domingo, 4 de junho de 2017

LUBRIFICAÇÃO NOS MOTORES DE COMBUSTÃO - A EVOLUÇÃO

 
Sistema de lubrificação por pressão, típico dos motores atuais - Imagem do  Portal Lubrita

É notório  que a lubrificação tem importância vital nos motores de combustão. Sem lubrificação ou mesmo com deficiência de lubrificação um motor moderno certamente perderia rendimento e fundiria após apenas alguns minutos em funcionamento. Na verdade, a lubrificação é indispensável ao funcionamento regular de quase todas as máquinas. Foi a descoberta e a evolução do conhecimento sobre lubrificação que viabilizou o desenvolvimento e difusão das máquinas modernas. Por outro lado, muito da formação do conhecimento universal sobre lubrificação, ora  alcançado, foi impulsionado pelo sucesso dos motores de combustão.


Quando os primeiros motores de combustão surgiram, o uso sistemático e o conhecimento sobre lubrificação já existiam, mas, com pouca profundidade. Até então, a lubrificação mecânica tinha usos muito pontuais. A popularização dos motores de combustão gerou uma demanda por lubrificante antes nunca vista e foi um dos fatores que mais alavancou o desenvolvimento dos mecanismos de lubrificação e dos próprios lubrificantes. De forma que, a evolução dos sistemas de lubrificação tem estreita ligação com o desenvolvimento dos motores de combustão e, num contexto mais amplo, com a Revolução Industrial.

Por outro lado, a evolução dos sistemas de lubrificação não é fruto apenas do trabalho dos engenheiros mecânicos e projetistas de motores, uma grande parcela desse desenvolvimento deve-se aos laboratórios químicos das indústrias de lubrificantes.  Pois, grande parte das respostas obtidas para o melhoramento dos sistemas de lubrificação veio através do desenvolvimento dos lubrificantes. Em resumo, foi o esforço conjunto dos fabricantes de motores e dos fabricantes de lubrificantes que resultou no nível de eficiência atual dos sistemas de lubrificação.


A IMPORTÂNCIA DOS  LUBRIFICANTES E DOS SISTEMAS DE LUBRIFICAÇÃO

Ator principal nos sistemas de lubrificação, o lubrificante permite a substituição do atrito sólido pelo atrito fluido. O atrito fluido acontece quando uma camada fluida se interpõe entre superfícies sólidas em movimento. Sem a ação dos lubrificantes a maioria das máquinas modernas se tornariam inviáveis devido ao rápido e acentuado desgaste que sofreriam como efeito do atrito sólido entre suas partes.

Para garantir que a  lubrificação aconteça de forma ininterrupta enquanto as máquinas estiverem operando, é que entram em cena os sistemas de lubrificação, responsáveis por manter a lubrificação nos diversos pontos de contato entre as peças móveis de máquinas e motores. Os sistemas de lubrificação podem apresentar concepção desde as mais simples, como sistemas de gotejamento de óleo, até as com alto nível de sofisticação que inclui leitura e controle de diversos parâmetros de trabalho dos componentes e do lubrificante. Nos motores de combustão, os sistemas de lubrificação ainda trazem dois benefícios indiretos;  auxiliam no arrefecimento e ajudam a reduzir os ruídos.


OS LUBRIFICANTES ANTES DOS DERIVADOS DO PETRÓLEO

Os vestígios e registros das primeiras utilizações de lubrificantes são escassos. Também raros são os registros históricos de utilizações sistemáticas e em sua maioria são relativamente recentes. Nas buscas que fiz para subsidiar este post, tanto nos livros que tive acesso quanto nos textos disponibilizados na Internet não encontrei nada muito consistente, em geral as  referências encontradas se mostram superficiais e não citam fontes. A melhor exceção que encontrei foi  o site do Dr. Alex Den Ouden, norueguês PhD em Física, sobre tecnologias diversas com matérias consistentes, abrangentes e com as devidas citações às fontes. Falarei mais detalhadamente sobre o site do Sr. Alex Ouden, antes disso, vejamos o que encontrei entre as breves referências mais citadas:

