Nos motores convencionais de ignição por centelha, a ignição ocorre quando uma pequena parte da mistura ar/combustível reage ao entrar em contato com a centelha elétrica cuja temperatura varia entre 3000 e 6000 oC. O fator determinante para o início da combustão não é a temperatura, mas sim a excitação e ionização molecular. Caso a energia de ignição seja pequena, a combustão não ocorrerá, exceto de uma pequena porção de combustível em contato direto com a centelha elétrica. Como a combustão não é instantânea, mas dura um período finito de tempo, ela é iniciada no final do tempo da compressão, portanto antes do pistão atingir o PMS. Uma vez iniciada, ela se propaga por condução, difusão, radiação e convecção do calor, promovendo assim o aquecimento e ignição da porção de mistura não queimada. Desta forma, a condução e a difusão de calor da mistura fresca para a mistura queimada exerce um papel preponderante no processo de combustão. A velocidade de propagação da chama depende das propriedades e das condições da mistura e se não houver nenhum escoamento direcionado dentro da câmara de combustão a frente de chama vai se
propagar com velocidade uniforme em todas as direções e assumir consequentemente uma geometria esférica, GANESAN (1995); LENZ (1992); HEYWOOD (1988).
O processo de combustão em um motor SI pode ser dividido em 3 fases, como mostrado na Figura 2.14, onde também pode ser visualizada a variação de pressão durante a combustão. O ponto A representa o momento em que a centelha elétrica é introduzida pela vela de ignição, no caso 20º APMS, o ponto B identifica o momento onde é possível identificar o início do aumento da pressão, neste caso 8º APMS e o ponto C onde o pico de pressão é atingido, aproximadamente 10º DPMS. Assim o trecho AB representa o primeiro estágio da combustão, o trecho BC o segundo e trecho CD o terceiro, GANESAN (1995).
Figura 2.14 – Fases da Combustão em um motor SI, GANESAN (2000).
No primeiro estágio, AB, segundo LENZ (1992), a inflamação da mistura é causada pela liberação de calor de forma intensa e localizada, na região próxima à vela de ignição. O aumento localizado da temperatura provoca a vaporização do combustível e a autoignição do mesmo, dando início ao processo de combustão. O início da combustão da mistura é determinado pelo momento onde se torna possível identificar o início do aumento de pressão, o que não acontece instantaneamente. Segundo GANESAN (1995) o tempo decorrido entre a liberação da centelha e o início da combustão é chamado de retardo de ignição e pode durar até 12º de rotação do virabrequim. O retardo de ignição é devido ao tempo necessário para que as reações de oxidação do combustível aconteçam quando este está submetido a altas temperaturas. Depois de um tempo, a velocidade destas reações aumenta de tal forma que será
possível identificar um acentuado aumento da pressão no cilindro caracterizando o início do processo de combustão. O primeiro estágio da combustão caracteriza-se por ser um processo puramente químico dependente da temperatura, pressão, natureza do combustível, da razão ar/combustível e da fração de gases queimados remanescentes do ciclo anterior, LENS (1992).
O começo do segundo estágio, BC, coincide com o início da combustão que se dá no momento onde é possível identificar um aumento da pressão mais acentuado. Neste estágio, a velocidade de propagação da frente de chama é praticamente constante. A taxa de transferência de calor para as paredes do cilindro é pequena, pois apenas uma pequena parte da mistura queimada tem contato com elas. A taxa de liberação de calor é fortemente dependente do nível de turbulência e da taxa em que a reação ocorre que por sua vez é função da composição da mistura. A taxa de aumento da pressão é proporcional à taxa de liberação de calor, pois neste estágio da combustão o volume é praticamente constante, uma vez que o pistão encontra-se próximo ao PMS.
O terceiro estágio, DC, tem seu início no instante em que a pressão atinge seu valor máximo, ponto C. Devido a uma redução da velocidade de chama e da diminuição da área superficial da frente de chama, a taxa de combustão decresce. Uma vez que o tempo de expansão começa antes deste estágio, onde o pistão encontra-se no seu movimento descendente, esta fase é caracterizada por uma contínua redução da pressão, GANESAN (1995).
A velocidade da frente de chama dentro do cilindro, fator preponderante sobre a eficiência da combustão, é determinada pela taxa de reação e pela taxa de transporte. A taxa de reação é resultado de uma combinação de processos químicos através dos quais a frente de chama consome a mistura fresca através da sua trajetória. Já a taxa de transporte está relacionada a aspectos físicos do movimento da frente de chama em relação às paredes do cilindro e do diferencial de pressão existente entre a porção de mistura fresca e mistura queimada. O estudo dos fatores que afetam a velocidade de chama é muito importante uma vez que ela influencia a taxa de aumento de pressão dentro do cilindro que por sua vez determinará a existência de anomalias no processo de combustão. Segundo LENZ (1992) a turbulência e a razão ar/combustível são os fatores que tem a maior influência na velocidade de propagação da chama, associados respectivamente à taxa de reação e a taxa de transporte.
A velocidade de propagação da chama é proporcional ao nível de turbulência, isto é, um aumento do nível de turbulência provoca um crescimento na velocidade de propagação da chama. Isto se deve a uma maior interação a nível molecular entre a porção de mistura queimada e não queimada, aumentado dessa forma a área de contato entre a mistura não queimada e a frente de chama e consequentemente a taxa de reação. A turbulência é resultado da interação entre as forças inerciais do escoamento e a geometria dos condutos de admissão, válvulas, pórticos, câmara de combustão e a cabeça do pistão. Por isso o projeto destes componentes exerce uma significativa influência no nível de turbulência e consequentemente da velocidade de propagação da chama e finalmente da eficiência da combustão, HEYWOOD (1988); LENZ (1992); GANESAN (1995).
Por promover uma melhor mistura entre o combustível e o ar, a turbulência acelera a taxa de reação química entre eles proporcionando uma combustão mais rápida e, portanto, um menor avanço da ignição. Uma vez que o aumento da velocidade de propagação da chama diminui o tempo necessário à ocorrência da combustão, esta minimiza as chances de aparecimento da detonação. A turbulência aumenta com a velocidade do motor, por isso, a velocidade de propagação de chama aumenta quase que de forma linear com o aumento da rotação do motor, GANESAN (1995).
Como já mencionado, a razão ar/combustível tem uma forte influência na taxa de reação e consequentemente na velocidade de propagação da chama. A maior velocidade de propagação da chama é obtida para misturas levemente enriquecidas, já o empobrecimento da mistura resulta em uma redução do calor liberado e da velocidade de propagação da chama. Entretanto, um enriquecimento adicional da mistura resultará em uma combustão incompleta, ocasionando a diminuição da taxa de liberação de calor e, por fim, em uma redução da velocidade de propagação da chama, GANESAN (1995).