MOTORES SEMI-DIESEL - OS POPULARES CABEÇA QUENTE

Motor de bulbo quente monocilíndrico a quatro tempos marca alemã Hornsby-Akroyd  - Fonte: Wikipedia

 

HISTÓRICO

Os Motores de Bulbo Quente, que ficaram conhecidos no Brasil como Cabeça Quente, surgiram na Inglaterra, poucos anos após o registro da patente dos motores Otto, sendo sua patente anterior a do motor Diesel em mais de uma década.  Sua proposta era utilizar combustíveis derivados do petróleo mais pesados que a gasolina, os quais não se prestavam para utilização no motor de ciclo Otto por não serem vaporizados por dispositivos como o carburador. Vale salientar que os motores de bulbo quente se mostraram multicombustíveis, pois podiam consumir gás, gasolina, querosene e diversos tipos de óleos vegetais ou derivados de petróleo, até mesmo banha de porco e alcatrão vegetal (creosoto de madeira) são citados na literatura.

Por vezes tratados como semi-diesel, esses motores são, tecnicamente, melhores definidos como "Motores de Inflamação por Bulbo Quente para Combustíveis Pesados". O conceito foi proposto por Herbert Akroyd Stuart, por volta de 1880 e sua produção comercial foi iniciada  pelos irmãos Hornsby, na Inglaterra, no ano de 1891, sob licença. Os primeiros motores funcionavam seguindo o ciclo de quatro tempos. O grande atrativo desse tipo de motor era a possibilidade de funcionar consumindo uma grande variedade de combustíveis líquidos mais pesados e baratos que a gasolina utilizada no motor Otto. No tempo, os únicos propulsores aptos a consumir óleos combustíveis eram a máquina a vapor ou o, pouco difundido até então, motor Stirling, ambos de combustão externa.

Em pouco tempo, os motores de bulbo quente encontraram forte aceitação em algumas aplicações pesadas de uso contínuo como motores estacionários, tratores, moto-geradores, bombeamento d'água e embarcações, tendo suplantado a máquina a vapor aonde a opção fosse pelos combustíveis líquidos, isso porque que não podia consumir diretamente carvão ou lenha, combustíveis largamente utilizados na máquina a vapor desde sua origem. Já nas aplicações mais leves, de uso intermitente ou que exigisse potências específicas mais altas o motor a gasolina prevalecia com larga folga.

A popularização dos motores bulbo quente se dava de forma rápida, até que a partir da segunda década do século XX, o crescente aperfeiçoamento e popularização do motor diesel, mais compacto, bem mais econômico, e de faixa de regime de funcionamento mais ampla e regular,  fez com que o motor de bulbo passasse a ser ofuscado na maioria das aplicações em que se afirmara. Entretanto, devido principalmente a sua robustez, fiabilidade e simplicidade construtiva, ainda mais acentuada com o surgimento dos motores que obedeciam o ciclo de dois tempos da configuração concebida por Joseph Day, os motores do tipo bulbo quente se mantiveram no mercado até a década de 1960.  Na Suécia motores desse tipo foram fabricados pela Volvo para embarcações e pela Saab para aplicações estacionárias.  Nos Estados Unidos a marca Mietz & Weiss também obteve sucesso produzindo  motores estacionários com essa configuração. A aplicação em tratores foi bastante popularizada pela marca alemã Hanz Bulldog e pela polonesa Ursus, entre outras. As últimas unidades desse tipo de motor produzidas, ao que tudo indica, foram destinadas aos tratores Hanz Bulldog. Interessante que nos tratores esses motores sempre eram do tipo monocilíndrico horizontal. Já nos estacionários predominava a configuração monocilíndrico vertical. Motores de até 4 cilindros, destinados a embarcação foram fabricados pela Bolinder, uma das vantagens adicionais dos motores de dois tempos no meio náutico era a possibilidade do motor funcionar nos dois sentidos, horário e anti-horáriom dispensando sistema de reversão. Há uma página na Internet dedicada a esta marca: Bolinder Semi-Diesel Hot Bulb Engines.

Esquema de um motor bulbo quente típico - fonte GluedIdeas.com

 

ASPECTOS CONSTRUTIVOS E DE FUNCIONAMENTO

O motor de bulbo quente originalmente concebido por Akroyd Stuart é em seu aspecto construtivo semelhante ao motor de quatro tempos de Otto. A principal diferença está no fato de, contrariamente ao motor de Otto,  não aspirar a mistura de ar-combustível durante o tempo de admissão e possuir uma câmara específica para vaporização do combustível, injetado sob baixa pressão no tempo de compressão. A inflamação se origina nessa câmara em forma de bulbo interligada ao cilindro por uma pequena passagem, a câmara de vaporização necessita ser aquecida externamente pelo uso de um maçarico durante a fase de partida até o aquecimento pleno do motor, vez que as sucessivas combustões do motor em marcha será suficiente para manter a câmara de vaporização, que tem forma de bulbo, ao rubro.  Tipicamente, a injeção de combustível se inicia logo após o inicio do tempo de compressão, entretanto a combustão só se inicia quando há concentração de oxigênio suficiente na câmara, o que idealmente deve acontecer próximo ao fim do curso do tempo de compressão. Mas, esse ponto esta sujeito a muitas variações em função do regime e da carga de trabalho, de modo que esse motor é muito propenso a pré-ignição, ocasionando perda de potência e marcha irregular.  Dispositivos foram propostos e incorporados ao longo do tempo para evitar tal fenômeno, entre eles a injeção de vapor de água e tubo quente ajustável em altura, mas nunca obtiveram resultados muito satisfatórios. Por conta disso os motores de bulbo quente só conseguiram boa aceitação em aplicações de uso de carga e regime contínuos.

