Sobre a Combustão

Por | 1 de abril de 2016

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O processo de combustão exige a presença de um combustível e de um comburente.

Os combustíveis podem ser classificados convenientemente em:

1 – sólidos. Ex.: carvão

2 – líquidos. Ex.: hidrocarbonetos (CxHy) e os álcoois (CxHyOz), onde os índices x, y e z podem ter muitos valores diferentes.

3 – gasosos. Ex.: gás natural

O comburente é o elemento que reage com o combustível para provocar a combustão. No nosso processo, o comburente será o oxigênio (O2).

O ar atmosférico tem a composição volumétrica de 20,99% de oxigênio, 78,03% de nitrogênio (N2), um pouco menos de 1% de argônio, com pequenas quantidades de diversos gases inertes como o vapor de água, o dióxido de carbono, o hélio, o hidrogênio e neônio. Na maioria dos cálculos de engenharia química, é em geral suficientemente exato incluir todos os gases inertes no nitrogênio e usar a composição 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio.

O ar atmosférico será então o nosso fornecedor de oxigênio para o processo de combustão. O resultado dessa queima, além da energia liberada que nos interessa temos:

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Para simplificar o nosso estudo, tomaremos como exemplo o metano (CH4) por ser um combustível de fórmula química simples. Deste modo:

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Entretanto, como dissemos anteriormente, ao admitirmos oxigênio, admitiremos também o nitrogênio na proporção de 79/21 ou 3,76/1, o que nos possibilita reescrever a equação anterior:

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Nestas condições, onde as proporções entre os reagentes são exatamente as que fazem o número de moléculas do oxidante suficiente para provocar a reação completa até as formas moleculares estáveis dos produtos, diz-se que as proporções são estequiométricas.

 

RELAÇÃO AR-COMBUSTÍVEL (RAC)

Pela tabela 1 podemos calcular a massa molecular de cada uma das partes: combustível = 12 do carbono + 4*1 do hidrogênio = 16g/mol
ar = 2*(16 do oxigênio*2 + 3,76*14 do nitrogênio*2) = 274,56g/mol

Divindo agora a massa de ar pela massa de combustível, temos: 274,56/16 = 17,16g/g

Isso significa que necessitamos de 17,16g de ar para queimarmos 1g de metano numa reação estequiométrica.

Combustão - tabela de elementos químicos

Cada combustível possui a sua relação ar- combustível teórica. Alguns exemplos podem ser verificados na tabela 3.

Onde isso pode nos ser útil?

Se RAC = mar/mcomb, podemos dizer que a massa de combustível pode ser calculada a partir do conhecimento do combustível que está no reservatório (RAC) e pela medição da quantidade de ar que está sendo admitida.

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É exatamente deste estudo que vai nos facilitar o enten-dimento dos motores flex e também a necessidade de possuirmos sensores de pressão absoluta, temperatura do ar, medidores de massa de ar ou de fluxo de ar, etc.

[divide]

MISTURA POBRE

Continuando os nossos estudos, multipliquemos a equação da reação do metano por 10. Ou seja:

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Agora admitamos a possibilidade de termos 22 moles de oxigênio e não 20 como nos exige a relação teórica ideal:

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A relação ar-combustível nessa situação ficou com o seguinte resultado:

RAC = 22*137,33/10*16 RAC = 18,88

Perceba ainda a presença de oxigênio nos produtos (O2).

MISTURA RICA

Admitamos agora uma quantidade menor de oxigênio. Por exemplo, 18 moles:

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Recalculemos a RAC. RAC = 18*137,33/10*16 RAC = 15,45

Além da RAC desta mistura ser menor do que a RAC da mistura estequiométrica, você percebeu a presença de monóxido de carbono (CO) no resultado da nossa queima?

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Recalculemos a RAC. RAC = 18*137,33/10*16 RAC = 15,45

Além da RAC desta mistura ser menor do que a RAC da mistura estequiométrica, você percebeu a presença de monóxido de carbono (CO) no resultado da nossa queima?

