Glossário

• Lavagem – Período no qual as válvulas de admissão e escape estão abertas, de forma que parte dos gases de escape se misturem ao ar de admissão;
• PMS – Ponto morto superior;
• GGV – Graus de giro do virabrequim;
• Swirl – Movimento de redemoinho que ocorre com o ar que entra na câmara de combustão;
• DPMS – Depois do ponto morto superior;
• MCI – Motor de combustão interna;
• SI – Ignição por centelha (Spark ignition);
• Bowl-in – Chamado aqui de tigela, devido a sua semelhança, é uma zona de baixo relevo na cabeça do pistão, feita para provocar o swirl da carga de ar admitida. Em geral, o bowl-in é a própria câmara de combustão;
• Squish – Em português, “esmagamento”, é um fenômeno no qual a carga de gás escoa radialmente para dentro do recuo do pistão ou do cabeçote a medida que o pistão aproxima-se do PMS de compressão.

 

A maior dificuldade em compreender a combustão nos MCI encontra-se no fato de que é difícil visualizá-la. Dos anos 60  até atualmente métodos de análises fotográfica foram desenvolvidos e aprimorados para que se pudesse enxergar o que realmente acontece dentro da câmara de combustão.

Quando a análise fotográfica é utilizada em conjunto com a análise de pressão dentro do cilindro, obtém-se um modelo bastante detalhado e aproximado da combustão dos motores.

Uma das primeiras pesquisas realizadas utilizando análise fotográfica em um MCI foi realizada por W. M. Scott e J. F. Alcoock no artigo “Some Light On Diesel Combustion” publicado no congresso mundial da SAE em 01 de Janeiro 1964. Este artigo abriu portas para o entendimento maior da combustão e posteriormente foi referência para o tópico “Phenomenological Model Of Compression Ignition Engine Combustion” do livro “Internal Combustion Engine Fundamentals” de J. B. Heywood.

Este artigo tem como objetivo explicar os acontecimentos dentro da câmara de combustão de motores de combustão interna de ignição por compressão.

 O estudo fotográfico da combustão em um MCI

A premissa deste estudo parte da adaptação do cabeçote para receber janelas para visualização da combustão. Entretanto, havia alguns problemas como, o espaço para alojar as janelas e o material no qual estas deveriam ser fabricadas. 

O experimento

Historicamente, fotografias de uma câmara de combustão já haviam sido realizadas por Rothrock em 1959. Neste caso janelas de quartzo permitiram o estudo de uma câmara de combustão do tipo clerestory.

Entretanto, para o experimento de Scott foi utilizado uma janela fabricada em Perspex, que é popularmente conhecido como acrílico. O experimento utilizou um MCI do tipo CI de 800 cm³ que operava com ciclo 2 tempos. Esse tipo de motor foi selecionado devido ao seu cabeçote de desenho simples, o que permitia a adaptação da janelas. Além disso, o ciclo de operação foi alterado para 4 tempos. Isso foi possível fazendo o motor executar 2 lavagens em cada queima, permitindo a diluição dos gases de escape e mantendo uma proporção destes semelhante a de um MCI de ciclo 4 tempos original.

O cabeçote, apesar das janelas, não possui alterações no seu desenho, bem como o pistão foi mantido inalterado, visto que a câmara de combustão é o foco do estudo.

A janela utilizada foi fabricada com Perspex, um plástico de alta resistência desenvolvido na década de 30. Trata-se de um polimetilmetacrilato (PMMA), já que o Perspex é uma denominação comercial.

O PMMA é obtido através da polimerização de derivados do ácido acrílico ou do ácido metacrílico. É moldado por fundição injetada, com uma temperatura de cura de 60 a 90°C. O ponto de fusão do PMMA é de, aproximadamente, 140°C.

A câmera utilizada foi uma Wollesnak Fostax WF1, capaz de registrar fotos a uma taxa de 16.000 frames/s, coloridas, e de forma a obter uma expansão do tempo de 1000:1, quando projetada em velocidades normais.

O arranjo da câmera foi feito de forma que esta se mantivesse longe do motor, assim as fotos foram tiradas de um conjunto de espelhos. O reflexo deste mostravam o vidro do cabeçote e o volante do motor, sendo este último para registro da posição angular do virabrequim.

O processo de aquisição de dados necessitou de uma atenção especial. O início foi feito com motor sendo acionado pelo dinamômetro. Antes do acionamento da câmera o motor passou de acionado, para acionador do dinamômetro.

Entretanto, essa transição é crítica, pois o motor passa a ter carga subitamente, o que provoca variações na sua velocidade. Consequentemente, a injeção de combustível sofrerá alterações, que resultam em diferentes eventos na câmara de combustão.

Para evitar isso, o motor também foi conectado a um motor síncrono através de uma correia dentada. Esta tinha como função manter a velocidade do motor estável durante a transição de acionado para acionador do dinamômetro.

