÃO do
sistema aumenta
a uma mesma
temperatura.
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
16
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 O processo de auto-inflamação pode ocorrer em quase toda a
zona que se encontra a mistura de reativos....
 ....ou então, em uma pequena região deste volume, onde as
condições de temperatura, pressão e concentração dos
reagentes estão reunidas.
 Neste caso, teremos a IGNIÇÃO!
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
17
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
18
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 Na prática, isto é o que mais acontece em um motor de
combustão interna onde, a IGNIÇÃO é dada por uma centelha
elétrica, ou introdução de um corpo quente (motor todo
carbonizado!!) ou de gazes quentes do escapamento (motores
do futuro).
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
19
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 A partir deste ponto ou momento de ignição, se as condições
relativas a mistura permitirem.....
– ...... A combustão poderá propagar-se passo a passo através
de uma FRENTE DE CHAMA, que separa a todo instante, a
zona de gases queimados da zona de gases frescos.
– O sistema é dito então, INFLAMÁVEL.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
20
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
21
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 A PROPAGAÇÃO desta zona reativa, criada pela ignição da
mistura, pode se realizar de diferentes maneiras. Mas acima de
tudo, ela depende muito da natureza inicial da mistura AR +
Combustível.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
22
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

Tipos de propagação de frente de chama:
1.
Chama de pré-mistura: Acontece se o combustível e o comburente
(ar, nitro, etc) são misturados ANTES da ignição. Ex: Motores a
ignição por centelha.
2.
Chama de difusão: Acontece quando o fenômeno de propagação é
em parte controlado pela velocidade na qual os reativos se
DIFUNDEM uns contra os outros. Ex: Motores a ignição por
compressão (Diesel).
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
23
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE DIFUSÃO - Diesel

Inicia-se sem intervenção interna, ou seja, origina-se por
auto-inflamação;

A energia fornecida na fase de compressão do ciclo
Diesel já é suficiente, pois a temperatura no interior
ultrapassa o valor crítico de auto-inflamação “Ti”;

O processo de início da combustão deve então ser bem
controlado afim de minimizar o delay de auto inflamação.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
24
Inflamabilidade e processo de
propagação de chama

A CHAMA DE DIFUSÃO
Foto: DELPHI.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
25
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE DIFUSÃO

O combustível então deve ser injetado diretamente dentro da
câmara de combustão;

Este é então pulverizado e depois vaporizado. Difundindo-se
assim, no ar comprimido no interior da câmara de combustão.

Um delay de auto-inflamação, de ordem química, que varia
conforme a riqueza, se soma ao delay físico que corresponde ao
tempo de vaporização do combustível líquido.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
26
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE DIFUSÃO

A mistura formada então, é essencialmente HETEROGÊNEA, e
comporta zonas de riqueza variável indo de combustível puro (R =
∞) ao ar puro (R = 0);

É impossível determinar o local da câmara que a auto-inflamação
dar-se-á início, porém, se for assegurado uma temperatura e
pressão suficiente no fim da compressão......

...inevitavelmente um ponto da câmara estará propício a dar início a
uma auto-inflamação rápida.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
27
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE DIFUSÃO

Partindo-se desta zona inicial de auto-inflamação, onde se
considera que a chama se desenvolve em PRÉ-MISTURA,
e graças a energia recém liberada, a combustão se estende
em seguida por chama de DIFUSÃO sobre o resto do
combustível presente na câmara.

....assim como o combustível que continua a ser injetado
após o início da auto-inflamação, pode-se daí, modificar o
desenrolar da combustão.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
28
Inflamabilidade e processo de propagação de chama
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
29
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE DIFUSÃO

Devido a grande variação “local” de riqueza dentro dos mais
variados pontos da câmara de combustão, pode-se somente
tratar a riqueza como “GLOBAL”;

A riqueza máxima que assegura uma combustão completa,
encontra-se na cada 0,85, ou seja, 15% de excesso em ar.

