Nos MCI-IC existem dois sistemas possíveis para doseamento da mistura: os carburadores e os sistemas de injeção. Estes últimos permitem dosear com muito mais rigor que os carburadores a quantidade de combustível a injetar, pelo que a necessidade de boas prestações, combinada com as exigências restritivas sobre emissões e economia de combustível, “tornaram obrigatório” o seu uso. Uma vez que o foco do presente trabalho são as tecnologias mais recentes, consideram-se exclusivamente os sistemas de injeção.
A relação ar/combustível (A/F) quimicamente correta para se queimar a totalidade de combustível, utilizando todo o ar, é denominada “estequiométrica”, (A/F)est. No caso da gasolina, essa relação é cerca de 14,5 partes de ar para 1 parte de combustível (em massa), Martins (2016)6, p. 140. Se for utilizado menos combustível, a mistura é “pobre” e há uma perda de potência. Se for utilizado mais combustível, a mistura é designada como “rica” e nem todo o combustível é queimado, originando um aumento da emissão de hidrocarbonetos não queimados nos gases de escape.
O coeficiente de excesso de ar (λ) indica a relação entre a massa de ar admitido e aquela que corresponde à da relação estequiométrica:
λ = 𝐴/𝐹
(𝐴/𝐹)𝑒𝑠𝑡=
(𝐹/𝐴)𝑒𝑠𝑡
𝐹/𝐴 (2.17)
A razão de equivalência (ou “riqueza da mistura”) (Φ) é o inverso do coeficiente de excesso de ar: Φ = 1 𝜆 = (𝐴/𝐹)𝑒𝑠𝑡 𝐴/𝐹 = 𝐹/𝐴 (𝐹/𝐴)𝑒𝑠𝑡 (2.18) Portanto:
• para uma mistura estequiométrica: λ = 1, ou Φ = 1; • para misturas ricas: λ < 1, ou Φ > 1;
• para misturas pobres: λ > 1, ou Φ < 1.
6 Outros autores referem valores diversos para a relação estequiométrica ar/gasolina. e.g.: Taylor (1985) p.
47, refere 14,97; Heywood (1988) p. 280, toma 14,6 como valor típico, referindo que a maioria das gasolinas têm uma relação A/F entre 14,4 e 14,7, no entanto podendo variar entre 14,1 e 15,2; Ferguson e Kirkpatrick (2016) p. 78, refere 15,27.
A maior parte dos MCI-IC a gasolina de carga homogénea permite a utilização de relações ar/combustível, A/F ≥ 9/1 (ou λ ≈ 0,6, ou Φ ≈ 1,6) (limite de mistura rica) e λ ≤ 19/1 (ou λ ≈ 1,3, ou Φ ≈ 0,76) (limite de mistura pobre). Para se obter o maior rendimento (mínimo consumo) a relação A/F deve rondar os 16/1 (λ ≈ 1,10) e para obter a maior potência, deverá ser cerca de 13/1 (λ ≈ 0,86), Martins (2016) p. 140.
Deve ser feita uma distinção entre combustão completa/incompleta e perfeita/imperfeita. Para
λ ≥ 1, o combustível poderia, em princípio, ser queimado completamente, i.e., a sua energia
poderia ser totalmente convertida em energia térmica. No entanto a distribuição não totalmente homogénea do oxigénio em todos os pontos, durante todo o processo de combustão, impede a perfeita conversão da energia. Para valores de λ < 1, o oxigénio é insuficiente e a combustão é imperfeita, para além de incompleta, Merker et al. (2012) p. 29. A Figura 2.9 apresenta o rendimento da conversão de energia química do combustível em energia térmica (também referido por rendimento de combustão), em função de λ.
a – Perda por falta de oxigénio, implicando obrigatoriamente combustível não queimado; b – Perda por combustão
incompleta;
c – Perda por combustão imperfeita (exemplo: dissociação).
Figura 2.9: Rendimento de conversão da energia química do combustível em energia térmica, em função de λ.
Adaptado de Merker et al. (2012) p. 29.