Uma vez funcionando, é necessário colocar o motor em temperatura de trabalho. Entretanto, o fator limitante, que é a janela, interferiu nos procedimentos do teste. Para atingir a temperatura de trabalho, a mistura ar/combustível mais rica provocava o acúmulo de fuligem nas janelas, além do fato do material desta não suportar temperaturas acima de 140°C.

A solução do autor foi efetuar a lavagem do cilindro com ar a 300°C, de forma que foi possível fazer a câmara de combustão atingir uma temperatura equivalente a temperatura de trabalho. Em seguida, a carga de ar é alterada para uma carga de ar frio em busca de manter a correta relação de mistura ar/combustível antes do começo do registro das fotografias.

Todo esse procedimento foi realizado para evitar o acúmulo de fuligem nas janelas, por a câmara de combustão em temperatura de trabalho e evitar que a janela sofra algum dano, permitindo o motor funcionar por vários ciclos sem manutenção das janelas.

Para complementar, dados de pressão do cilindro e deslocamento da agulha do injetor também foram registrados conforme as filmagens eram realizadas. Ao fim do estudo, foi contabilizado 350 filmagens, o que cobriu de 4 a 5 processo de combustão. Cada filmagem resultou em cerca de 1.000 frames nos quais a injeção e combustão da mistura ar/combustível foi registrada.

Os resultados

O experimento foi realizado em quatro tipos de câmaras de combustão:

• Câmara de combustão com injetor com múltiplos furos;
• Câmara de combustão toroidal;
• Câmara de combustão tipo Meurer (tipo M ou MAN);
• Câmara de combustão com injeção indireta.

Câmara de combustão toroidal

Trata-se de um modelo de câmara de combustão bastante utilizada em motores do tipo CI pequenos e de alta velocidade, características de propulsores utilizados em automóveis. A parede do cabeçote que faz parte da câmara de combustão é plana, e esta é formada junto com uma reentrância do pistão, chamada de bowl-in.

A medida que o pistão sobe em direção ao PMS, comprime o ar, e posteriormente o combustível quando este for injetado. Devido ao formato da câmara, a região do bowl-in provoca o “swirl” (turbilhão) do gás em compressão, enquanto a região plana do pistão esmaga outra parte deste. Esses dois fenômenos auxiliam na mistura do combustível com o ar admitido.

As figuras da sequência abaixo mostram o pistão e a região toroidal, onde o processo se inicia.

349°: Neste motor a injeção começa aos 347 GGV. Cerca de 1,5 a 2 depois, os jatos de combustível estão quase alcançando as paredes da zona toroidal do pistão.

353°: Os jatos colidem contra as paredes da região toroidal do pistão, consecutivamente o swirl do ar comprimido arrasta parte desses jatos. O movimento destes é circular em sentido anti-horário. Até então, o combustível injetado não entrou em combustão.

357°: Ocorrem as primeiras ignições. Os quatro jatos iniciam a combustão com uma chama brilhante em cada um destes. É perceptível que há duas cores de chamas, uma branca brilhante e umas poucas zonas de cor escura com tonalidade esverdeada.

O branco é referente as primeiras zonas a se auto-inflamar, e as grandes zonas verdes são referentes ao combustível parcialmente atomizado no ar, mas que está iniciando a combustão. Devido ao fato da mistura não estar plenamente formada, a chama é de baixa luminosidade, a cor verde é devido a adição de cobre ao ar admitido apenas com a finalidade de facilitar a identificação. Além disso, é possível notar, que há uma pequena quantidade de combustível a montante do jato, que no caso, não foi arrastado pelo swirl.

PMS: Após 3 GGV, a chama deflagrada consome todo o combustível que foi injetado até então. Assim a zona toroidal do pistão aparece quase que completamente preenchida por uma chama amarela esbranquiçada, devido a fuligem proveniente das zonas de mistura rica. Existem alguns locais ainda em tonalidade esverdeada, sendo provavelmente, zonas de mistura pobre ou recém formadas, visto que a injeção de combustível continua até alguns GGV depois do PMS.

5, 13 e 23°: As três próximas fotos mostram que, uma vez que o combustível dentro da tigela do pistão foi consumido, a chama se propagará em direção ao bico injetor. Assim, o combustível a jusante do jato passa a ser consumido pela chama, que agora se propaga por todo o diâmetro da câmara de combustão. Nessas fotos é possível perceber que há diferentes tonalidades na cor da chama, mesmo sendo este, seu momento de plenitude. Existem zonas em que a chama apresenta cor marrom, no caso, próxima a parede da câmara de combustão. São quatro pontos, porém um deles foi construído pelo bico injetor, na foto. Essas zonas de chama marrom são provenientes do combustível jateado que atingiu a parede do cilindro. Logo, são zonas de mistura muito rica, que formam uma nuvem carregada de fuligem. Esta, ao encontrar regiões de ar fresco resultam numa chama branca brilhante, que aparece na foto como franjas de formato anelar. Essas três fotos demonstram o momento de maior intensidade do processo de combustão. A espessura da frente de chama dentro da tigela está entre ¾ e 1 pol, enquanto que fora dessa região alcança 0,030 pol.