Mesmo que o combustível injetado encontre oxigênio suficiente
na câmara, a partir de uma certa quantidade injetada, este
queima incompletamente com a aparição de fumaça no
escapamento.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
30
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE DIFUSÃO

Sobre este tipo de motor, a regulagem da carga é feita pela
quantidade de combustível injetado, sem modificar o
enchimento de ar, que em estando constante, é mantido
sempre em seu valor máximo. Não tem borboleta!!
Pi  n c . M air . q.th
Mair  Cte
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
31
Exemplo de Chama de difusão:DIESEL
Fonte: AVL
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
32
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
A PROPAGAÇÃO DA CHAMA EM UM MOTOR A IGNIÇÃO POR
CENTELHA
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
33
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE PRÉ-MISTURA

Depende de uma fonte “externa” de energia para iniciar;

Ela pode, dependendo da natureza da mistura e das condições
operatórias do motor, se propagar em diferentes velocidades.

Se velocidade sub-sônica: DEFLAGRAÇÃO

Se velocidade super-sônica: DETONAÇÃO!
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
34
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A CHAMA DE PRÉ-MISTURA

MAS ATENÇÃO, se velocidade super-sônica é chamada
de DETONAÇÃO, não se deve confundir este termo com
o fenômeno de “batida de pino” ou “cliquetis” ou “knock”
para designar este fenômeno. Chamaremos então este
processo anômalo de Combustão Anormal ao longo do
curso.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
35
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A PROPAGAÇÃO DA CHAMA
=> Este fenômeno é assegurado pela transferência de
CALOR e MASSA ou, pela DIFUSÃO das partículas ativas da
zona quente (onde acontece a reação química) = = = > para a
zona de gases não queimados, mais conhecidos como gases
“frescos”.....
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
36
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A PROPAGAÇÃO DA CHAMA

Os fatores aerodinâmicos no sistema em combustão, exercem uma
influência MUITO importante sobre a VELOCIDADE global da
combustão.

Na prática, a mistura combustível em escoamento turbulento, é a
grande responsável pelo bom funcionamento dos motores.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
37
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A PROPAGAÇÃO DA CHAMA

Escoamento turbulento, mas como assim??

O escoamento turbulento é um agente que aumenta
drasticamente a mistura entre os gases “frescos” e os em
reação. Sendo assim, ele acelera em muito a combustão
dentro da câmara. Deste modo, o motor pode funcionar
acima de 2000 rpm!!
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
38
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A PROPAGAÇÃO DA CHAMA