  • Murais do Antigo Egito pintados no túmulo de Ra-Em-Ka, por volta de 2.000 a.C., mostram estátuas sendo arrastadas e homens derramando líquidos de uma jarra sobre o solo à frente do trenó, presumidamente com função de lubrificante.
  • Descobertas arqueológicas mostraram vestígios de que o óleo de oliva e gordura animal teriam sido utilizados sob plataformas tipo trenós para facilitar deslocamentos de pedras e madeira, entre os séculos XXVII e XVII a.C., nas grandes construções do Egito.
  • Matéria graxa foi encontrada no eixo de uma carruagem  enterrada no túmulo no túmulo de Yuaa e Thuiu, datando de certa de 1400 a.C.
  • A aplicação de gordura animal nos eixos das bigas esportivas foi uma das primeiras utilizações sistemáticas, por volta do século VIII a.C. nos jogos olímpicos da Antiga Grécia.  Ainda para a mesma época são creditados ao vikings na Noruega a utilização de óleo de baleia para lubrificar a base de apoio do mastro (carlinga) e eixo dos lemes de seus barcos à vela.
  • Na Europa, a partir do século V, alguns tipos de gordura animal tais como sebo de boi ou carneiro e óleo de baleia também eram utilizados em eixos de carruagens e carretas de tração animal.
  • O Surgimento dos moinhos de vento por volta do Século XII ampliou a demanda de lubrificação que continuou sendo atendida pelas gorduras animais e ou pelo azeite de oliva.
  • Por volta do século XV com as Grandes Navegações o óleo de baleia passou a ser utilizados nas partes articuladas dos navios

Durante muito tempo os lubrificantes  conhecidos e utilizados eram exclusivamente de origem vegetal e animal. Ao mesmo tempo, o conhecimento existente sobre o lubrificação era difuso, inconsistente e de formação empírica. Entrelaçando este contexto, a demanda por lubrificantes era muito baixa e dispersa.  Porém, a partir  da segunda metade do Século XVIII, com o advento da Revolução Industrial, a necessidade de lubrificantes multiplicou-se enormemente incentivando buscas por novas fontes e motivando pesquisas com foco na melhoria da qualidade. A partir de então, o conhecimento sobre lubrificação passou a ser conceituado, divulgado e difundido.


ESTADO DA ARTE DA LUBRIFICAÇÃO NO SÉCULO XIX



Mancal de deslizamento "brassis" - Fonte: http://www.alexdenouden.nl

No trabalho de pesquisa bibliográfica disponibilizado em seu site, o Dr. Alex Den Ouden remonta o panorama da lubrificação no início do Século XIX unindo  fragmentos de registros, salvaguardados em publicações da época, sobre tecnologia de construção dos mancais de deslizamento, lubrificantes utilizados, características das principais máquinas e demandas de lubrificação. Apesar de não conseguir reunir tantos elementos na recomposição do cenário desejado, o trabalho de Dr. Ouden esclarece muitos pontos chaves. No meu entender, pode-se extrair as seguintes afirmações:

  • Até da popularização da máquina a vapor, as principais demandas de lubrificação eram dos moinhos de água e de vento. O lubrificante padrão habitual para essas máquinas era o sebo animal comum.
  • Nas primitivas máquinas de barras - tipo predominante das instalações de máquinas a vapor até aproximadamente a primeira metade do Século XIX - continuou predominando a utilização do sebo para a lubrificação do cilindro e demais partes móveis exceto o mancal principal, onde o óleo de colza era utilizado.
  • O óleo de colza e o sebo animal permaneceram como os lubrificantes recorrentes até final do século XIX e início do XX, quando o petróleo passou a ser utilizado.

   

 

O QUEROSENE PROMOVE A CRIAÇÃO DA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO 

 
Edwin Drake e a perfuração do primeiro  poço de petróleo - fonte: http://www.kids.e sdb.bg/drake.html

 O grande salto e na disponibilidade dos lubrificantes se deu por volta de duas décadas após o surgimento da indústria do petróleo, ocorrido na segunda metade do Século XIX com a primeira perfuração de um poço de petróleo realizada nos EUA por Edwin Drake, no ano de 1959. Foi a técnica de perfuração de poços que viabilizou a  exploração em larga escala do petróleo a custos competitivos. Já a versatilidade do petróleo como matéria prima foi sendo descoberta e explorada ao longo do tempo através do desenvolvimento de um imenso leque de produtos, entre eles os lubrificantes. Nas primeiras décadas o grande filão era o querosene.

Vale salientar que o petróleo já era conhecido desde a antiguidade, estima-se há aproximadamente seis mil anos já era utilizado nas regiões hoje denominadas de Oriente Médio. Mas, a obtenção se dava pela oportuna coleta do óleo proveniente de afloramento ou exsudações.  Outro ponto a se destacar é que apesar de Edwin Drake ter sido o pioneiro na perfuração de poços, anos antes dele realizar sua primeira perfuração,  já existiam poços escavados, inclusive nos E.U.A. Entretanto, foi o desenvolvimento, por Edwin Drake, da técnica de perfuração de poços utilizando sonda de percussão acionada a vapor, bem mais eficiente, rápida e barata que a escavação, que viabilizou a exploração do petróleo como conhecemos hoje e um dos fatores que permitiu o surgimento e a rápida expansão da indústria petrolífera.