30, 40 e 49°: As três últimas imagens mostram os momentos finais da combustão, ou seja, quando a temperatura de chama começa a diminuir. A gradual redução da temperatura é acompanhada pela mudança na tonalidade da chama. Esta passa de branca amarelada, para amarelo alaranjado, proveniente da grande redução das zonas de fuligem e particulado conforme estas se misturam ao ar não queimado, e finalmente, são consumidas pela chama nos últimos momentos. Desse ponto em diante, já em plena expansão (em torno dos 75° após o PMS), que inclusive não é mostrado nas fotos, a chama torna-se avermelhada. Isso significa os últimos momentos da chama, com uma temperatura já muito inferior à observada nos momentos plenos do processo. A combustão acaba quase na metade do tempo de expansão.

Câmara de combustão do tipo Meurer (M.A.N.)

É importante salientar que a câmara de combustão utilizada neste experimento, é na realidade, uma imitação da câmara Meurer. Todos os detalhes desta foram replicados na câmara de combustão do experimento, como mostra o desenho acima. A posição do injetor e a taxa de injeção foram preservadas. Isso significa que, as fotos obtidas no experimento de Scott representam o processo de combustão em termos gerais, não podendo ser totalmente replicado para uma câmara Meurer original. Nessa versão de câmara de combustão utilizada no teste, o bico injetor possui dois bocais, pelos quais o fato principal é direcionado tangencialmente contra as paredes da tigela esférica do pistão. Isso faz com que o spray tenha quantidade suficiente para se misturar ao ar turbilhonado na tigela.

351, 354 e 355°: A foto acima mostra os primeiros eventos dos processos de combustão. O bico injetor fornece combustível aos 351 GGV. Percebe-se que, logo após injetado, parte do combustível já acompanha a trajetória circular do ar sob efeito do swirl. Contudo, não impede que boa parte do combustível colida com a parede do pistão. Faltando apenas 6° para alcançar o PMS, a mistura ar/combustível auto-inflama, porém ainda com baixa luminosidade, por isso a tonalidade esverdeada. Embora não tão perceptível nas fotos, existem dois pontos que se inflamam, um para cada jato do bico. Dessa forma, a combustão tem início em dois pontos: no combustível que colidiu com a parede do pistão e com o que foi arrastado pelo ar sob efeito do swirl.

357, 359 e 1,5°: Há apenas 3° do PMS, observa-se que as chamas já se misturaram e rapidamente se espalham por toda a tigela do pistão. Quase no PMS, a 359 GGV é possível notar uma pequena zona de formação de fuligem devido a mistura rica na região próxima as paredes do pistão. Após o PMS, a 1,5 GGV, o que se vê é a chama consumindo o resto da mistura ar/combustível e tomando todo volume disponível da tigela. As zonas de fuligem, consequentemente de mistura rica, acabam sumindo pois se misturam ao ar em swirl e que ainda não se misturou, resultando em uma grande chama branca brilhante. Isso indica que a combustão começa a entrar em seu período pleno.

3,5, 5,5, 8 e 10°: Depois de ocupar toda a tigela do pistão, a chama transborda esta e começa a se espalhar por todo o diâmetro da câmara de combustão. A nuvem de fuligem volta a aparecer, sempre na extremidade da chama. A medida que o volume da câmara de combustão vai sendo ocupado pela chama, o ar ali comprimido vai sendo consumido. As zonas de fuligem aumentam de tamanho, se encontram com o ar fresco formando uma grande chama branca brilhante, ou chama de difusão. Isso caracteriza os momentos de pico de temperatura e pressão do processo. Curiosamente, essa grande chama envolve todo o diâmetro da câmara de combustão e impede que a nuvem de fuligem esteja em contato com a parede da câmara de combustão. Há uma fina camada dessa chama em torno da fuligem. Depois dos 10 GGV DPMS, a chama começa a perder energia, a temperatura cai e a tonalidade da chama muda, tornando-se amarelada e, posteriormente, alaranjada nos seus últimos momentos em pleno tempo de expansão.

Câmara de combustão Comet V

Nesta variação de câmara de combustão, a injeção é dita indireta, pois realizada em uma câmara auxiliar, que está em contato com a câmara de combustão principal. As fotos mostram a câmara auxiliar a esquerda, a câmara de combustão ao centro e a posição do angular do virabrequim à direita.

