Motores de Combustão: MOTORES DE COMBUSTÃO EXTERNA - HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO

AEOLOPITO - O PRIMO MAIS DISTANTE

Fig. 01 - Ilustração do aeolopito (Eolípila) descrito por Heron

Os registros descritivos mais antigos sobre a utilização da energia térmica em motores, parecem ser os de Heron de Alexandria, que viveu no primeiro século depois de Cristo. O seu tratado sobre "Mecânica", que tem recebido publicações consecutivas até datas recentes, versa sobre vácuo, vapor e descreve uma esfera movida a reação de vapor, a "Esfera de Aeorus" também citada como " Aeolopito" ou ainda "Eolípila"

O Aeolopito, ao que consta, era uma esfera que girava centralizada por dois semieixos horizontais ocos que desembocavam nela transferindo o vapor vindo de um recipiente fechado com água em ebulição. Perpendicular ao eixo de rotação da esfera, saiam, em lados opostos, dois tubos curvados e abertos em suas extremidades, de modo a permitir descarga livre do vapor numa linha tangencial ao eixo de rotação da esfera, provocando seu movimento circular. Entretanto não há indicações de que este dispositivo tenha sido utilizado para fornecer força motriz àlguma máquina. Seu uso parece ter sido apenas didático, de entretenimento e, especificamente em templos, decorativo ou místico.

Há ligeiras referências de alguns escritores a uma máquina de propulsão de água que teria funcionado no antigo Egito, mas nenhuma descrição detalhada. Monteiro Lobato, por exemplo, em sua obra infantil História da Invenções, narra através de Dona Benta, sobre referências à suposta máquinas de fogo utilizadas para bombear água em Alexandria que trabalhavam melhor que escravos. mas que teriam se perdido com a destruição do Império Romano, sem deixar nenhum registro descritivo.

IDADE MÉDIA - BUSCA POR UMA NOVA FORÇA MOTRIZ

Fig. 2 - Demonstração pública de Otto Von Guericke da força do vácuo

Na idade média a Expansão Comercial na Europa, fomentada pela nova organização social, exigia meios de produção mais eficientes para atender a demanda em crescimento. O surgimento das máquinas produção em substituição aos artesãos, ampliava em muito a produtividade, mas exigiam força motriz para acionamento. A força animal, as rodas dágua e os moinhos de vento, eram as únicas conhecidas e apresentavam limitações quanto a sua exploração, tornando desejável o aparecimento de uma nova opção.

A busca de uma solução, suscitou estudos sobre a pressão atmosférica e os resultados destes estudos, como os de Galileu Galilei, Pascal, Torricelli, e Otto Von Guericke (este último, em 1654, criou vários aparatos onde pistões, dentro de cilindros herméticos, moviam-se no sentido oposto a tração dezenas de homens graças ao vácuo criado no interior do cilindro por uma bomba acionada por um único homem), vários inventores se propuseram a criar máquinas de bombeamento usando a pressão atmosférica.

Um registro de invento citado por Abbott Payson Usher como "pouco documentado, mas que apresenta vários indícios de veracidade" é o de Edward Somercest, mais tarde conhecido pelo título de Marquês de Worcester, Usher se refere ao trabalho descrito na biografia do Marquês por Dircks, que relata sobre uma máquina de bombeamento que teria sido instalada no Castelo Raglan por volta de 1630 e que teve monopólio garantido, em 1663, pelo Parlamento inglês por 99 anos para o uso da máquina "comandada-a-água". A máquina ao que parece funcionava com dois recipientes cilíndricos idênticos, alimentados com vapor alternadamente por uma caldeira através de uma torneira de quatro vias. Na câmara, além do tubo de condução do vapor, chegavam outros dois. O primeiro proveniente da fonte de água, onde sua outra extremidade ficava submersa, dispunha de válvula de retenção de forma só permitir passagem de água no sentido da fonte para câmara. O segundo, destinado a saída de água, tinha sua extremidade de abertura localizada próximo ao fundo do recipiente, o tubo seguia pela torneira de quatro vias e só tinha sua passagem liberada simultaneamente a injeção de vapor na câmara, também comandada pela mesma torneira

Inicialmente o vapor era injetado em uma das câmaras, em seguida a alimentação era suprimida, com resfriamento o vapor era condensado e a depressão provocada aspirava a água da fonte até o recipiente, na sequência, com a câmara cheia de água, era refeita a ligação da câmara com a caldeira e do tubo de saída com a tubulação principal de forma que a pressão do vapor empurrava a coluna de água até o destino. A alternância do ciclo para os dois recipientes poderia fornecer um funcionamento quase contínuo. Parece que, mesmo que tenha funcionado a contento, a máquina de Worcester não conseguiu se popularizar.