Para se ter uma ideia do que foi o crescimento da indústria do petróleo em seus primeiros anos, no livro Lubrificação Industrial(1) Carreteiro e Belmiro relatam que " ...em 1859, o americano Edwin Drake, um ex-maquinista de trem, perfurou o primeiro poço de petróleo de onde eram extraídos 3.200 litros de petróleo por dia. Apenas 5 anos depois do início de operação do poço de Drake já haviam mais de 500 companhias estabelecidas na exploração do petróleo."

Todo crescimento explosivo é impulsionado por uma demanda, criada ou existente. No caso da indústria petrolífera, seu surgimento e o crescimento foi alavancado por uma demanda reprimida, a do querosene. Durante as primeiras décadas da indústria do petróleo o querosene foi seu carro chefe e praticamente o único produto comercial.

O querosene havia sido desenvolvido poucas décadas antes do surgimento da indústria do petróleo por Abraham Pineo Gesner a partir da destilação de óleo  de betume e xisto.  Assim afirma , entre outros, o texto da Wikipédia:

"Abraham Pineo Gesner
, um geólogo canadense desenvolveu um processo para refinar um combustível líquido de carvão, betume e óleo de xisto. Sua nova descoberta, que ele chamou de querosene, o qual apresentou queima mais limpa e era mais barato do que os produtos concorrentes, como o óleo de baleia. Em 1850, Gesner criou a Kerosene Gaslight Company e começou a instalar iluminação nas ruas de Halifax e outras cidades."


O empreendimento de Abraham Pineo provou que o querosene, por ele descoberto, era um produto de grande potencial mercadológico com muitos atrativos. Além das vantagens comparativas em relação aos outros combustíveis para iluminação, o querosene podia ser obtido de diversas matérias primas, entre elas o petróleo. Foi a partir daí que a exploração do petróleo passou a ser vista como um grande negócio. Essa visão foi certamente o que impulsionou a corrida em busca do desenvolvimento de técnicas de perfuração de poços, da qual Edwin Drake foi o vencedor.

O rápido domínio da perfuração de poços permitiu a obtenção de petróleo abundante e barato. Dessa forma o petróleo passou a ser a matéria prima mais vantajosa para extração do querosene, permitindo a obtenção de querosene a um custo bastante acessível,  bem inferior ao dos produtos concorrentes. A queda de preço e aumento da oferta de querosene permitiu o atendimento de uma enorme demanda reprimida, ao que correspondeu um explosivo crescimento de consumo.  Dessa forma, o petróleo promoveu a rápida popularização do querosene, enquanto o querosene foi o produto que alavancou a atividade petrolífera.

Durante aproximadamente três décadas, o querosene foi o carro chefe da indústria do petróleo, para muitas empresas era a única fonte de receita. Pois, na maioria das destilarias, os produtos mais leves resultantes da destilação do petróleo eram descartados por  falta de aplicação comercial. Entre estes,  estava a gasolina, seu uso era marginal em aplicações tais como solvente. A maior parte de sua produção virava rejeito por ser considerado um subproduto muito volátil e perigoso. Nesse tempo, os motores de combustão interna não utilizavam a gasolina, os principais combustíveis utilizados eram os gases de iluminação e de fornos ou, combustível líquido de baixo ponto de ebulição obtido a partir do gás de carvão para o qual os primitivos evaporadores funcionavam bem. Tecnicamente, a gasolina só se tornou viável como combustível dos motores Otto após o desenvolvimento do carburador, acessório capaz de vaporizar a gasolina e outros combustíveis líquidos leves com eficiência.

Já a utilização dos lubrificantes derivados do petróleo levou alguns anos para encontrar sua posição ao sol. Uma das primeiras utilizações de grande demanda do petróleo como lubrificante foi na indústria têxtil, na segunda metade do Século XIX. Naquele tempo as máquinas de fiação de tecelagem utilizavam o óleo de baleia conhecido como óleo de esperma ou espermacete, até que foi descoberto que o petróleo cru misturado ao espermacete aumentava em muito sua eficiência, prolongando a vida útil da máquina. A partir de então, o petróleo passou a ser bem mais utilizado e experimentado. Rapidamente  foi percebido como um vantajoso substituto dos óleos vegetais e gorduras animais na lubrificação, para diversas aplicações.