351, 355 e 359°: Embora não esteja nas fotos, o início da injeção ocorre aos 349 GGV. O bico produz dois jatos que podem ser vistos após 2 GGV, estes são forçados a se deslocar em torno do formato da câmara auxiliar. Isso pode ser visto mais claramente quando o virabrequim alcança os 355 GGV. Um dos jatos é chamado de spray auxiliar, a 351 GGV este já é visualizado seguindo o contorno da câmara auxiliar. É um jato mais fraco que se mistura rapidamente ao ar, de modo que a 355 GGV já não pode mais ser visto, pois evaporou totalmente. Resta apenas o jato principal, que a 355 GGV está contornando o formato da câmara auxiliar. A 1° do PMS é possível visualizar a ignição do jato auxiliar devidamente evaporado. Por ter uma carga de combustível mais fraca, a chama possui coloração verde.

PMS, 1 e 4°: No momento em que o pistão atinge o PMS, a chama está consumindo toda a mistura dentro da câmara auxiliar. Entretanto, nota-se que a chama apresenta uma cor branca, e que franjas verdes rodeiam a mesma, isso se deve a grande carga de ar e aos particulados de carbono que começam a serem queimados. Apenas 1° depois do PMS, a chama branca está mais intensa e já é possível visualizar zonas amareladas. Portanto, a combustão começa a entrar no seu momento pleno, ou seja, de maior desprendimento de energia. Aos 4 GGV, a chama ocupou todo o volume da câmara auxiliar. O aumento de pressão em consequência da combustão, faz a chama escapar pelo canal de conexão para a câmara de combustão principal. Este provavelmente, é o momento de maior temperatura e desprendimento de energia, pois é onde se observa uma coloração da chama majoritariamente branca, embora levemente amarelada.

8, 15 e 24°: Neste momento, a maior observação é o escurecimento da chama, que começa a mostrar tons alaranjados e marrons. Em outras palavras, é provável que este seja o ponto no qual a taxa de desprendimento de calor começa a cair, consequentemente a temperatura. Após 8° DPMS o que se observa é uma zona levemente esverdeada nas duas extremidades da chama, que é a porção onde todo o combustível foi queimado. A chama apresenta uma coloração mais amarelada e, na saída do canal de conexão entre as duas câmaras, observa-se a formação de uma grande zona de fuligem. Nas imagens seguintes observa-se que esta zona de fuligem se propaga, sempre acompanhada de uma grande chama brilhante em sua volta. Depois de 24 GGV essa nuvem de fuligem encontra uma massa de ar fresco, e entram em combustão. Enquanto isso, a mistura que já estava queimando, tem sua chama nos estágios finais, onde, devido ao processo de expansão, apresenta uma coloração majoritariamente amarela devido ao seu resfriamento durante o processo. Em outras palavras, o desprendimento de energia e a temperatura reduziram consideravelmente.

38°: Depois de 38 GGV em relação ao PMS, a chama consumiu toda a mistura ar/combustível e perde intensidade, a temperatura reduz drasticamente e a cor da chama é praticamente laranja, confirmando a redução de temperatura para menos de 1.800°C.

Movimento do ar e do combustível

O  motivo para se compreender o movimento do combustível, quando injetado, e do ar dentro da câmara, é poder prever o movimento da chama durante sua propagação. Entretanto, Scott observou que algumas das medidas necessárias para se determinar o movimento do ar e do combustível não eram confiáveis. Talvez isso se deve as limitações da época dos seus estudos, porém, ainda hoje são parâmetros complicados de se obter.

Isso ocorre, pois ainda que se as fotografias ajudem, o movimento do combustível pode ser visto até o momento que este evapore, ou que a frente de chama o cubra. O mesmo ocorre com o ar, que tem seu movimento identificável até o ponto que este entre em movimento de swirl ou tenha partículas de fuligem ou fumaça difundidas no ar, dificultando a identificação. Dessa forma é difícil medir o movimento do fluído na câmara, motivo pelo qual o autor considerou os valores não confiáveis.

Entretanto, pontuou três observações a cerca do escoamento dentro do câmara de combustão:

• Todas as velocidades de chama estavam abaixo dos 400 ft/s (pés por segundo), mostrando que a detonação diesel é muito abaixo da detonação conhecida em MCI do tipo SI, por exemplo. Dessa forma, observa-se que a detonação no diesel durante o processo normal de combustão não é nocivo, sua onde de choque é bastante inferior;
• A velocidade do spray de combustível não se altera de forma considerável em relação aumento da velocidade do motor;
• A velocidade da chama é normal ao swirl, ou seja, a chama não acompanha a movimento swirl ao se propagar, possui determinada independência em relação a velocidade do motor (RPM), porém a velocidade angular da chama possui certo nível de proporcionalidade em relação a velocidade do motor.

Essas três observações mostram, que os valores medidos, embora não confiáveis, possuem determinada coerência, visto que retrataram características do processo de combustão diesel.

