Matéria da edição Nº189 - Novembro de 2006
Texto: Humberto José Manavella
Emissões Automotivas - Processo de Combustão - Parte 1

A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Controle Integrado do Motor", tem por objetivo analisar, de forma sucinta, o processo de combustão nos motores de ciclo Otto e Diesel e as emissões resultantes. O tema foi já tratado amplamente nas páginas deste jornal; no entanto, a pretensão desta matéria é a de oferecer um resumo das fontes de tais emissões e dos diversos mecanismos de controle das mesmas. Nesta primeira parte, abordaremos o processo de combustão e alguns conceitos básicos necessários ao entendimento dos mecanismos de controle presentes no automóvel moderno, o que será tratado na segunda parte da matéria.

• Processo de combustão
A combustão, que nos motores de combustão interna ocorre na "câmara de combustão", só é o possível na presença de três elementos:
- Combustível
- Oxigênio ou comburente (oxigênio contido no ar)
- Calor
Combustão no motor de ciclo Otto (ignição por centelha) - fig.1: na câmara de combustão entram o ar e o combustível formando uma mistura. Esta é comprimida pelo pistão e, no momento apropriado (ou seja, próximo do fim do ciclo de compressão), é fornecido o calor necessário à combustão (centelha nas velas).
Combustão no motor de ciclo Diesel (ignição por compressão)- fig.2: na câmara de combustão entra só ar, o qual é comprimido intensamente. Isso provoca o aumento da sua temperatura (calor) a um nível tal que, quando o combustível é injetado (próximo do fim do ciclo de compressão), ocorre a combustão.

Nesses motores, a combustão da mistura se dá de forma violenta e rápida; é, na realidade, uma explosão.
Dessa forma, a combustão provoca um aumento considerável da pressão dentro do cilindro, o que gera a força que impulsiona o pistão no sentido de fazer girar o virabrequim, produzindo trabalho mecânico e gerando potência.
Após o processo de combustão, o motor libera (a fig.3 mostra o exemplo do motor ciclo otto):
a) trabalho mecânico ou potência, que movimenta o veículo;
b) gases, resultantes da combustão. Estes são os gases de escape, compostos basicamente de: H20 (água), CO2 (dióxido de carbono), N (nitrogênio), CO (monóxido de carbono), HC (hidrocarbonetos ou combustível sem queimar), NOx (óxidos de nitrogênio). Os três últimos são gases poluentes;
c) calor, a maior parte retirado pelo líquido arrefecedor e também presente nos gases de escape.

Desses três elementos, o único que realmente interessa é o trabalho mecânico ou potência. Os outros dois podem ser considerados energia desperdiçada ou desaproveitada.
Pior ainda, os gases de escape são fonte de poluição, já que alguns dos seus componentes agridem intensamente o meio ambiente.
Podemos, portanto, enunciar de forma bastante ampla as necessidades básicas impostas aos motores modernos:
Obter a máxima potência com o menor consumo de combustível e menor nível de emissão de poluentes, compatível com tal potência.

Nota: reparar que, atualmente, o rendimento dos motores de combustão interna gira em torno de 30% como máximo (alguns fabricantes falam de 35%). Ou seja, da energia disponível no combustível, só 30% é transformada em potência ou trabalho útil. O resto (70%) é desperdiçada em calor retirado pelo líquido de arrefecimento e em calor transportado pelos gases de escape.

• Relação Ar/Combustível
Nos motores de ciclo Otto, a mistura ar/combustível que é admitida nos cilindros deve possuir quantidades desses elementos em proporções bastante definidas, para que a centelha da vela possa provocar a sua ignição. Um fator muito importante é que a proporção de ar/combustível varia bastante para cada regime de operação. Só assim é possível obter o máximo de rendimento com o mínimo de emissões.
Assim, define-se a relação ar/combustível que expressa a proporção entre a massa de e a massa de combustível, admitidas nos cilindros.