A ELETRICIDADE FORÇA NOVOS RUMOS NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO 

As invenções de Thomas Edison no campo da iluminação elétrica afetaram o mercado do querosene - imagem do portal Fator Solar

No final do Século XIX, precisamente em 4 de setembro de 1882, Thomas Edison inaugurou o primeiro sistema completo de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, incluindo interruptores. Uma pequena termoelétrica a vapor fornecia eletricidade em corrente contínua para alguns postes de iluminação pública e de mais de 50 residências próximas ao local de geração, no sul de Nova York.

Em comparação com a iluminação a querosene a luz elétrica era estável, não exalava cheiro nem ruído, não necessitava reabastecimento, podia ser acionada remotamente e de imediato,  além de oferecer menor risco de incêndio. A iluminação elétrica passou a ser vista como o futuro, atraindo apostas pesadas de investidores.  E o que se viu nos anos seguintes foi um rápido progresso no campo de geração, transmissão e distribuição de eletricidade, tornando a iluminação elétrica bastante acessível, principalmente depois da adoção dos sistemas de corrente alternada desenvolvidos pela Westinghouse. Foi um grande golpe para a indústria do petróleo, seu principal produto, o querosene que tinha como principal aplicação a iluminação, perdia mercado rapidamente para a iluminação elétrica.

Nesse cenário, surgiu um novo direcionamento para a produção comercial dos derivados de petróleo, entrava em cena o automóvel a gasolina. O automóvel não foi uma inovação inesperada, ao contrário, já existia como ideia e era almejado há muitas décadas. Sua criação nada mais foi que a materialização do ideal visionário de um veículo leve ligeiro que substituísse as carruagens, tanto que os primeiros automóveis eram chamados de “carruagem sem cavalo”Vale lembrar que as locomotivas a vapor já existiam desde 1808 e, fora dos trilhos, os ônibus a vapor já circulavam comercialmente desde 1825. O automóvel ainda não existia de forma concreta, havia a ideia, mas faltava a viabilidade técnica para sua construção. Quando este palco finalmente estava montado, havia três tipos de motorização consideradas promissoras, mas que careciam de bastante desenvolvimento técnico para se tornarem aptas a nova aplicação, eram elas: a tração elétrica; a tração a vapor; a tração por motor a combustão. O desenvolvimento da adaptabilidade do motor a combustão ao novo uso foi impressionante.


O triciclo movido a gasolina de Karl Benz considerado o primeiro automóvel - fonte: portal Salão do carro

Desde seu surgimento, os motores a combustão interna existentes eram representados pelos motores a explosão, incluindo o motor Otto. O combustível desses motores era predominantemente o gás de iluminação e de fornos industriais, o que praticamente limitava a utilização dos motores de combustão interna a instalações estacionárias. Até que, finalmente, em 1884 surgiram os primeiros  carburadores  capazes de vaporizar a gasolina com regularidade  e sistemas de sistemas de ignição capazes de inflamar a mistura ar gasolina com eficiência. A possibilidade de se utilizar combustíveis líquidos nos motores de combustão interna foi o primeiro passo para torná-lo apto e competitivo para a motorização de veículos, principalmente dos leves ligeiros. Logo o automóvel seria uma realidade, pelas mãos de Karl Benz, com a construção de um triciclo impulsionado por um pequeno motor a gasolina e que viria posteriormente a ser considerado o primeiro automóvel.

Na verdade o carro de Benz foi apenas um importante marco na história do automóvel, a corrida pela elaboração do produto comercial "automóvel" estava apenas começando meio a uma grande concorrência. Assim, ainda que pioneiro, o automóvel a gasolina passou a disputar seu lugar ao sol juntamente com os automóveis a vapor e elétricos, numa disputa onde os três conquistavam terreno rapidamente. Ao menos nos primeiros passos da história do automóvel, vez que o cenário de mercado era de explosivo crescimento de demanda, com procura muito além da oferta. O texto disponibilizado no Wikipedia dá uma ideia o quanto a frota de automóveis cresceu a passos largos em seus primeiros anos de vida: 

"... No início do século 20 havia cerca de 8 mil veículos registrados, e em 1920 havia 23 milhões de carros. No entanto, não estava claro se os motores a gasolina seriam usados ​​para tracionar o automóvel. Os primeiros modelos eram alimentados por vapor e eletricidade, bem como por gasolina. No início dos anos 1900, a maioria era elétrica."

Por outro lado, as vantagens e desvantagens competitivas entre as opções de motorização concorrentes nem sempre podiam ser percebidas, pois o potencial de utilização do automóvel ainda  estava sendo traçado e ampliado e isso prejudicava a seletividade das escolhas. Aliado a isso, os três tipos de motorização, apesar de conhecidos e testados em outras aplicações, estavam em franco desenvolvimento quanto a adaptabilidade à nova utilização. E foi o motor a gasolina que demonstrou melhor adaptabilidade. Graças aos  melhoramentos introduzidos nesse tipo de motor e ao desenvolvimento de alguns sistemas acessórios, em poucas décadas o automóvel a gasolina conquistou hegemonia de mercado, suprimindo por completo a concorrência.