Swirl

Vulgarmente falando, o swirl é um movimento de redemoinho que ocorre com o ar que entra na câmara de combustão. Em geral, esse comportamento é induzido pela geometria dos dutos de admissão, sedes de válvulas e pela tigela do pistão. No artigo, Scott se refere ao swirl como sendo uma relação (“swirl ratio”), no caso a velocidade angular do ar em RPM, e a velocidade do motor, também em RPM. Como a velocidade do ar, o swirl propriamente dito, é um parâmetro dependente das características geométricas do motor, então o swirl varia de motor para motor.

Novamente, o autor levantou os dados em relação ao movimento do ar em swirl através das fotografias, o que gerou valores aproximados. O swirl varia com ângulo de giro do virabrequim e com o raio do virabrequim. O autor faz referência a Alcock, do artigo “Air swirl in oil engines”, que utilizou um conjunto de palhetas rotativas para medir a velocidade angular em swirl. Experimento este que não seria compatível com o trabalho feito por Scott, visto que atrapalharia as fotografias. Mesmo assim, os esforços para tal modificação talvez não se justificasse, pois a inércia do conjunto de palhetas atrapalhariam as medições, visto que há muita variação de velocidade. Os valores obtidos seriam apenas médias, enquanto que o método por fotografias fornece valores mais precisos. Os valores obtidos por Scott estão resumidos na tabela abaixo:

É interessante perceber como os valores de N/n para a câmara de combustão Comet V são substancialmente diferentes em relação aos de câmara de combustão com injeção direta.

Na figura acima as variações de swirl na câmara Comet V e relação a posição do virabrequim e razão câmara. Este último parâmetro é a razão entre o raio de swirl e o raio da câmara de combustão.

A tabela e o gráfico trazem algumas conclusões acerca do swirl:

• Os valores obtidos por Scott quando o virabrequim está próximo do PMS de compressão são maiores que os obtidos por Alcock nas mesmas condições;
• Na câmara Comet V, o máximo swirl (N/n) foi obtido antes dos 350 GGV, mas reduz pela metade desse valor em cerca de 20 DPMS. O recuo do pistão não registra valores antes dos 5 DPMS;
• Percebeu-se que, a velocidade de swirl na câmara Comet V é inversamente proporcional ao raio de swirl, enquanto a velocidade linear é, praticamente, constante.

É possível visualizar que, mesmo não sendo medidas totalmente confiáveis para câmara de combustão de injeção direta, o swirl ocorre com menor intensidade e após o PMS de compressão. O raio de swirl foi um parâmetro que variou pouco com a velocidade do motor, enquanto o swirl mostrou-se mais intenso em baixas velocidades.

Em câmara de combustão de injeção indireta, no caso, a Comet V, o swirl ocorre, majoritariamente dentro da pré-câmara. Os valores da tabela são correspondentes a pré-câmara e apresentam resultados praticamente inversos aos obtidos pelas câmaras de injeção direta. Nestes, percebe-se que o swirl pode aumentar, tanto com o aumento da velocidade do motor, quanto com a redução do raio de swirl.

Outro ponto mostrado na tabela, é o swirl ocorrido nos recuos do pistão, que são zonas em baixo relevo feitas para provocar o swirl da carga admitida. É utilizado em motores com injeção direta, visto que este, como se pode perceber, possui um swirl menos intenso. Neste ponto o swirl é comparável aos valores obtidos nas câmara Comet V e sua pré-câmara. Ainda que se mostrem maiores quando próximo do PMS, também aumentam quando a velocidade do motor aumenta.

Portanto, o swirl é um fenômeno que exibe um intenso campo centrífugo, ou seja, um escoamento com movimento circular com acelerações extremamente elevadas. Existe uma variação na intensidade desse campo centrífugo, de acordo com o formato da câmara de combustão, porém o que se observa é um enorme efeito da força centrípeta na chama, que por sua vez acaba admitindo um formato de redemoinho envolto por uma considerável massa de ar não queimado. Em motores com câmara Comet V, na pré-câmara o escoamento pode atingir 13.000 g de aceleração nas periferias da câmara, podendo alcançar 40.000 g com a metade desse valor.

Squish

Muito comum em câmaras de combustão com re-entrâncias, o squish ou “esmagamento”, é um fenômeno no qual a carga de gás escoa radialmente para dentro do recuo do pistão ou do cabeçote a medida que o pistão aproxima-se do PMS de compressão. O oposto acontece quando o pistão afasta-se do PMS, ou seja, a carga de gás escoa radialmente para fora das re-entrâncias.

No experimento realizado por Scott, para análise desse fenômeno foi utilizado pequenos pedaços de barbante. Estes foram fixados nas bordas da tigela do pistão. As fotografias estavam encarregadas de mostrar para onde a ponta solta desses barbantes apontaria a medida que, o pistão se aproximasse do PMS de compressão.