PISTÃO E CILINDRO: A RECEITA DE HUYGENS E PAPIN

Fig. 03 - Ilustração para experiência de Papin e Huygens

Um registro bastante incidente de êxito experimental foi o engenho de Christiam Huygens e Denis Papin. O dispositivo inicial constava de um cilindro vertical com a abertura voltada para cima e dotado de pistão. O pistão era deslocado até a parte superior do cilindro e, através de uma abertura inferior, era colocado pólvora no seu interior. A pólvora era inflamada em seguida produzindo massa de ar quente sob o pistão. Com o cilindro aquecido a entrada de ar era fechada e através do resfriamento criava-se depressão na câmara formada pelo conjunto com consequente movimento do pistão.

Devido aos resíduos provocados pela pólvora no interior do cilindro, os inventores voltaram suas experiências para o uso do vapor. Em 1690 construíram um novo aparato, um cilindro vertical de 2 e ¹/₂" com abertura também voltada para cima e dotada de um pistão com tirante que o ligava a uma barra de balancim. O balancim era montado com os pesos desequilibrados de modo a manter o pistão no seu cimo quando não houvesse nenhuma força atuando no pistão. A operação de funcionamento constava em colocar água no interior do cilindro e retirar o ar de seu interior. Com pistão na parte inferior, o cilindro era aquecido pela extremidade inferior até formar vapor no interior do cilindro, com isso e tracionado pelo balancim, o pistão se deslocava até seu ponto mais elevado onde era travado por uma presilha. A fonte de calor era retirada e após resfriamento do cilindro o pistão era liberado e graças a depressão criada pela condensação do vapor no interior do cilindro, vencia a força contraria do balancim tracionando-o em movimentando descendente. Quando o pistão atingia o ponto mais baixo o ciclo era reiniciado com novo aquecimento na parte inferior do cilindro.

Apesar de ter funcionado como previsto, a máquina de Papin e Huygens não teve nenhum uso como força motriz prática. Mas, teve grande mérito, pois mostrou o que seria o caminho das pedras para a nova unidade de força motriz que surgiria: o conjunto cilindro, pistão utilizando vapor.

AS PRIMEIRAS MÁQUINAS TÉRMICAS COMERCIAIS - A BOMBA DE SAVERY

Fig. 4 - Bomba de Savery - fonte: Wikipedia

O Sucesso das experiências de Christian Huygens e Denis Papin certamente direcionaram o modelo a ser seguido na busca da nova força motriz: O conjunto pistão/cilindro com acionamento a vapor. Antes, porém, um invento se destacaria ao obter sucesso comercial usando uma receita muito próxima da de Worcester, foi a máquina de Tomas Savery que usava a condensação do vapor para erguer água até um recipiente oco e dali empurrá-la até um nível mais alto através da aplicação do vapor sob pressão. A primeira máquina foi conhecida publicamente em 1698, mesmo ano em que obteve patente posteriormente extendida para abranger 35 anos. Segundo Usher Esta máquina chegou a ser instalada pelo menos em uma mina, onde, além do trabalho de bombeamento, sua instalação melhorou a ventilação graças a corrente de ar criada pelo fogo da caldeira. Mas, um dos maiores empecilhos na sua difusão dizia respeito a segurança quando empregadas em tarefas pesadas, pois seu alcance de elevação de água dependia diretamente da pressão utilizada na caldeira. Medos de explosões e acidentes eram justificados pela baixa resistência das soldas empregadas na época. Seu maior emprego parece ter sido em trabalhos leves como bombeamento em casas de campo, havendo poucos registros.

Ainda assim a importância da máquina de Savery é inegável. Pois pela primeira vez na história, o homem dispunha de uma força motriz prática, que não a muscular, eólica ou hidráulica, muito limitadas quanto a localização geográfica e disponibilidade de potência. Teoricamente, a máquina a vapor de Savery, ainda que limitada ao bombeamento dágua, poderia funcionar regularmente em qualquer ponto geográfico, desde que não houvesse limitações em relação ao fornecimento de combustível. Que teriam de ser concomitantes, de indisponibilidade no local e empecilho para transporte até tal ponto geográfico.