Um dos acessórios que impulsionou definitivamente a aceitação e venda dos automóveis a gasolina foi a partida elétrica, pois a partida a manivela, além de incômoda, era considerada perigosa. Com a inclusão da partida elétrica o automóvel anulou uma das vantagens do carro elétrico que era a facilidade de ser posto em marcha.

Também contribuíram para o triunfo do carro a gasolina fatores externos, um deles de grande importância foi o aumento de estradas disponíveis. Com mais estradas as vantagens de maior autonomia,  simplicidade e rapidez do reabastecimento dos automóveis a gasolina frente a concorrência passou a ser mais evidenciada e valorizada.

O sucesso do automóvel mudou radicalmente a importância da gasolina, que passou de rejeito a novo carro chefe da indústria do petróleo, desbancando o querosene. Em 1910 a demanda de gasolina ultrapassou a de querosene. Outra consequência desse sucesso foi  o aumento de demanda dos lubrificantes derivados do petróleo.


A EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS DE LUBRIFICAÇÃO NOS MOTORES DE COMBUSTÃO

Muito da evolução dos lubrificantes e dos sistemas de lubrificação se deve a invenção do automóvel a gasolina e ao seu triunfo frente a concorrência. Pois, a obtenção do sucesso da aplicação do motor a combustão ao automóvel exigiu refinamentos sucessivos de várias ordens, dos quais os motores estacionários não prescindiam. Muitas dessas implementações, recorrentemente, resultavam na geração de demandas de melhorias para os sistemas de lubrificação e para os lubrificantes. Como resultado, os motores de combustão interna automotivos se diferenciaram muito dos motores estacionários típicos da época, e um grande destaque foi a evolução do sistema de lubrificação.

Neste vídeo do pioneiro carro de Karl Benz de 1886 pode-se visualizar os lubrificadores por gotejamento

Talvez não seja exagero afirmar que: para o motor de combustão interna ser aplicado ao automóvel teve que ser reinventado. Pois, a instalação embarcada impõe um concepção de motor bastante diferenciada comparativamente ao motor estacionário.


Pela natureza de suas instalações, durante a operação, os motores estacionários não são submetidos a forças centrífugas nem a movimentos oscilatórios ou solavancos, não trabalham em ambientes de poeira e não ficam sujeitos a variações bruscas de temperatura e umidade. Por outro lado, por não precisarem lidar com o próprio peso nem precisarem possuir dimensões compactas, os motores estacionários eram concebidos sob linhas de orientação que priorizavam a fiabilidade e simplicidade de manutenção, assim o modelo predominante era o de biela descoberta, muitos com sistema de cruzetas, girando a baixas velocidades, o que resultava em grandes dimensões e peso por unidade de potência. Tais condições de trabalho e linhas de orientação construtiva permitiam sistemas de lubrificação bastante simples que, em geral, se valiam de  lubrificadores independentes para cada parte móvel, prevalecendo a aplicação de lubrificantes diferentes entre alguns pontos de lubrificação,  conforme adequação à exigência de trabalho. A adoção de lubrificação intermitente era corrente para os mancais guias e para alguns de deslizamento, vez que a reposição do lubrificante podia ser feita pelo sempre presente operador, com o motor em pleno funcionamento.

O motor desenvolvido por Karl Benz para seu triciclo ainda conservava a configuração de bielas descobertas e lubrificadores independentes para cilindros, virabrequim e trem de válvulas, comuns aos motores estacionários da época - imagem do portal cartecc

Como citado anteriormente, uma das primeiras invenções ancoradas na busca da viabilização do automóvel a gasolina foi o carburador. Com ele veio a possibilidade de se utilizar combustíveis líquidos para alimentar os motores a combustão interna, incluindo a  gasolina. E, graças a grande densidade energética dos combustíveis líquidos, isso representou simplicidade para o sistema de alimentação que num veículo traria ganhos de mobilidade, autonomia, leveza e simplicidade de reabastecimento. Entretanto os motores precisavam melhorar para melhor se adaptar a nova aplicação.