Nos motores de F1 atuais, eles atingem 20.000 rpm. A
combustão não é ainda o fator que limita esta rotação.
Fonte: ifp.fr.
A foto mostra uma simulação da frente de um motor Peugeot V10 F-1
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
39
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A PROPAGAÇÃO DA CHAMA
1.
Devido a esta grande turbulência e outros fatores ligados ao
processo de combustão, a frente de chama não tem um
aspecto liso ou bem definido.
2.
Existem nas suas fronteiras, micro turbulências que
aumentam muito a superfície real da chama. Aumentando
assim o contato com os gases “frescos”.
3.
O FSR ou Flame Speed Ratio, é um índice que permite levar
em conta a turbulência encontrada na câmara de combustão.
Ele representa o aumento da superfície entre uma chama “normal”
e uma afetada pela turbulência interna.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
40
Inflamabilidade e
processo de
propagação de
chama
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
41
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 O F.S.R. depende da fase da combustão pois, a velocidade de
propagação da chama e a taxa de dissipação de energia, são
variáveis ao longo do processo de combustão. (cinemática
pistão/manivela)
 Nota-se no entanto que, a turbulência tem efeito maior quando a
fase de combustão já está plenamente desenvolvida.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
42
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 A evolução da velocidade é função:
– Da evolução da temperatura e pressão dos gases ONDE se propaga
a chama.
– Da modificação da turbulência na câmara devido a cinemática do
conjunto biela+pistão.
=> A velocidade no início da combustão é pequena. Podemos
supor ainda que o núcleo da combustão está se
movimentando sem ser deformado pela ação da turbulência
local.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
43
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 Para este núcleo, a verdade será ainda maior se suas dimensões forem
menores que as turbulências locais.
 Mas, quando a frente de chama alcança dimensões próximas aos níveis
de turbulência da câmara, esta irá agir e recortar toda a superfície de
frente de chama. A velocidade de propagação da frente de chama
dispara neste momento.
 Nesta fase, a velocidade depende mais da turbulência do que das
propriedades químicas da mistura.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
44
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A PROPAGAÇÃO DA CHAMA A AERODINAMICA INTERNA do motor, como a geometria
dos dutos de admissão, câmara de combustão, também
contribuem (ou não) para o aumento e propagação do
escoamento turbulento.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
45
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aerodinâmica Interna
Existem atualmente, basicamente 3 maneiras de se admitir a
mistura dentro dos cilindros. São elas:
1.
SWIRL
2.
TUMBLE
3.
SQUISH
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
46
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
A PROPAGAÇÃO DA CHAMA –
Aero.Int.1)
SWIRL -> Obtido com a
geometria dos dutos de
admissão.
Consiste na rotação da mistura em
torno do eixo central do
cilindro.
Mais comumente usada em motores
Diesel para veículos de
passeio.
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
47
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aero.Int.-2
O SWIRL melhora a combustão agindo sobre o aumento da velocidade de
queima e regularidade de funcionamento.
Também ajuda a aumentar a superfície média da frente de chama e
reparte melhor a região dentro da câmara.
Ruim no que tange as trocas térmicas com as paredes e rendimento
volumétrico.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
48
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
A PROPAGAÇÃO DA CHAMA –
Aero.Int.-3
Alcool/GASOLINA
Exemplo de soluções
DIESEL
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
49
Fonte: RAYNAL, B.
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
A PROPAGAÇÃO DA CHAMA – Aero.Int.-4
2) O TUMBLE: Estratégia de admissão da mistura que a coloca em
rotação, na forma de turbilhonamento, em um eixo perpendicular ao
eixo do cilindro.
Mais comumente usado em motores a ignição por centelha.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
50
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
 O TUMBLE é gerado também com a geometria dos dutos de admissão, do ângulo de
inclinação das válvulas e da lei de abertura de válvulas. O TUMBLE favorece em muito
o desenvolvimento da combustão.
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
51
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
3) O SQUISH: Terceira e última estratégia de “gerenciamento” da mistura.
Consiste numa forte turbulência gerida no momento oportuno. Por
exemplo, no momento da combustão e na vizinhança do PMH.
Permite aumentar a velocidade de combustão.
Pode entretanto destruir o SWIRL e o TUMBLE. Até apagar a faísca da
vela!
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
52
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama
3) O SQUISH: Terceira e última
estratégia de “gerenciamento” da
mistura.
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
53
Inflamabilidade e processo de propagação
de chama