NEWCOMEN - A AFIRMAÇÃO DA MÁQUINA A VAPOR COMO FORÇA MOTRIZ

Figura 05 - Máquina a vapor de Newcomen

Por volta de 1712, mais de vinte anos após as experiências de Huygens e Papin, Thomas Newcomen, usando os princípios apontados por aqueles, criou uma máquina a vapor prática e segura para bombear água, pois funcionava com a condensação do vapor. Nela a pressão máxima do vapor quase não ultrapassava a pressão atmosférica

A máquina era composta por um cilindro vertical dotado de pistão ligado a uma barra de balancim. O pistão, com a máquina em descanso, ficava no cimo do cilindro. Inicialmente, com o pistão na posição de repouso, o vapor vindo de uma pequena caldeira era injetado por baixo do cilindro. Uma saída na parte inferior do cilindro ligada a uma válvula direcional submersa em água - válvula roncadora - deixava escapar o ar e ao mesmo tempo limitava a pressão máxima no cilindro a um valor pouco superior a atmosférica. Com o cilindro quente e cheio de vapor, a válvula era fechada, cessando a alimentação do vapor. O conseqüente esfriamento do cilindro provocava uma depressão suficiente para mover o pistão. Através de um injetor na parte inferior cilindro, um jato dágua era introduzido na câmara, acelerando a condensação do vapor. Quando o pistão atingia o ponto mais inferior do seu curso, a válvula de admissão de vapor era automaticamente acionada para nova pressurização do cilindro. A elevação da pressão dentro do cilindro, para um valor próximo ao da pressão atmosférica, provocava o movimento ascendente do pistão e a drenagem de toda a água condensada através do orifício ligado a válvula roncadora. Quando o pistão atingia o topo A válvula de admissão de vapor era acionada reiniciando o ciclo. Devido a dificuldade tecnológica de se produzir um conjunto cilindro / pistão com medidas e formas precisas. O cilindro era selado por disco de couro com selo de água

Por volta de 1725, as máquinas de Newcomen caíram em uso geral, sendo utilizadas, principalmente nas minas para bombeamento dágua, fazendo até mesmo algumas abandonadas, devido a alagamentos, serem reativadas.Também eram empregadas em grandes edifícios para abastecimento de água potável. Em 1726 foi instalada a primeira máquina na França, em Passy, subúrbio de Paris, para abastecer a cidade com água do Sena. Há algumas citações do seu uso para incremento de potência em rodas dágua que eram utilizadas para fornecer movimento constante às máquinas de produção. Algumas vezes as máquinas de Newcomen eram adaptadas para produzir movimento rotativo através de uma vara de conexão impelindo um eixo de manivelas e uma roda volante. Este arranjo era eventualmente empregado para retirar material das minas. As máquinas de Newcomen reinaram absolutas como força motriz por aproximadamente meio século, até que o sucessivo trabalho de criação e refinamento de James Watt veio ampliar em muito o uso e eficiência da máquina a vapor.

Sobre a autoria do invento, existem várias considerações. Alguns autores afirmam que Newcomem, além de se inspirar nos experimentos de Huygens e Papin, teve ajuda direta de Robert Hooke no desenvolvimento dos princípios gerais de sua máquina. Para poder fabricar suas máquinas Newcomen se associou com Savery, que tinha a patente de 1698, ainda válida, para uma máquina de bombear. Apesar de possuir arranjo bastante diverso , as descrições da patente da máquina de Savery eram tão abrangentes que a equiparava a máquina de Newcomen, é o que relata alguns autores.

JAMES WATT - A SUPERAÇÃO DE ÊXITO

Fig 06 - Foto da máquina de Watt de efeito duplo (Fonte: site do Lycée Sainte Elisabeth)

Depois da concepção por Newcomen, os maiores refinamentos na máquina a vapor foram, reconhecidamente, dados por James Watt. O primeiro deles foi a concepção da condensação do vapor fora do cilindro. Em 1763, ao consertar uma máquina de Newcomem, na universidade onde trabalhava como fabricante de instrumentos matemáticos, percebeu a grande perda de energia ao se condensar o vapor no mesmo cilindro. Entendeu que o ideal era manter o cilindro sempre tão quente quanto o vapor. Idealizou o condensador: um vaso em separado, selado, usando bomba para manter o vácuo. Também abandonou o selamento de água fria usado nas máquinas de Newcomen. Decidiu prover o cilindro de uma cobertura com um orifício, por onde passaria a tirante ligada ao pistão, de modo a formar uma segunda câmara para a face superior do pistão permitindo utilizar o vapor no lugar da pressão atmosférica para empurrá-lo para baixo.

