Capitulo IX

RELAÇOES ENTRE RIQUEZA, TEMPÉRATURA E COMPOSIÇOES DOS GASES DE COMBUSTAO

No Caso mais geral, a mistura reativa num motor é composta por: .1- O carburante presente na câmara de combustão .2- O ar admitido pelo motor é aprisionado na câmara, sendo o seu estado higrométrico dependente das condições ambientes. .3- Uma proporção variável de gases queimados reciclados; estes gases correspondem aos gases residuais provenientes do ciclo anterior (reciclagem interna) aos quais podemos somar uma certa taxa de gases de escapamento reciclados ate a admissão por um dispositivo de recirculação de gases de escapamento (reciclagem externa).

Podemos eventualmente ter em conta uma pequena quantidade de óleo que pode passar a traves da segmentação ou ser introduzida no motor pelo circuito de blow-by e ser queimada na câmara de combustão. Este consumo de óleo pela combustão será desprezada no que segue, assim como a presença de impurezas no carburante o no ar comburente.

A reação química que transforma os reativos em produtos queimados pode em todos os casos se escrever baixo a forma duma “equação de combustão”, baseada num balance das espécies químicas presentes e cujo caso estequiométrico foi já presenteado no capitulo III.

A resolução da equação de combustão, tendo em conta a relação entre os gases queimados e a sua temperatura permite: ←• Conhecendo a natureza dos reativos, calcular a composição dos produtos de combustão tendo em conta a sua temperatura. ←• Inversamente, determinar a riqueza duma mistura combustível a partir dos resultados dos

analises dos gases de escapamento (Capitulo XII). Assim como

• Calcular a “temperatura de combustão” ou, mais precisamente. Para uma mistura combustível, a temperatura alcançada pelos gases de combustão no caso de ausência de perdas térmicas (temperatura adiabática de chama).

• Calcular o calor efetivamente liberado pela combustão, indispensável para determinar o rendimento de combustão e estabelecer o balance térmico do motor.

Nos casos complexos, esta resolução necessita da posta em pratica de métodos de calculo informático. Os princípios de esses cálculos, assim como os resultados obtidos serão presenteados aqui. A partir de algumas hipóteses, os métodos aproximativos, que usam equações simplificadas permitem abordar os objetivos anteriores, particularmente associar a uma mistura de riqueza conhecida uma composição dos gases queimados que poderá ser comparada aos resultados dos analises praticados sobre gases arrefecidos a temperatura ambiente.

IX.1 Calculo da composição dos gases de escapamento

Os produtos da combustão completa duma mistura constituída de hidrocarburo(s) e ar, em proporções estequiométricas, são CO2 e H2O diluídos no Nitrogênio do ar que foi usado nesta combustão (Cap. III). Esta combustão, que transforma o hidrogênio e o carbono do carburante unicamente em produtos de oxidação completa, só tem lugar muito poucas vezes. Nos acercamos no caso de misturas pobres (Φ < 1), para as quais o oxigeno se encontra em excesso.Nas misturas ricas (Φ > 1), falta oxigeno para assegurar a combustão total; Alem de CO2 e H2O obtemos também produtos não oxidados ou resultantes duma combustão incompleta como: H2, hidrocarburantes não queimados, CO,... Em presença do O2 não usado. IX.1.1 Calculo da composição dos gases de escapamento (Combustão ideal) [segundo d'ALLEVA (B.A.)

Procedure and charts for estimating exhaust gas quantities and compositions. Research Laboratories General Motors Corp. - GMR 372 May 1960]

Consideremos um carburante composto unicamente de carbono e hidrogênio, de formula CHY, onde Y é a relação entre o numero de átomos H/C. A molécula deste carburante pode ser representada como (CHY)n, na qual, para um carburante complexo, “n” não é geralmente conhecido. Vamos ver que as relações entre a riqueza da mistura carburada e a composição dos produtos de combustão só fazem intervir o parâmetro Y.

Si desprezamos os gases queimados reciclados, admitindo que:

0• O ar de combustão é seco e a sua composição é igual a: 120,9 % de O2 e 79,1 % de N2

Isto é, uma relação de numero de moles N2 / O2 igual a 3,785.

←• Os gases de escapamento não contem nenhum dos constituintes seguintes: Hidrocarbonetos não queimados, fumos, carbono libero, aldeídos, óxidos de nitrogênio (o nitrogênio do ar suporemos que atravessa a câmara de combustão sem transformações), ...ou outras espécies que podem ser produzidas a partir de reações de dissociação molecular a altas temperaturas.

A equação química de combustão do hidrocarboneto CHY no ar se escreve baixo uma forma geral:

,

CHY + A . ( O + 3 785 N2 )→ aCO 2 + bH O + cCO + dH2 + eO 2 + gN2 (9 − 1)

2 2

e tendo em conta as equações de balance dos diferentes elementos: C, H, O e N

CHY + A O 2 + 3785 N 2 )→ aCO +( 1 − a CO + bH O +( − bH2

( ,2 ) )

2

⎛ 1− ab ⎞

+ ⎝⎜ Aa − 2 − 2⎠⎟ O2 + 3 785. .