A EXTINÇÃO DA CHAMA
Assim como tudo na vida, a chama nasce, se desenvolve, se
propaga e morre. Existem 3 maneiras dela morrer.
1.) Nascer morta (!) -> falha de ignição;
2.) Extinguir na vizinhança das paredes;
3.) Morrer aprisionada nos interstícios do sistema.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
54
Inflamabilidade e processo de
propagação de chama
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
55
A combustão em um motor a
ignição por centelha
Vimos até agora o processo de
combustão em si. Estudar-se-á
agora, como ele influencia o
comportamento de um motor a
ignição por centelha.
Fonte: howstuffworks.com
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
56
A combustão em um motor a ignição por
centelha
 Em um motor a ignição por centelha, a combustão é
desencadeada em UMA ou eventualmente VÁRIAS zonas muito
localizadas da mistura AR + Combustível.
 Existe então, um aporte de energia exterior, em um certo
instante do ciclo (ponto de ignição!!!) graças a um dispositivo de
centelhamento = = = > VELA
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
57
A combustão em um motor a ignição por
centelha
 Na verdade das verdades, o que acontece naquela pequena
região da centelha, é uma AUTO-INFLAMAÇÃO da mistura pois
a temperatura ao redor do arco voltaico é da ordem de 3000
graus! Bem acima então da “Ti” ou temperatura de autoinflamação.
 Devido a esta temperatura elevadíssima, o delay ‘” é
negligenciado.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
58
A combustão em um
motor a ignição por
centelha
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
59
A combustão em um motor a ignição por
centelha
 A partir de uma fonte de inflamação da mistura, uma frente de
chama ira então propagar-se normalmente na mistura.
 A velocidade de propagação é de algumas dezenas de metros
por segundo (30 a 40), separando então a câmara em 2 partes:
– Gases frescos e queimados.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
60
A combustão em um motor a ignição por
centelha
 MAS, MAS, esta deflagração só poderá efetivamente se
propagar, caso a mistura for sensivelmente homogênea e se a
composição inicial da mesma assim o permitir.
 Além da pressão e temperatura, a RIQUEZA tem então que estar
incluída nestes limites que regem a deflagração.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
61
A combustão em um motor a ignição por
centelha
 ATENÇÃO!!!!!! Porém, contudo, entretanto, basta que durante a
deflagração, UM ou mais pontos quentes se auto-inflamem para
o motor apresentar Combustão Anormal.
 O combustível então entra em cena, ele precisa ter
características particulares de resistência a auto-inflamação
(M.O.N) e às temperaturas atingidas pelos gases “frescos” no
decorrer da combustão.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
62
A combustão em um motor a ignição por
centelha
 A riqueza influencia a velocidade de propagação da chama.
 Nos motores, ela tem que estar próxima da estequiometria para se
garantir uma velocidade suficientemente rápida.
 A velocidade de combustão é máxima nas regiões entre riqueza 1 e 1,2.
 A velocidade cai bruscamente com riquezas baixas < 0,8.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
63
A combustão em um motor a ignição por
centelha
 Além da riqueza (a), outros parâmetros de regulagem, uso e
construção, sobre a combustão, influenciam a velocidade/propagação
da combustão. São eles:
b) Regime de rotação;
c) Rendimento volumétrico;
d) Avanço da ignição;
e) Características geométricas do motor como:
e.1) Geometria da câmara de combustão;
e.2) Taxa de compressão;
e.3) Aerodinâmica interna do circuito de admissão e câmara.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
64
A combustão em um motor a ignição por
centelha A) RIQUEZA
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
65
A combustão em
um motor a ignição
por centelha B)Regime de rotação
- - - 1000 rpm
----- 3100 rpm
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
66
A combustão em um motor a ignição por
centelha C) Rendimento volumétrico
– Se enchimento cai, pressão e temperatura
cai. Fração de gases queimados aumenta.
– Se carga motor muito baixa, combustão fica
muito lenta, aumenta números de ciclo sem
combustão, aumenta dispersão cíclica.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
67
A combustão em
um motor a
ignição por
centelha
D) Avanço da ignição
– Em 1, maior pressão de pico,
mas com muito avanço. Veja
que a combustão está
centrada antes do PMH.(faixa
verde)
– Já em 4, tem-se a melhor PMI
pois, combustão está bem
centrada.(vermelho)
PMH
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
68
A combustão em um motor a ignição
por centelha
E) Geometria
E.1.)da Câmara
-As paredes
devem ter o menor
contato possível com a
frente de chama,
4v/cil
2v/cil
-Câmara
compacta é bom então.
Posição central da vela
também.
Área frente chama
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
69
Área parede impactada
A combustão em um motor a ignição
por centelha
Twin spark
4v/Cil
E) Geometria
E.1.)da Câmara
-Influência da posição e
número de velas por cilindro em
função da área de frente de
chama e percurso percorrido na
câmara.
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
70
2v/Cil
A combustão em um motor a ignição por
centelha - 18
MNEMÔNICA
 Motor 4 Tempos;
– A 3000 rpm = 50 rotações por segundo
 25 combustões por segundo
–60 a 90 graus do virabrequim para acontecer a
combustão
»3 a 5 MILISEGUNDOS para ela acontecer!!!!!
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
71
A combustão ANORMAL em um motor a
ignição por centelha
Nem tudo são flores no caminho do progresso e
desenvolvimento dos motores.
Existe um fenômeno que nos persegue desde o começo e, pelo
que tudo indica, estará sempre presente na vida daqueles que
com os motores trabalham.
Este vilão chama-se KNOCK, ou cliquetis em Francês.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
72
A combustão ANORMAL em um motor a
ignição por centelha
Existem várias condições de funcionamento que podem
acarretar na aparição de KNOCK. São elas:
– Por ignição => mais freqüente.