Em 1769, mais de cinquenta anos após a máquina de Savery, foi concedida a Watt a patente de "Um Novo Método de Diminuir o Consumo de Vapor e Combustível das Máquinas", mas, a fabricação comercial com este conceito só foi alcançada por ele, sete anos depois.

Em 1774, um novo tipo de moinho de perfuração de canhões foi patenteado por John Winkinson. A crescente exatidão alcançada tornou-a de muito valor para o sucesso das novas máquinas Watt.Em 1775, com sua máquina experimental bastante aprimorada, e tendo como sócio Mathew Boulton, Watt conseguiu estender sua patente por mais 25 anos. No ano seguinte eram comercializadas as primeiras máquinas de Boulton e Watt.

Esquema de uma das primeiras máquinas de Watt, ainda sem hastes - Fonte: Wikipedia

A máquina se assemelhava externamente a de Newcomen e tinha a mesma aplicação (bombeamento d´água) e configuração (um Grande balancim com uma das extremidades em arco, ligada por uma corrente a uma haste de um pistão inserido num grande cilindro vertical. A outra extremidade, semelhante, era ligada a uma bomba de recalque). Mas, o funcionamento da máquina de Watt obedecia o seguinte ciclo: Quando o pistão estava no cimo de seu curso ( posição normal com a máquina inativa) . A válvula de equilíbrio (que ligava uma câmara a outra) era fechada isolando as câmaras. A válvula de escapamento (ligando a câmara inferior ao condensador ) era aberta para produzir vácuo embaixo do pistão. A válvula de admissão de vapor era aberta ao mesmo tempo, pressurizando a câmara superior. A diferença de pressão entre as faces do pistão o empurrava para baixo. Quando o pistão atingia o ponto mais inferior do curso, a válvula de escape era fechada e de admissão eram fechadas e a de equilíbrio aberta. Com a equalização da pressão entre as duas câmaras, o pistão se deslocava para cima, tracionado pelo desequilíbrio do sistema de balancim. Ao atingir o topo, o ciclo era reiniciado.

Watt foi incentivado por Boulton a descobrir meio de dar movimento rotativo a sua máquina, pois, em plena revolução industrial, as máquinas a vapor estavam fortemente integradas às minas nas tarefas de bombeamento, mas não se prestavam ao movimento rotativo exigido pelas indústrias. As única forças motrizes que dispunham as indústrias até então eram: A força animal - muito reduzida e cara. A energia eólica pelos moinhos de vento - de custo baixo, mas, muito variável pela natureza dos ventos e a hidroenergia pelas rodas dágua - barata, de fácil controle de potência e velocidade, mas limitada geograficamente a cursos de rios perenes.

Devido a existência de uma patente concedida a Wasbroug em 1779, da adaptação do antigo eixo de manivelas a máquina de Newcomen. Em 1781, Watt patenteou para suas máquinas o epiciclo sugerido por seu assistente William Mourdock. Suas máquinas rotativas foram fabricadas com esta configuração até 1794, quando expirou a patente do eixo de manivelas.

No ano de 1782 Watt patenteou dois melhoramentos para sua máquina:

· A máquina de ação dupla, que praticamente dobrou a potência das máquinas para um mesmo volume, através da aplicação do ciclo útil de vapor para ambas câmaras do cilindro. Para poder utilizar a força útil no movimento ascendente do pistão, Watt eliminou a corrente que ligava a haste do pistão ao balancim, substituindo-a por um conjunto de hastes articuladas, tipo pantógrafo.

· O uso de admissão do vapor apenas numa fração do percurso do pistão, usando a força expansiva do vapor na conclusão de sua trajetória. Esse melhoramento trouxe grande economia de combustível e maior suavidade de funcionamento às suas máquinas. Importante destacar que esse melhoramento não exigia nenhuma agregação de dispositivos ou mecanismos. Tratando-se apenas de uma nova forma de distribuir os tempos de abertura e fechamento da válvula de admissão. Algo muito simples, mas, de grande efeito, um verdadeiro "lance de gênio" poderíamos dizer. Bom exemplo do senso analítico e capacidades de observação e criação manifestas em Watt.

Em 1787 Watt, voltou a inovar. Usou o pêndulo cônico centrífugo, que era usado para controlar os mós de moinho de farinha, para regular automaticamente a velocidade de suas máquinas e assegurar constâncias às cargas. Este melhoramento integrou sua máquina fortemente à indústria.