Uma necessidade logo identificada para os motores de combustão automotivos, foi a da melhoria da relação peso / potência, pois, veículos leves ligeiros prescindiam igualmente de motores leves e potentes. Para alcançar esse objetivo os motores automotivos típicos eram desenhados para terem estrutura mais leve possível, assim não incluíam a configuração de cruzeta, por exemplo. A seleção por rendimento mais alto e relação peso/potência praticamente definiu os motores de ciclo Otto a quatro tempos como padrão para os motores de combustão automotivos. Também passaram a ser projetados para alcançar rotações de trabalho bem mais elevadas, vez que já se sabia que quanto mais rápido girasse um motor maior seria sua potência específica e menor a relação peso/potência.

No tempo, uma dos grandes empecilhos para que os motores alcançassem rotações mais altas eram os sistemas de ignição. Novos sistemas de ignição precisaram ser desenvolvidos para permitir que os motores atingissem rotações mais elevadas. Até então, só haviam dois tipos de sistema práticos de ignição aplicados aos motores comerciais; um por centelha elétrica e outro por transferência de chama, ambos restritos a baixas velocidades de operação.

O mais antigo era de ignição por centelha alimentado por bateria seca. Esse tipo de configuração já havia sido utilizada por alguns precursores como Isaac de Rivaz, em 1807, em motores experimentais que não chegaram a ser produzidos comercialmente. Se manteve como opção válida mesmo após o surgimento dos primeiros motores comerciais. Por volta de 1850, foi utilizado nos motores atmosféricos de dois tempos, sem compressão, da dupla de italianos Barsanti e Matteucci, bastante desenvolvidos, só não chegaram a entrar em produção comercial devido a trágica morte do Padre Eugênio Barsanti, ocorrida em 1864, quando a dupla providenciava o início da produção seriada.  Em 1860, também foi esse tipo de ignição que Lenoir aplicou a seu primeiro motor e replicaria nos modelos comerciais, que funcionavam em ciclo de dois tempos, sem compressão, de trabalho útil na fase de expansão.  A pioneira ignição por centelha, possuía circuito elétrico muito simples, no qual eram ligados, em série: a bateria, uma bobina indutora, eletrodos de ignição  e um interruptor de corrente comandado pelo motor. Mas, devido ao tempo de recuperação de corrente, esse circuito era incapaz de produzir centelhas regulares em intervalos de tempo pequeno. Tal limitação impedia que os motores alcançassem rotações acima de 200 rpm.   

O outro sistema teve vida curta, só foi aplicado  aos motores atmosféricos, sem compressão, de Otto e Langen. Utilizava um problemático arranjo de chama externa e uma válvula deslizante para sincronizar a transferência de chama para câmera de combustão que, além de apresentar limitações quanto a velocidade de operação do motor, era  incompatível com os motores que incluíam fase de compressão em seu ciclo. Por conta disso, a dupla de alemães quando se voltou para o desenvolvimento dos motores de quatro tempos, com compressão, utilizaram o antigo sistema de centelha alimentado por bateria seca.
 
O pioneiro  Karl Benz, ciente de que para desenvolver um motor automotivo bem sucedido, além de capacitá-lo a funcionar com combustível líquido, necessitaria   fazê-lo girar a rotações bem mais elevadas que os motores típicos da época, desenvolveu um novo sistema de ignição por centelha, também alimentado por bateria seca, mas numa configuração bem mais refinada que o de circuito em série utilizado até então. O maior diferencial do novo circuito foi a utilização de bobinas vibradoras semelhantes as utilizadas para alimentar lâmpadas de arco. Com isso, conseguiu que seus motores de quatro tempos  alcançassem velocidades de até 450 rpm. Outra necessidade entendida por Benz é que o controle de variação de velocidade era algo essencial para um motor automotivo, em resposta dotou seu motor de controle de velocidade por estrangulamento. Quanto a adequação de seu motor ao uso da gasolina, o inventor alemão desenvolveu um carburador de superfície.

Quase que simultaneamente a Benz, outros dois alemães também desenvolvem motores de combustão com intenção de motorizar veículos a gasolina, foram eles Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybac. Juntos, além de desenvolverem o carburador por spray, concentraram esforços para conseguir rotações de trabalho mais altas para seus motores. Trabalhando nesse sentido, passaram a equipá-los com um sistema de ignição por tubo quente desenvolvido por Watson, onde um tubo de platina ligado a câmera de combustão era mantido ao rubro através de um bico de busen.   Assim como Karl Benz, também dotaram seus motores com controle de variação de velocidade por estrangulamento, bem mais adequado a um motor veicular que os sistemas dos motores estacionários da época, que utilizavam o controle  binário de corte e alimentação total de gás, comandado por mecanismo centrífugo para, com o auxílio de um volante de grande massa, manter a rotação constante. Daimler e Maybac obtiveram grande êxito, seus motores chegaram a atingir 900 rpm, algo impensável para a época, um progresso incrível. Mas, era só o começo, e haveria muitos outros concorrentes trilhando esse caminho. Em pouco tempo os motores automotivos atingiriam velocidades de trabalho ainda mais altas.