− , A N 2 (9 − 2)

Observaremos que considerar a formula completa do carburante (CHY)n é igual que multiplicar por “n” os coeficientes de todos os términos da equação 9-1 (ou 9-2), o que não modifica as concentrações dos diferentes corpos.

Em condições de combustão ideal, isto é: consumo total por um lado, do oxigeno em mistura rica e por outro lado, do carburante em mistura pobre, o que supõe uma mistura perfeitamente homogênea e de composição constante na entrada da câmara de combustão, eliminando deste modo os efeitos dum mal reparto do carburante entre os cilindros ou no interior mesmo dum cilindro.

Na estequiométrica (Φ =1), como vimos no capitulo III, A é igual a (1 + Y/4). Sendo os únicos componentes dos gases de escapamento CO2 e H2O, temos então:

a = 1 e b = Y/2

⎛ Y ⎛ Y ⎞

CHY + ⎝⎜ 1 + ⎠⎟ .( O + 3785 N 2 )→ CO 2 + Y . HO + 3785. ⎝⎜ 1 + N 2 (93)

4 2, 22, 4 ⎠⎟ −

Em mistura pobre (A > 1 + Y/4), sendo também os produtos de combustão completa CO2 e H2O, temos:

a = 1 e b = Y/2

Sendo o numero de moles de O2 residual igual a (A – 1 – Y/4)

⎡ Y ⎞⎤

.( , 22 ⎣⎛

4 ⎦, A N 2 (9 − 4)CHY + A O 2 + 3785 N2 )→ CO 2 + Y . HO +⎢ A − ⎝⎜ 1 + ⎠⎟⎥ O2 + 3785. . Em mistura rica (A < 1 + Y/4), os gases de combustão não contem O2 residual mais simultaneamente CO2, CO, H2 e H2O. As concentrações relativas destes últimos corpos dependem das condições de temperatura, durante o ciclo, e seguem a equação de equilíbrio:

CO2 + H2 ⇔ CO + H O (95)

2 −

As experiências realizadas sobre numerosos motores e para condições de funcionamento variadas mostram que praticamente a composição dos gases medida no escapamento corresponde a uma “fixação” da reação de equilíbrio anterior a uma temperatura perto dos 1700 K, o que leva a um valor da constante de equilíbrio:

[ CO] . [ H O ]2

,,

K =[ CO2 ] . [ H2 ]≅ 35 à 38 (9 − 6)

Assim, com esta reação suplementaria:

( 1 − ab

) .

K = Y − b)

a . ( 2

É possível (por resolução duma equação de segundo grau que da o numero de moles de CO2 (a), que não será detalhada aqui) determinar os valores de “a” e “b” que satisfazem a equação de combustão em mistura rica.

Em todos os casos, a riqueza é dada por:

⎛ Y ⎞ 14 + Y

Φ= ⎝⎜ 1 + . =

4 ⎠⎟ AA

O conjunto das reações anteriores permite assim, para diferentes carburantes (1≤ Y ≤ 4 ) determinar em função da riqueza Φ , para um valor constante de K, normalmente admitido na pratica :

K = 3,8

←• A massa molar media dos gases de escapamento úmidos (água não condensada) (Fig IX.1). ←• O ponto de orvalho destes gases sob uma pressão total de 1013 mbar (Fig IX.2).

Para um carburante de formula CH1,75, composição perto de aquela dos carburantes comerciais atuais,as relações entre a composição dos gases de escapamento e a riqueza, calculadas nestas condições, são dadas aqui em forma de gráficos:

.1• Para os gases úmidos (as quantidades e composições são só validas para temperaturas dos gases superiores ao ponto de orvalho da mistura para a pressão considerada): .2- Sob uma base molar (moles de constituintes / g de carburante consumido) (Fig. IX.3) .3- Sob uma base mássica (g de constituintes / g de carburante consumido) (Fig. IX.4) .4- Em concentrações volumétricas (% volume) (Fig. IX.5) .5- Em concentrações mássicas (% massa) (Fig. IX.6) ←• Para gases secos (vapor de água eliminada)

- em concentrações volumétricas (% volume) (Fig. IX.7), valores particularmente úteis quando os analises dos gases de escapamento são dados em base seca, como acontece freqüentemente.

Relação entre as concentrações volumétricas em base seca (Xs) e em base úmida(Xh)

A partir dos anteriores cálculos, esta relação é evidente conhecendo o numero de moles de água nos gases de combustão e si admitimos que toda a água é eliminada.