Outros melhoramentos importantes vieram por seu assistente, Mourdock que em 1799 inventou a válvula corrediça no lugar da de tubo. Inovou também no sistema de acionamento das válvulas através da operação por rodas excêntricas. A nova configuração do sistema de válvulas deu a máquina de Watt um grande incremento de velocidade e potência.

A eficiência alcançada pelos últimos modelos da máquina de Watt em relação aos de Newcomen era, em muito, superior. Segundo Usher, registros de minas de Cornish apontam, numa comparação entre o consumo de carvão da máquina Newcomen, fabricada por Smeaton, e a de Watt, já com efeito duplo e uso de expansão de vapor, uma relação de consumo três vezes menor para a de Watt. Além disso, Usher ainda afirma que a potência alcançada pelos modelos de Watt de efeito duplo em relação aos modelos atmosféricos de tamanho similar, era superior em mais de duas vezes

Por volta de 1800, Watt retirou-se do serviço ativo. Mas, suas máquinas continuaram a imperar como força motriz por mais de meio século. Muito do seu trabalho contribuiu para a formação e desenvolvimento do conhecimento científico e tecnológico.

O DESENVOLVIMENTO DAS MÁQUINAS OPERATRIZES COMO FATOR ESSENCIAL

Máquina para perfuração de canhões de Wilkinson - Fonte: http://www.docstoc.com

O avanço na eficiência das máquinas a vapor se deu não só através da aplicação de novos conceitos de seus idealizadores, mas também pela melhoria da eficiência das máquinas operatrizes. Certamente, muitas ideias também foram frustradas por falta de viabilidade de construção. É quase certo que algumas características de ordem de concepção das primeiras máquinas ou de melhoramentos destas, estavam intrinsecamente ligados as limitações de manufatura mecânica da época.

Vejamos por exemplo a máquina de Newcomen. Nela o disco de couro com selo de água sobre o pistão, se fazia engenhosamente presente devido a folga existente entre cilindro e pistão, necessária em função das irregularidades apresentadas nas circunferências dos cilindros produzidos na época. Quando Watt concebeu sua máquina de condensador em separado, que dispensava o selo d´água utilizando câmara superior no cilindro para aplicação de vapor. Os tornos mecânicos e furadeiras já haviam evoluído muito. A Furadeira para canhões de 1774, concebida por John Winkilson, pela sua precisão em produzir cilindros, é citada por vários autores como um dos fatores de promoção do sucesso comercial das máquinas de Watt a partir de 1776.

Outra mostra é a configuração com barras de balancim, comum as máquinas produzidas até o início do século XIX. Resultavam em construção de grandes proporções, sobretudo na altura, mas, assim foi mantida por mais de um século, segundo La Escuela del Técnico Mecânico, Vol. III - Caldeiras/Máquinas a Vapor. Editora Labor, 1959. O motivo era a dificuldade de manufatura nos metais, que impossibilitava o alcance aceitável de precisão nas medidas e formas das peças construídas. Só depois de 1820, com o aparecimento da plaina mecânica, que permitia exatidão considerável na produção de peças planas em metal, é que o balancim foi eliminado das novas máquinas, reduzindo significativamente suas proporções.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

USHER, Abbot Paysson. Uma História das Invenções Mecânicas; tradução Lenita M. Rimolli Esteves. Campinas,SP. Papirus, 1993
La Escuela del Técnico Mecânico, Vol. III - Caldeiras/Máquinas a Vapor. Editora Labor , 1959
A invenção da Máquina a Vapor. FUUSP, 1976.

ILUSTRAÇÕES

Figura 01 - Reinterpretação em grafite pelo artista plástico Ricardo Tinoco para a reprodução no livro de Usher(1). Fig 154, pg 534.

Figura 02 - Reinterpretação em grafite finalizado a nanquim pelo Quadrinhista Rodrigo Eduardo Fernandes para reprodução no livro de Usher (1). Fig. 124, pg 442.

Figura 03 - Interpretação livre por Rômulo Rodrigues, em grafite, a partir das descrições bibliográficas em Usher (1) e do livro da FAUUSP (3)

Figura 04 - Ilustração para a bomba de Savery disponibilizada no site do Wikipedia - http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia em 28/12/2014

Figura 05 - Reinterpretação em grafite pelo artista plástico Ricardo Tinoco para a reprodução no livro de Usher (1) Fig. 129, pg 455.

Figura 06 - Disponibilizada no site do Lycée Sainte Elisabeth - http://visite.artsetmetiers.free.fr/watt.html em 03/08/2004.