O autor também realizou outras abordagens para a análise do squish. Muitas destas falharam completamente ao transparecer qualquer movimento da carga dentro cilindro. Entretanto, um outro método, no qual pontos de tinta na cor prata distribuídas uniformemente, conseguiu demonstrar determinados padrões de escoamento devido aos efeitos combinados de swirl e squish. Contudo, os resultados mostraram que as marcas eram mais ligadas ao escoamento do ar no momento da admissão.

A terceira tentativa do autor foi utilizar uma câmara de combustão com uma profundidade de 1/6 pol do diâmetro do cilindro. Novamente foi observado que o escoamento entra na câmara quando o pistão encontra-se chegando no PMS, e durante a expansão o escoamento ocorre para fora da câmara de combustão. Isso provoca a colisão do escoamento com as paredes do cabeçote.

Por último, o autor utilizou uma câmara de combustão não re-entrante, ou seja, com o topo do pistão, plano. Para detectar o movimento do escoamento foi utilizado pontos de tinta prata. Como resultado, as manchas apontam um escoamento para dentro do pistão e outro para dentro do cabeçote, ou seja, caracterizando o escoamento que ocorre durante a admissão.

Portanto, os testes até mostram que há um movimento característico do squish, mas parece improvável que as velocidades atingidas pelo escoamento nesse momento, caracterizam as velocidades do mesmo durante o squish. As razões para isto são, que as paredes por transferências de calor durante a compressão seriam elevadas ao ponto de causar a contração do ar nessa região. Contudo, segundo Scott, cálculos mostram que é improvável, ou seja, a carga de ar teria que ser reduzida a uma temperatura abaixo de 0°C para que o escoamento para dentro do pistão fosse prejudicado. O mais provável, é que durante o squish, a carga escoe para as fendas entre anéis de segmento quando a compressão atingir seu pico, de certa forma seria suficiente para cancelar o escoamento para dentro da câmara de combustão. Assim não se obteve uma comprovação numérica acerca dos fenômenos devido ao squish, apenas que, sim, a carga realiza movimentos em torno da câmara de combustão, mas isso também pode ser chamado de swirl.

Relação deflagração da chama e o aumento de pressão

Durante as análises detalhadas nos parágrafos anteriores, foi possível notar que no início da combustão havia uma chama incolor, que é visualizada nas fotos na cor verde. Essa chama ocorre devido a uma pré-mistura do ar com combustível logo no início do processo, não emite luz, ou se emite, esta é muito fraca, apenas é notada nas análises devido a adição ao combustível para dar efeito luminoso esverdeado.

A maior dúvida em relação a essa chama, é se esta é uma chama quente ou uma chama fria. Para isso, o autor utilizou para análise os motores com câmaras de combustão dos tipos Comet V e de injeção direta, adaptou uma fotocélula, que é um resistor no qual a resistência elétrica varia com a luz que incide sobre o mesmo. Dessa forma Scott conseguiu fazer um paralelo entre a luminosidade da chama, a pressão do cilindro e a altura de levantamento do bico injetor, tudo isso em função da posição angular (θ) do virabrequim.

Os gráficos mostram que ambas as câmaras de combustão possuem um período de luminosidade da chama muito semelhante, porém no motor com injeção direta, a chama possui uma intensidade de luz um pouco maior. Não por coincidência, em ambos os motores o pico de luminosidade ocorre próximo ao pico de pressão da taxa de variação desta.

É interessante notar que a duração da chama, pelo menos a sua parte luminosa, inicia no final da compressão e se estende pelo tempo de expansão, mesmo que a liberação de energia tenha cessado. A chama consome os excessos de ar, fuligem e fumaça até colidir com as paredes do cilindro e se extinguir. Percebe-se que, o pico de pressão e de luminosidade possui um pequeno delta, essa diferença (0,5 a 1,0°) mostra que a pressão começa a aumentar mais cedo, porém atinge seu pico após o pico de luminosidade. Isso significa que grande parte da luminosidade se deve a chama de pré-mistura, que tem baixa liberação de energia. Então o pico de pressão ocorre depois, quando outros pontos da carga entram em auto-ignição, pontos estes com mistura ar/combustível em diversos níveis de proporção, mas que liberam mais energia. Isso é notado nas análises fotográficas quando vemos grandes zonas de chama branca, as que mais representam o pico de pressão e a duração da intensidade da chama, e pequenas franjas de coloração verde, que são resultados da chama de pré-mistura que resultou na deflagração da combustão.

Por fim, a coloração verde da chama, não apenas confirma que se trata de uma chama de pré-mistura, como também de uma chama de alta temperatura (1.800°C), uma vez que o cobre resultaria em uma chama de cor azul, caso fosse uma chama fria.