Si ntot representa o numero total de moles de gases de combustão úmidos, e nH2O o numero de moles de água, para um composto X qualquer, as concentrações em base seca e em base úmida são dadas por:

Xh X −nH O )

[]= nX et []s =(n nX ntot tot 2

Influencia da natureza do carburante

As figuras IX.8 e IX.9, que correspondem a carburantes de composições extremas (por exemplo benzeno) e (metano), mostram a influencia da relação H/C sobre a composição dos gases de escapamento em função da riqueza da mistura carburada.

IX.1.2 – Toma em conta dos gases queimados reciclados na mistura reativa

O processo de combustão neste caso é o seguinte: Carburante + Ar + gases queimados reciclados →

Produtos de combustão

Fig IX.10 – Reciclagem interna e externa dos gases queimados

Observaremos, conforme ao esquema dado pela figura IX.10, que: ←• A reciclagem não modifica o balance de matéria entre a admissão 1 e o escapamento 4 ←• A composição dos gases é a mesma em 3 e em 4 ←• Para uma regulagem dada de admissão, a reciclagem modifica a massa de ar aspirado pelo motor. A equação geral de combustão pode ser escrita como:

pp CHY + A O 2 + 3785 N 2 ) +∑n' k . Xk →∑n" k . Xk

.( , k =1 k =1

Onde os gases queimados e os gases reciclados são representados por “p” constituintes Xk com respectivamente os números de moles: n"k para os gases de escapamento e n'k para os gases reciclados. Estes gases reciclados podem ser caracterizados pelas suas frações molares em relação aos reativos:

nombre de moles de gaz recyclés

xr =

nombre de moles de réactifs

O seja:

p n' k k =1

xr = p 1 + A., ∑n' k

3 785 + k =1 O calculo dos 2p valores dos números de moles n'k e n"k pode ser feito calculando, com as mesmas hipóteses que anteriormente, os p valores nk dos produtos de combustão desprezando os gases reciclados. Temos então:

←• p relações do tipo : n"k - n'k = nk

'

0• (p-1) relações independentes n kn" k =cte expressando o feito de que os gases reciclados e

1os produtos de combustão tem a mesma composição química. ←• A relação anterior suposta conhecida expressando a fração total dos gases reciclados (reciclagem interna e externa)

O seja un sistema de 2p equações para as 2p incógnitas.

IX.1.3 – Combustão real e composição dos gases de escapamento.

Os analises dos gases de escapamento dos motores mostram que, ao contrario do caso ideal visto anteriormente, encontramos nos produtos de combustão:

- Restos de O2 em misturas ricas e produtos incompletamente queimados como CO em misturas pobres, cuja presencia simultânea é devida eventualmente aos defeitos da preparação da mistura carburada ou, sobre um motor multicilindro, as diferencias de riqueza entre os cilindros, quando o analise é sobre o fluxo global dos gases de escapamento. Na zona de riqueza perto da estequiométrica, as evoluções das quantidades de O2 e CO estão então perto de curvas continuas, como os traçados em pontos representados na figura IX.7, sem ponto anguloso característico para a riqueza 1.

.1- Hidrocarbonetos não queimados sejam quais sejam as condições de funcionamento do motor. Observaremos que o carburante que não participa a combustão se encontra nos gases de escapamento só formas de hidrocarbonetos de naturezas muito diferentes e não necessariamente idênticas aos hidrocarbonetos iniciais constituintes do carburante. A figura IX.11 mostra um exemplo de analises por cromatografia do carburante (indoleno) e dos hidrocarbonetos não queimados medidos no escapamento dum motor a ignição comandada. .2- Óxidos de nitrogênio resultantes de reações a temperaturas elevadas durante o processo de combustão. .3- Outros compostos podem aparecer por reações a altas temperaturas, durante a combustão, e em composições fora do equilíbrio termodinâmico quando os gases se arrefecem.

IX.2. Calculo da composição dos gases de combustão no equilíbrio. Temperatura adiabática de chama.

Quando a temperatura aumenta, temos que ter em conta diferentes fenômenos para calcular a composição

real dos gases de combustão e a temperatura alcançada pelos gases durante o ciclo.

.1- Aumento dos calores específicos das moléculas poliatômicas, sobre tudo das moléculas como CO2 e H2O (Fig IX. 17); A energia absorvida por uma molécula é em efeito relacionada aos graus de liberdade possíveis em translação, rotação e oscilação dos átomos que compõem a molécula. .2- Modificação do calor especifico dos gases poliatômicos pelos efeitos da dissociação a temperaturas elevadas. Em efeito, a oscilação dos átomos numa molécula aumenta com a temperatura; No momento em que a separação entre dois átomos ou grupos de átomos é máxima, a energia potencial realizada pode superar o valor limite devido as forças de coesão da molécula. Num mole de gás, uma certa proporção va se dissociar. O calor molar será assim aumentado duma quantidade igual ao calor de dissociação correspondente, que corresponde a uma reação endotérmica.

As seguintes figuras mostram estes fenômenos e presentão resultados de composições e temperaturas dos gases queimados obtidos seguindo técnicas de calculo obtidas com outros métodos.