Importante destacar que não se deve confundir os motores de bulbo quente com  os motores de ciclo Otto com ignição por tubo incandescente que existiram nos primórdios de sua evolução. Estes  funcionavam exclusivamente com combustíveis leves como a gasolina, e diferem dos motores de bulbo quente por possuírem carburadores, consequentemente aspirando mistura ar-combustível, enquanto os motores de bulbo quente trabalham com aspiração de ar puro e injeção de combustível no bulbo vaporizador. Com o desenvolvimento dos sistemas de ignição elétrica, a ignição por tubo incandescente foi praticamente abandonada nos motores de ciclo Otto, sobrevive entretanto nos motores de aero modelo, ainda assim com velas térmicas - resistências elétricas  - alimentadas por bateria apenas durante as fases de partida e aquecimento,  da mesma forma que nos tubos incandescentes por maçarico aos quais substituem.

Apesar de aceitar combustíveis mais baratos, ao menos em relação aos motores Otto, os motores de  bulbo quente apresentam consumo maior que os seus antigos concorrentes diretos, pois, devido ao fato de funcionarem com baixa taxa de compressão, uma faixa típica de 3:1 a 5:1, o rendimento térmico dos motores de bulbo quente é bastante inferior aos outros tipos de motores de combustão interna, atingindo em sua melhor eficiência algo em torno de 12%. Nos motores a gasolina esse rendimento fica na casa dos 24%. Já nos motores Diesel, que podem utilizar praticamente os mesmos combustíveis que os de bulbo quente desde que haja pré-ajustes, esse rendimento pode ser superior a 40%.  Por outro lado, em comparação com a máquina a vapor o motor de bulbo quente leva vantagem, vez que as máquinas a vapor sem condensador atingem em média 6% podendo alcançar os 10% quando dotadas de condensador.

Outro fator comparativo evidente do motor de bulbo quente é o tempo para entrar em ordem de marcha. Como o aquecimento do bulbo se dá por maçarico externo, esse processo pode exigir alguns minutos, ainda que um espaço de tempo bem menor que o requerido pela máquina a vapor típica. Mas, essa característica deixa os motores a bulbo quente em grande desvantagem quando comparado aos motores a gasolina e a diesel que podem ser postos em marcha quase que imediatamente. Entretanto, em países muito frios há uma inversão, pois motores diesel e a gasolina apresentam grandes dificuldades para serem postos em marcha sob frio extremo e a máquina a vapor se torna inviável, enquanto o motor a bulbo quente não sofre muitas restrições, só exigindo um pouco mais de tempo para ser posto em marcha. Por esse motivo se tornaram muito populares nos países frios, em especial na Suécia.

Em países de clima mais ameno, alguns motores de tubo quente foram dotados de sistema elétrico de ignição,  de forma que podiam dispensar o uso do maçarico e ainda partirem de imediato pela utilização de gás ou gasolina vaporizada na fase de partida e após o bulbo estar quente o motor estaria apto a funcionar com combustíveis pesados, sendo os mais comumente utilizados o querosene e o óleo diesel.

O grande destaque dos motores a bulbo quente é sua simplicidade construtiva - principalmente os de dois tempos com lavagem por compressão no cárter,  os mais difundidos - sua estrutura não requer construção de alta precisão, dispensando maquinários muito sofisticados; trabalham com taxas de compressão relativamente baixas; dispensam sistemas de lubrificação forçada,  já que que a lubrificação se dá por mistura do óleo lubrificante ao combustível; não possuem válvulas comandadas, apenas janelas para escape e transferência; nem requerem os sensíveis  sistemas elétricos de ignição dos motores Otto ou bombas injetoras de alta pressão e precisão aplicadas aos motores Diesel.  Como resultado esses motores podem funcionar por longos períodos a fio sem necessidade de paradas para manutenção ou troca de óleo. O baixo número de peças móveis e de dispositivos agregados resultam em alta fiabilidade e fácil reparo. Mostra disso são os inúmeros motores ainda em condições de funcionamento que beiram um século de vida, 

Motor estacionário de bulbo quente da UFRGS - Fonte: DieselNuts

MOTORES DE BULBO QUENTE NO  BRASIL

O Brasil recebeu tratores da marca Ursus e Hanz Bulldog, provavelmente trazidos por importadores independentes. No YouTube há alguns vídeos com exemplares no nosso país que sobreviveram ao tempo, disponibilizarei alguns nesse post juntamente com outros de países de origem, logo a seguir. 

No Museu do Motor pertencente a UFRGS, existe um exemplar do motor monocilíndrico estacionário da marca alemã Hatz e que tem uma página dedicada na Internet no endereço http://www.mecanica.ufrgs.br/mmotor/hatz.htm

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VÍDEOS SOBRE O ASSUNTO DISPONÍVEIS NO YOUTUBE

 

Vídeo mostrando todo o processo de partida em um modelo de 1929.

Colocando um velho trator Lanz Bulldog em marcha

  Trator Ursus no Brasil, modelo com partida por ignição elétrica a gasolina

Restauração de um trator Ursus após 40 anos parado

Um autêntico trator Lanz Bulldog 1951, no Brasil