Ruídos

Nos MCI do tipo CI, o ruído característico deve-se a forma como o processo de combustão ocorre. O estudo da combustão também pode levar a respostas acerca do nível de ruído que o  motor produz, neste caso, o ruído está bastante relacionado ao atraso de ignição. Scott sugere que, em termos gerais, quanto menos ruidoso o motor for, maior será a quantidade de hidrocarbonetos não queimados. Então, este é um importante parâmetro que se relaciona com emissões.

A câmara de V-Comet foi utilizada para verificação da relação entre atraso de ignição e knock (detonação), as condições de 1250 RPM e 120 Lb/in² de pressão média efetiva indicada. Foi observado que, injetando brevemente, essa injeção piloto provoca uma combustão fraca, com ruído bastante reduzido. Entretanto, é possível visualizar que há maior geração de fuligem do que teria caso a injeção não fosse tão adiantada. A injeção piloto é propositalmente pobre, e serve para reduzir o ruído da combustão ou atenuar, bem como servir de gatilho na combustão principal.

A segunda avaliação de vibração foi realizada com o motor em marcha-lenta de 600 RPM, utilizando diesel de baixo número de cetano (30) e com uma pré-ignição bastante adiantada, 240°. Isso resulta em um atraso de ignição 102°, ou seja, tempo suficiente para que o combustível injetado vaporize-se formando uma pré-mistura. Quando esta entra em combustão, emite uma chama de forte luz azul e sem ruído de knock. Entretanto isso se deve a fraca mistura e o longo tempo que esta leva para entrar em combustão, de forma que no momento da injeção principal há mais combustível. Assim a mistura admite uma nova proporção resultando em uma combustão mais intensa, logo com uma chama de coloração amarela brilhante e o knock torna-se perceptível.

No caso do teste ilustrado nas fotos, a injeção ocorreu em 340 GGV, ou seja, 100° após a pré-injeção e 10° depois da injeção principal, foi deflagrada a combustão da mistura com um audível knock.

O caso acima é um exemplo, que contraria a regra de que quanto mais silenciosa, mais suja será a combustão. O objetivo é adiantar excessivamente a a combustão, isso permitiu a mistura uma vaporização mais eficiente, pois a ignição demora a ocorrer. Além disso, no momento da injeção principal, o combustível desta encontra melhores condições de atomização, pressão e temperatura, reduzindo o atraso de ignição.

Além dos dois testes ilustrados acima, Scott sugere uma outra abordagem para reduzir os ruídos da combustão durante a marcha-lenta. Nesta, o combustível seria injetado de forma racionada, em quantidade tão pequena que os picos de pressão não seriam suficientes para se escutar o knock.

Dessa forma destaca-se três formas de reduzir os ruídos do motor durante a marcha-lenta:

• Injeção piloto adiantada: Trata-se de uma injeção com baixo tempo de acionamento do bico injetor e um pouco adiantada. A pobre mistura formada é muito fraca para deflagrar a chama rapidamente, de modo que serve apenas para deixar condições da câmara de combustão adequada para a rápida combustão da injeção principal. O problema deste sistema resulta na exagerada pobreza da mistura, que acaba por vezes requerendo mais combustível. A mistura acaba entrando em combustão muito cedo, prejudicando a combustão da injeção principal. A diluição excessiva prejudica a injeção principal de forma que, esta não apenas reduz a eficiência de conversão, como também prejudica as emissões.
• Injeção piloto tardia: O objetivo é injetar combustível brevemente antes da injeção principal, com uma proporção mais rica para entrar em combustão mais rápido, mas ainda de forma silenciosa e assim ter uma marcha-lenta menos ruidosa. Essa proposta é difícil de ser aplicada em regimes de funcionamento de maior carga, velocidade e em toda a faixa de operação do motor, exceto a marcha-lenta, existe uma estreita faixa de operação na qual é possível uma baixa emissão de ruídos. Após esse breve momento a injeção piloto confunde-se com a injeção principal. Nesse momento, ocorre o gradual crescimento dos ruídos do motor. Portanto, a injeção piloto tardia consegue manter uma marcha-lenta silenciosa, e uma breve faixa do regime de trabalho do motor com baixa emissão de ruídos. A perda de eficiência é, sem prejudicar a operação do motor.
• Sistema Meurer: Percebe-se acerca das análises fotográficas, que as câmaras de combustão do tipo M sofrem com o choque do combustível com as paredes da câmara. As consequências disso é que parte desse combustível permanece na parede, prejudicando inclusive a lubrificação do cilindro, e a outra parte evapora. Esta cria uma camada de vapor de combustível, que devido ao fenômeno do swirl e do campo centrífugo proporcionado por este, mantém-se próxima às paredes do cilindro. Os pontos onde a mistura está próxima da estequeometria são os primeiros a inflamar. A medida que a combustão ocorre, o swirl arrasta progressivamente a camada de vapor, misturando esta com o ar fresco do escoamento. A taxa de combustão dessa nova mistura é definida pela taxa na qual o combustível evaporado se mistura o com ar dentro do swirl. Os ruídos do motor são atenuados pois as ondas de choque provocadas não são elevadas ao ponto de produzir um knock audível.