– Paredes muito quentes;
– Depósitos incandescentes.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
73
A combustão ANORMAL em um motor
a ignição por centelha
Foto: NGK
A figura ilustra bem o momento em que surge a vibração de KNOCK
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
74
A combustão ANORMAL em um motor a
ignição por centelha - 3
 O KNOCK nada mais é do que a auto-inflamação de parte da mistura
composta pelos gases “frescos”.
 Esta auto-inflamação é praticamente uma explosão que gera:
– Forte aumento na pressão do sistema;
– Geração de ondas de pressão de choque na câmara que se
propagam a uma velocidade média de 900 m/s (!!) a uma freqüência
de 4000 a 8000 Hz.
– Geração de um ruído característico e facilmente audível.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
75
A combustão ANORMAL em um motor a
ignição por centelha
Um motor que por ventura
vier a funcionar por
alguns minutos com
KNOCKING, pode, devido
ao excesso de
temperatura gerado:
– Romper a junta de
cabeçote;
– Fusão do pistão;
– Fusão da câmara e
outros componentes
em contato com a
combustão.
Foto: J. Lodetti
Pistão de um motor Renault V6 bi-turbo de F-1. 1986
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
76
900 m/s
35 m/s
A combustão
ANORMAL em
um motor a
ignição por
centelha
X
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
77
!!
OK
O controle motor
 Exemplo de cartografia de riqueza em função da carga.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
78
A combustão em um motor a ignição por
centelha e Injeção Direta
 Com o passar dos anos e o advento da tecnologia, existem atualmente
motores que podem sim funcionar com baixas riquezas.
 Existem 2 tipos de motores:
– A injeção direta com carga estratificada (IDE, GDI,..)
– Motor a mistura pobre ou “lean burn”.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
79
Histórico – injeção direta
 1916: Alemanha – Junkers lança o primeiro motor a injeção direta em motores
aeronáuticos. Modelo Fo.2 de 6 cilindros horizontais;
 1930: Desenvolve-se muito a pesquisa em motores a injeção direta a gasolina;
 1937: Alemanha – é lançado o Daimler-Benz DB601, Junkers Jumo 210G e o
BMW 132 F. Todos para uso aeronáutico;
 1937: Um Messershmith Me 209, equipado com um DB601 sobre-alimentado e
com injeção de metanol, desenvolve cerca de 2100hp e alcança 755 km/h;
 1949: Alemanha – Desenvolvimento de motores DKW 2 tempos a injeção direta;
 1949: Estados Unidos – Texado desenvolve o primeiro motor a funcionar com
carga estratificada de combustível (Texaco Combustion Process).
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
80
Histórico - cont
 1954: Alemanha – Daimler-Benz lança a famosa 300SL, equipada com um
motor cilindros de 3.0 litros equipado com injeção direta e produzindo
220hp@5500 rpm;
 1960: Alemanha – MAN FM desenvolve motor a ignição por centelha com carga
estratificada baseado em um motor diesel;
 1970: Estados Unidos – Ford desenvolve também seu motor a carga
estratificada (PROCO);
 Décadas de 60 e 70: Desenvolvimento praticamente abandonado devido ao
advento da injeção eletrônica de combustível;
 Década de 90: Relançamento dos motores a injeção direta. Primeiro foi o
Mitsubishi GDi;
 Atualmente: Plena difusão de motores a injeção direta sobre-alimentados.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
81
História
Daimler-Benz 300SL Engine
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
82
Potencial de Ganho
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
83
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
Porque é mais eficiente??
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
84
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
Potencial de
Ganho
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
85
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta –
Potencial de
Ganho
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
86
Design
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
87
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
Motores a carga ESTRATIFICADA 2
Ar
Combustível
Foto: Renault
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
88
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
Fonte: BOSCH
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
89
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
 O primeiro construtor Europeu a lançar um motor a injeção direta
a gasolina foi a RENAULT. Este motor chama-se F5R IDE e foi
desenvolvido pela divisão Renault Sport.
 Atualmente, a maioria dos construtores já possui como opção,
ou já substituiu os motores a injeção no coletor de admissão por
um motor a Injeção Direta de Gasolina.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
90
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
Motores a carga ESTRATIFICADA
 Neste tipo de motor, a mistura Ar + Combustível é voluntariamente
NÃO HOMOGÊNEA.
 O enriquecimento LOCALIZADO na vizinhança da fonte de ignição,
permite uma combustão de mistura GLOBALMENTE POBRE.
 Com isto, se consegue funcionamento com riqueza GLOBAL entre 0,5 a
1,3 !!
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
91
Design – Carga Estratificada
Fonte: BOSCH/MTZ
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
92
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta – Carga Estratificada
Fonte: BOSCH
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
93
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
Motores a carga estratificada
As tecnologias mais empregadas hoje se apóiam:
1.
Nos novos conhecimentos no domínio da aerodinâmica interna
dos motores e nas ferramentas de simulação numéricas. Estas
últimas, são muito usadas no estágio de concepção dos
circuitos de alimentação e câmara de combustão. (SWRIL,
TUMBLE,...)
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
94
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
2. Nas potencialidades do
sistemas de controle
motor e de injeção de
combustível, graças
ao progresso da
eletrônica.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
95
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta

A próxima figura, mostra um motor a injeção direta, com
funcionamento em carga estratificada e homogênea atual.

Notaremos que o domínio do estado físico da mistura
admitida na câmara de combustão, está focada na
DURAÇÃO da formação da mistura.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
96
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
 Motor Mitsubishi G.D.I. (Gasoline Direct Injection)
Vídeo: AVL
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
97
Fonte: BOSCH/MTZ
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
1.
A forte carga: Combustível
injetado na fase de
admissão de ar. Modo
tradicional
2.
A baixas/médias cargas:
Injeção na fase de
compressão a fim de
estratificar a mistura e
manter riqueza correta na
vela.
Forte
Média/Baixa
Fonte: RAYNAL, B.
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
98
A combustão em um motor a ignição por
centelha Injeção Direta
Vantagens do funcionamento estratificado:

Redução em 10% das perdas por bombeamento;

Melhora em 5% do rendimento termodinâmico;

Temperaturas de combustão menores, logo redução de perdas
térmicas até 7%;

Admissão da carga de ar com temperaturas menores => aumento
na taxa de compressão de 10:1 para 12:1.

Potencial TOTAL de melhora no rendimento: 30%
Volvo Powertrain
Volvo Powertrain - Julio Lodetti
99
Motores Lean Burn
Volvo Powertrain
Volvo
Powertrain - Julio Lodetti
10
0
A combustão em um motor a ignição por
centelha CLÁSSICO
RESUMO
 Combustão em mistura homogênea, obtido por uma mistura prévia e
estando o combustível em estado vaporizado quando da injeção na
câmara de combustão
 Combustível facilmente vaporizável e resistente ao “knock”.
 Duração de formação da mistura: 360 graus (1/2 do ciclo)
Volvo Powertrain
Volvo
Powertrain - Julio Lodetti
10
1
A combustão em um motor a ignição por
centelha CLÁSSICO
RESUMO – cont.
 Ignição por aporte externo de energia;
 Combustão em pré-mistura através de uma propagação de uma
deflagração;
 A riqueza da mistura admitida fica dentro de limites estreitos em
torno da estequiometria => ( de 0,9 a 1,2).
Volvo Powertrain
Volvo
Powertrain - Julio Lodetti
10
2
A combustão em um motor a ignição por
centelha...
... NÃO TÃO CLÁSSICO
Volvo Powertrain
Volvo
Powertrain - Julio Lodetti
10
3