• Tipos de mistura
Em função da definição acima, podem ser conceituados três tipos de mistura:
Mistura estequiométrica ou ideal: É a mais adequada ao bom funcionamento do motor de ciclo Otto. A relação ideal é definida, teoricamente, como aquela mistura que possui uma quantidade de ar (oxigênio) capaz de queimar todo o combustível presente na mesma. A combustão da mistura ideal produz no escapamento (teoricamente):
- Dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e nitrogênio (N). Nenhum deles é poluente.
O valor (aproximado) da relação estequiométrica depende do tipo de combustível considerado. Assim:
- Relação estequiométrica para gasolina: 14,7:1
- Relação estequiométrica para gasolina com 20% de álcool:12,5:1
- Relação estequiométrica para álcool: 8,5:1
Esses valores representam relações de massas.

Mistura rica (excesso de combustível): Quando a mistura admitida nos cilindros possui menos ar que o correspondente à mistura ideal (excesso de combustível), uma parte do combustível não é queimada, e a combustão torna-se incompleta. Como resultado, aumenta o nível de emissão de poluentes. Se tal excesso ultrapassa um certo patamar, a combustão não é mais possível, e o motor não funciona (motor afogado).

Mistura pobre (excesso de ar):No caso oposto, ou seja, quando a mistura possui menos combustível que o correspondente à mistura ideal (excesso de ar), parte do oxigênio não é utilizado. No entanto, a combustão também torna-se ineficiente com o aumento do nível de emissões e, quando ultrapassado um determinado patamar, a combustão não é mais possível.
• Fator lambda

Para facilitar a análise do processo de combustão e o nível das emissões no escapamento, é adotado um número denominado Fator lambda, que é definido como uma "relação de relações":
O Fator Lambda mede o desvio da mistura realmente admitida nos cilindros com relação à mistura ideal ou estequiométrica, e pode ser utilizado para caracterizar os diferentes tipos de mistura, independentemente do combustível utilizado. Assim:

Lambda igual a 1: indica mistura estequiométrica ou ideal
Lambda maior que 1: indica mistura pobre (excesso de ar)
Lambda menor que 1: indica mistura rica (excesso de combustível)

Para motores ciclo Otto, a condição de máximo rendimento com mínimo de consumo e emissão de poluentes, acontece para a mistura estequiométrica ou próximo dela (Lambda = 1).
Os motores ciclo Otto usam combustíveis mais voláteis que os utilizados pelos motores ciclo Diesel. Além disso, aqueles dispõem de tempos maiores para a formação da mistura, se comparados com o tempo disponível nestes últimos. Em conseqüência, a mistura resulta mais homogênea nos de ciclo Otto porque a mistura ideal é a que oferece os melhores resultados com relação às emissões. Por outro lado, os motores Diesel devem trabalhar com misturas pobres.

Neles, o tempo para a formação da mistura é menor, pelo que, para assegurar uma combustão completa, deve existir excesso de ar. Caso contrário, haverá emissão de fuligem, CO e HC. Isso seria devido à combustão incompleta.
Nota: no entanto, há no mercado, veículos (Honda VTEC-E e Toyota Carina-E) equipados com motores que funcionam sob o princípio de "queima de mistura pobre". Tais motores trabalham com misturas na faixa de Lambda 1,2 a 1,7. Isso resulta numa economia de até 25% nas cargas parciais, redução na emissão de CO2 e drástica diminuição nas emissões de CO e Nox.
• Fonte das emissões automotivas
Nos veículos automotivos, as emissões de poluentes podem ter sua origem:
- nos gases de escapamento. São as emissões resultantes do processo de combustão, o qual nunca é perfeito. Seja devido a deficiências de projeto ou desregulagem do motor, os gases de escape possuem, sempre, uma proporção de componentes poluentes.
- na evaporação do combustível do tanque (e na cuba do carburador) provocada por temperatura ambiente elevada. São as denominadas emissões evaporativas
Nota: uma outra fonte de emissões são os vapores de combustível acumulados no cárter; o sistema de ventilação positiva do carter (PCV) recircula esses vapores e os integra à mistura através do filtro de ar.
Na segunda parte desta matéria, abordaremos a natureza e os componentes das emissões automotivas e os mecanismos atualmente disponíveis para seu controle.

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