[divide]

FATOR LAMBDA

Para facilitar os nossos estudos, definiremos razão de equivalência simbolizado pela letra grega lambda (λ), como sendo a relação entre o real (pobre ou rico) e o ideal (estequiométrico). Trazendo o nosso exemplo:
λ1= RACpobre / RACideal → λ1= 18,88/17,16 = 1,1
e
λ2= RACrico / RACideal → λ2= 15,45 / 17,16 = 0,9

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De onde podemos concluir que para λ>1 temos mistura pobre e para λ<1 temos mistura rica. Independentemente do combustível que estivermos analizando. Podemos concluir também que teoricamente teremos Rica um residual de oxigênio quando a mistura for pobre e monóxido de carbono quando a mistura for rica.

Na prática, existem fontes inevitáveis de erro para toda esta teoria e teremos na composição dos gases de descarga CO, CO2, HC (hidrocarbonetos), H2O, O2, NOx (óxidos de nitrogênio) e outros gases. Entretanto poderemos perceber claramente a influência da relação ar combustível na formação, em excesso ou não, de cada um desses gases e ainda, poderemos avaliar o desempenho do motor (consumo, torque e potência) em função da razão de equivalência.

Esse estudo, portanto, será de suma importância para a engenharia que deseja obter o máximo de desempenho do motor com o mínimo de emissões de poluentes.

Dando continuidade aos nossos estudos, observe nos gráficos de um motor do ciclo Otto a influência do fator lambda e do avanço de ignição no torque, consumo específico e emissão de poluentes.

Você vai observar uma grande influência destes dois fatores, mistura e avanço em todos fatores de estudo. Além disso, podemos avaliar a possibilidade de um fator compensar a deficiência do outro. Por exemplo, aumentar o avanço de ignição para compensar a perda de torque se desejarmos trabalhar com a mistura muito pobre.

 

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Antes do problema ambiental, os motores eram projetados para trabalhar com a mistura rica, buscando principalmente o ponto de torque máximo. Ocorre que nesta condição, além do consumo mais elevado, temos grandes taxas de emissão de hidrocarbonetos e monóxido de carbono.

A solução encontrada foi buscar um controle que permitisse buscar a mistura estequiométrica, ou seja, trabalhar com λ=1, ainda que nesta situação tenhamos o prejuizo de uma elevação da taxa de emissão de NOx. Esta solução verificou-se bastante adequada a partir da utilização do gerenciamento eletrônico do motor com sonda de oxigênio e catalisador na descarga.

 

A concepção do controle é bastante simples:

a) Mede-se a massa de ar;

b) Calcula-se a massa de combustível a ser injetada: mcomb = mar / RAC

c) Tendo uma linha de combustível pressurizada e tendo como base fixa toda a geometria do injetor de combustível, a massa de combustível a ser injetada dependerá somente do tempo em que o injetor permanecerá na condição aberta. O sistema deverá então calcular o tempo de injeção necessário para debitar no coletor a quantidade de combustível calculada.

d) Para a marcha-lenta, coloca sob o controle da central um ajuste fino da quantidade de ar admitida. Sendo a rotação elevada, a central deverá diminuir a quantidade de ar e consequentemente a quantidade de combustível, fazendo a rotação baixar. Sendo a rotação baixa ou necessitando compensação devido a entrada de outras cargas, como por exemplo o compressor de ar condicionado, a central procede de forma inversa, aumentando quantidade de ar, de combustível e a rotação.

e) Para emissões, insere-se um sensor de oxigênio na descarga. Sendo o resultado da mistura com excesso de oxigênio, entende-se que na admissão faltou combustível e no ciclo seguinte dever-se-á corrigir isso aumentando o tempo de injeção. Sendo o sinal deste sensor indicativo de falta de oxigênio, conclui-se que a quantidade de combustível na admissão fora demasiada e o cálculo do próximo tempo de injeção deverá ser corrigido de um fator que diminua a quantidade de combustível.

f) Para outras situações, como por exemplo, motor frio, partida, aceleração rápida, desaceleração ou outra qualquer, o sistema vai exigir que tenhamos componentes capazes de informar à central para que esta possa determinar segundo uma estratégia definida qual a forma de controle em cada uma.

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