Conclusão

As análises de liberação de calor mostram que a combustão diesel segue alguns passo. Percebeu-se que o período de queima é maior que o tempo de injeção. A taxa de queima aumenta conforme a velocidade do motor (RPM), mas o pico dessa taxa é proporcional ao atraso de ignição. Portanto, quanto maior o atraso, maior a taxa de queima.

Esses resultados, de análise fotográfica e de liberação de calor, quando pareados permitiram o estabelecimento de um modelo para combustão diesel. Esse modelo sugere que as primeiras porções do combustível injetado é dividido em elementos. As primeiras porções que entram na câmara se misturam com ar e tornam-se aptas para queimar. Isso significa que a mistura está dentro dos limites inflamabilidade, próxima de queimar. Essa porção de combustível não se mistura completamente com o ar, uma parte do combustível combustível se mistura rapidamente, enquanto a outra demora a se misturar.

O tempo que essa mistura leva para entrar nos limites de inflamabilidade é o chamado atraso de ignição. Essa mistura é chamada de pré-mistura ar/combustível e quando somada a mistura que apenas ficou pronta para queima após o atraso de ignição, catapultam a taxa de queima para seu pico.

Através das análises fotográficas está claro que os tipos de câmara de combustão exercem bastante influência no processo de combustão. Dessa forma as medições de pressão, taxa de liberação de calor e vazão mássica de combustível, além de outros parâmetros, mostram como as variações de câmara de combustão resultam em diferentes desempenhos.

As fotografias confirmam o observado no gráfico de liberação de calor, uma vez que no início da injeção é aparente a chama esverdeada de baixa luminosidade. Essa chama é característica da pré-mistura, que é predominante nos primeiros momentos da ignição. Depois que ocorre o pico de queima, a pré-mistura já foi quase toda consumida, restando a mistura fresca formada após o atraso ignição. Esta, quando consumida, resulta em uma chama turbulenta difusiva de coloração branca amarelada de alta luminosidade, confirmando que o observado condiz com os resultados da liberação de calor. Dessa forma foi possível resumir o processo de combustão diesel em quatro eventos:

1. Atraso de ignição: Período medido em graus de giro do virabrequim entre o início da injeção de combustível e o início da combustão.
2. Combustão rápida (pré-mistura): É a fase na qual a pré-mistura, já em processo de combustão, encontra-se com o combustível recentemente injetado, mas que devido as novas condições da câmara de combustão, torna-se apta a entrar em combustão também (mistura fresca). Isso é o que provoca o súbito aumento da liberação de calor.
3. Combustão da mistura controlada: A pré-mistura foi consumida. Restam as misturas provenientes da injeção pós-atraso de ignição, que estão ali e são consumidas. Contudo, o ambiente na câmara de combustão encontra-se em outras condições de temperatura e pressão, uma vez que a expansão já havia iniciado. Assim o desprendimento de calor nessa fase é menor, também deve ser levado em consideração que os processos de mistura, atomização e vaporização do combustível, uma vez que estes controlam a taxa de queima. O desprendimento de calor poderá ou não ter um segundo pico no gráfico, porém consideravelmente menor que o primeiro.
4. Combustão tardia: Ocorre na faixa dos 20-30 GGV APMS, e é conhecida por mostrar, ainda, uma taxa de liberação de energia, mesmo sendo muito menor que a fase anterior. Isso ocorre devido a porções do combustível que ainda não queimaram, até mesmo a frações de energia do combustível presentes nos gases de escape. Nessa fase é que se obtém o efeito de extensão da expansão, uma vez que as porções de combustível restantes se misturam aos gases e ao ar não consumido, resultando em uma carga não uniforme e menos dissociada dos gases de escape, completando o processo de combustão. Esses processos finais perdem força a medida que a temperatura do cilindro reduz durante a expansão dos gases.

Referências

• B. HEYWOOD, John, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw-Hill, 1988. 930p;
• Scott, W. M., and Alcock, J. F.: “Some More Light On Diesel Combustion”  Proc. Auto Div., Instn Mech Engrs, No 5, pp. 179-191, 1962-1963;
• https://www.infopedia.pt/$perspex.

Fotos

• Capa: https://theawesomer.com/engine-combustion-in-slow-motion/399766/;
• Scott, W. M., and Alcock, J. F.: “Some More Light On Diesel Combustion”  Proc. Auto Div., Instn Mech Engrs, No 5, pp. 179-191, 1962-1963;
• B. HEYWOOD, John, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw-Hill, 1988. 930p.