O motor a 4 tempos de Daimler e Maybac modelo "Grandfather Clock" de 1885, estabeleceu novos parâmetros de relação de peso e potência  ao alcançar velocidades de rotações de trabalho bem superiores a dos motores da época. Também foram os primeiros a ostentar cobertura de   biela e virabrequim - Imagem do portal Cartype

Com a velocidade dos motores crescendo, aumentava as exigências de eficiência dos sistemas de lubrificação. Já em 1885, Daimler e Maybac desenvolveram um motor de quatro tempos com biela e virabrequim cobertos, apesar de não se tratar conceitualmente de um cárter, vez que a lubrificação do cilindro continuou sendo feita por gotejamento. Ao que tudo indica a motivação da dupla de alemães para adotarem a proteção de biela e volante em seus motores teve mais a ver com o engenhoso, mas sensível a poeira, sistema de acionamento da válvula de escape (a de admissão era automática) que dispensa eixo de comando e engrenagens de redução. O arranjo é formado por canais guias, usinados no volante, formando uma dupla espiral sem fim.  A válvula de escape é acionada por uma vareta comandada por um rolete que desliza no interior dos canais guias. O desenho dos canais é feito de tal forma que a cada giro do volante o rolete alterna entre espiral interna e a externa, assim a válvula só é acionada uma vez a cada duas voltas.
 
Detalhes do sistema de acionamento de válvula que dispensava eixo de comando e engrenagens de redução de velocidade no motor "Grandfather Clock" de Daimler e Maybac  - Imagem do portal Cartype

Se os "Grandfather Clock" não foram os precursores do sistema de lubrificação por cárter, pelo menos na aparência externa, anteciparam os motores automotivos das décadas seguintes. Os motores dos primeiros automóveis, incluindo os de Karl Benz de 1886 a 1896 e o de Henry Ford de 1896, mantiveram o desenho de biela descoberta e lubrificação por gotejadores de óleo individuais. Mas, logo após sua invenção em  1896, a configuração de cárter úmido e lubrificação por salpico de óleo com sistema único para todas as partes, logo passou a ser a configuração padrão. Esse sistema simplificou muito a operação diária do automóvel vez que dispensou o motorista da repetitiva tarefa de reabastecer diversos lubrificadores. Também permitiu maior imunidade a poeira e intempéries, além de eliminar  falhas de lubrificação decorrentes dos movimentos de oscilação e de forças centrífugas a que um motor automotivo está sujeito durante seu funcionamento. Uma das exigências desse sistema, para felicidade da indústria do petróleo, é que os motores necessitam de muito óleo no cárter.

O sistema de lubrificação com cárter úmido unificou o sistema de lubrificação, o mesmo óleo lubrifica mancais de virabrequim, cilindros e trem de válvulas. Nos motores de válvulas laterais a configuração do sistema de distribuição de óleo, em geral, é bastante simples, uma uma saliência fixada a parte inferior da biela, chamada de colher, lança salpico de óleo nas partes altas, cilindros e comando de válvulas, enquanto que os mancais do virabrequim ficam imersos no óleo do cárter, dispensando assim bomba de pressurização.
Sistema de lubrificação por salpico - ainda comum em motores de válvulas laterais - fonte: Slide Share


O sistema de salpico se mostra eficiente para motores de válvulas laterais, principalmente os de instalação fixa, tanto que pequenos motores estacionários atuais ainda utilizam desse sistema. Para os motores veiculares, principalmente os multicílindricos, esse sistema apresenta limitações. Durante o deslocamento do veículo em aclives, declives, inclinação lateral da pista e contornando curvas longas pode haver interrupção momentânea da lubrificação, simplesmente porque a colher pode não atingir o nível do óleo. Entretanto, detalhes de projetos podem mitigar tais situações. A maior prova disso é que a lubrificação por salpico foi adotado com sucesso em diversos veículos de válvulas laterais, entre eles o popular Ford Modelo T.

No esquema abaixo podemos conferir duas soluções dadas por Henry Ford em seu motor para a manutenção da lubrificação nas situações de desalinhamento do nível óleo em relação ao motor - inclinações de pista e curvas:
  • O fundo do cárter é provido de rebaixos semi-anelares sob três dos quatro moentes do virabrequim, de forma a reter o óleo nas inclinações longitudinais e, nas inclinações laterais e curvas, manter o contato da biela com o óleo.
  • Sob o volante fica o poço de óleo, cujo nível atinge a parte inferior do volante,  ranhuras na lateral do volante desempenham a função de bomba centrífuga, elevando o óleo até uma pequena câmara, de onde o óleo flui por gravidade através de um tubo que desemboca na extremidade oposta do motor.