Por outro lado, e resumidamente7:
• os óxidos de azoto (NOx) resultam das altas temperaturas de combustão;
• o monóxido de carbono (CO) é formado pela combustão incompleta do carbono, no caso das misturas ricas (portanto com défice de oxigénio) e também devido à dissociação do CO2 (igualmente resultante das altas temperaturas);
7 Para maior profundidade sobre os mecanismos de formação de poluentes é recomendável a consulta de,
e.g.: Schäfer e Basshuysen (1995), Merker et al. (2012) e Battin-Leclerc et al. (2013). Combustão imperfeita
• parte dos hidrocarbonetos não queimados (HC) tem origem na combustão incompleta e outra parte nas pequenas fendas, onde a mistura não pode ser queimada, Martins (2016) p. 364.
Conceito de mistura homogénea – a mistura ar-combustível admitida na câmara de combustão
tem o mesmo coeficiente de excesso de ar (ou riqueza) em todos os seus pontos. Para MCI-IC a gasolina, em condições de mistura homogénea, a Figura 2.10 mostra a influência do coeficiente de excesso de ar na variação da potência e do consumo específico (logo rendimento) e a Figura 2.11 mostra a influência do coeficiente de excesso de ar na variação das emissões de NOx, CO e HC à saída do motor, Hofmann et al. (2015) p. 10.
Figura 2.10: Variação da potência e do
consumo específico, em função do coeficiente de excesso de ar, λ, em condições de mistura ar-
combustível homogénea, para MCI-IC, a gasolina. Reproduzido de Hofmann et al.
(2015).
Figura 2.11: Variação das emissões não
tratadas de CO, HC e NOx, em função do
coeficiente de excesso de ar, λ, em condições de mistura ar-combustível homogénea, para MCI-IC, a gasolina. Reproduzido de Hofmann
et al. (2015).
Conceito de carga estratificada – neste caso procura criar-se uma mistura ar-combustível rica
ou estequiométrica na zona adjacente aos elétrodos da vela, onde a combustão é despoletada, e uma mistura muito pobre, ou mesmo apenas ar, nas zonas mais afastadas desse ponto, dentro da câmara de combustão. Com este conceito, a mistura global dentro da câmara de combustão pode ser extremamente pobre em média (até λ ≈ 4) o que permite níveis muito altos de economia de combustível8. Para implementar eficientemente o conceito de carga estratificada terá de ser usado um sistema de injeção direta (DI, Direct Injection, na nomenclatura anglo-saxónica), pois
8 Valores globais médios extremamente pobres de mistura são efetivamente referidos na literatura: Merker
et al. (2012) pág. 159 refere λ até ≈ 4, acrescentando que devem ser tomadas medidas adicionais para permitir inflamar e queimar completamente misturas ar-combustível tão pobres; Hofmann et al. (2015) pág. 11 refere mesmo λ ≈ 10.
é necessária a injeção do combustível na câmara de combustão imediatamente antes da ignição, Hofmann et al. (2015) p. 11.
Velocidade de propagação da chama – a mistura ar-combustível é inflamada pela descarga
elétrica de alta tensão (faísca) produzida entre os elétrodos de uma vela. A propagação da frente de chama através da câmara de combustão a toda a carga depende em grande parte do coeficiente de excesso de ar, que deve situar-se no intervalo 0,75 < λ < 1,3, sendo que podem ser usados padrões de movimento da carga apropriados junto à zona adjacente aos elétrodos da vela, que permitem inflamar misturas pobres, em média, até cerca de λ = 1,7. A velocidade de propagação da frente de chama aumenta com o aumento de pressão gerado pela combustão, até cair abruptamente no final do processo de combustão. A velocidade média de propagação da chama é da ordem dos 15 a 25 m/s. Misturas ar-combustível com λ = 1,05 a 1,1 produzem as maiores temperaturas de combustão, permitindo um bom rendimento termodinâmico. No entanto estas temperaturas altas promovem a formação de NOx, Hofmann et al. (2015) p. 11. Quando se aumenta o coeficiente de excesso de ar, para além de λ ≈ 1,10, a velocidade de propagação da chama diminui acentuadamente, o que tem um efeito negativo no rendimento, visto que as condições se afastam da combustão a volume constante considerada no ciclo Otto.