Motor de 4 cilindros do Ford modelo T tinha sistema de lubrificação por salpico - fonte: Portal Hemmings

A evolução dos motores automotivos continuou em marcha acelerada. O aumento da potência específica foi notável a partir da segunda década do século XX. A abertura de novas e boas estradas fazia com que o mercado exigisse automóveis cada vez mais rápidos e velozes. Os motores de válvulas laterais logo foram suplantados pelo de válvulas no cabeçote.  Aumentava com isso as exigências de eficiência dos sistemas de lubrificação. Uma das respostas mais perceptíveis foi a substituição  da lubrificação por salpico pelo sistema de lubrificação por pressão.  Com a pressurização a distribuição de óleo passou a ser muito mais eficiente e racional. Foi possível se incluir filtro de óleo, ampliar o número de canais de distribuição, que também passaram a ser  bem mais estreitos.  A possibilidade do óleo ser conduzido a qualquer ponto independente de sua posição ou resistência ao fluxo de óleo teve impacto no desenho interno dos motores e em diversos componentes tais como bielas, virabrequim, pistões e mancais os tornando mais compactos e aumentando sua durabilidade. O sistema de lubrificação também passou a ter importância bem mais ativa na refrigeração do motor, atendendo peças críticas, como exemplo na refrigeração dos pistões através do direcionamento de jatos de óleo.


Sistema de  lubrificação por pressão típico - Imagem do portal R19


A contínua evolução dos motores de combustão também passa pelo refinamento dos sistemas de lubrificação dos motores automotivos que permanece em constante evolução, e como dito anteriormente não se dá apenas nos sistemas mecânicos, mas também na tecnologia de produção dos lubrificantes e de forma muito intensa. 


O BOOM DO AUTOMÓVEL E A EVOLUÇÃO DOS LUBRIFICANTES 

Com o boom do automóvel, o óleo lubrificante passou a ser um produto estratégico para a indústria do petróleo. Nas primeiras décadas do automóvel a gasolina, a lubrificação de seus motores era feita praticamente com petróleo cru. Isso provocava diversas dificuldades de funcionamento. Não tardou para a indústria dos lubrificantes buscasse soluções, pois a demanda óleo lubrificantes rapidamente tornou este segmento bastante lucrativo. Como resultado as empresas envolvidas investiram maciçamente em pesquisas de melhoramento dos lubrificantes, o retorno foi consistente e contínuo. Os resultados foram muitos e o assunto e extenso, por isso ao invés de discorrer sobre o assunto, que considero bastante denso, preferi incluir o excelente vídeo a seguir, disponibilizado no YouTube.

 

História da lubrificação produzido pela History Chanel

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Lubrificantes & Lubrificação Industrial - Ronaldo P. Carreteiro e Pedro Nelson A. Belmiro - Rio de Janeiro, 2006, editora Interciência.

 

PARA SABER MAIS...



Sobre o desenvolvimento do motor de combustão interna



Sobre tecnologia dos motores de combustão interna atuais
Surgiro a apostila do Professor da Unijuí, Luis Carlos Martinelle Júnior, Motores de Combustão Interna, disponibilizada no site Saúde e Trabalho, em: https://fabioferrazdr.files.wordpress.com/2008/08/mci.pdf


Sobre a importância da lubrificação nos motores de combustão

Surgiro a apostila dos Professores do Instituto Federal Fluminense, Marcos Vinícius Ferreira Cordeiro e Marcos Vinícius Fernandes de Azeredo, A Importância da Lubrificação para os Motores de Combustão Interna, disponibilizada no site, do Instituto Federal Fluminense,  em: http://bd.centro.iff.edu.br/bitstream/123456789/896/1/A%20IMPORT%C3%82NCIA%20DA%20LUBRIFICA%C3%87%C3%83O%20PARA%20OS%20MOTORES%20DE%20COMBUST%C3%83O.pdf
 
Sobre lubrificação nas locomotivas a vapor no século XIX

Sugiro o site do Dr. Alex Den Ouden no endereço: http://www.alexdenouden.nl/08/lubri.htm




Sobre o assunto lubrificação

Surgiro a apostila do SENAI do Espírito Santo, disponibilizada no site da Abragaman: Lubrificação, em: http://https://www.abraman.org.br/docs/apostilas/mecanica-lubrificacao.pdf

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