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.

MOTOR DIESEL - INVENÇÃO MOTIVADA PELA ECONOMIA

Moderno motor diesel - Fonte: Portal Um Como

PANORAMA NA ÉPOCA DO SURGIMENTO

O Motor Diesel foi o terceiro tipo de motor de combustão interna quanto ao ciclo de funcionamento.

Quando Rudolph Diesel conseguiu sua patente, em 1897, a Máquina a Vapor ainda imperava como principal força motriz. Entretanto, os motores a explosão já eram produzidos comercialmente há mais três décadas e haviam se tornado razoavelmente populares em alguns nichos, principalmente depois do motor de quatro tempos de Otto, a partir do qual os demais passaram a incluir uma fase de compressão, tornando-se muito mais econômicos, bem mais compactos e leves.

O principal combustível empregado nos motores a explosão era o gás de iluminação e de altos fornos. Porém, a nafta ou gasolina, até então considerada um indesejado subproduto da obtenção do querosene e que era descartado por falta de valor comercial,  começava a ser adotada como combustível nos motores a explosão, graças ao incentivo da indústria petrolífera e ao desenvolvimento do carburador.

Após refinamentos sucessivos, Diesel apresentou seu motor funcional em 1897 - Fonte: Wikipedia

IGNIÇÃO NOS MOTORES A EXPLOSÃO - O DOMÍNIO DA CENTELHA SOBRE A CHAMA

Motor  a gasolina de Gottlieb Daimler de 1883 com ignição por tubo quente - Fonte: Mercedes-Benz Blog

IGNIÇÃO ELÉTRICA JÁ NOS PRIMEIROS MOTORES COMERCIAIS

Os primeiros motores de combustão interna foram os motores a "explosão". Um dos grandes desafios que os inventores tiveram que resolver foi o de como inflamar a mistura ar-combustível confinada dentro do cilindro fechado e de forma controlada. Os dois  primeiros motores a obterem sucesso prático - primeiramente o dos italianos Barsanti e Matteucci e depois o de Lenoir - utilizavam a mesma solução: centelha elétrica.  Entretanto, em motores experimentais o sistema de ignição por centelha já havia sido utilizado pelo menos quase meio século antes. Um dos registros de pioneiros é o do motor movido a hidrogênio de Isaac de Rivaz, desenvolvido a partir de de 1804. Rivaz utilizou uma pilha de Volta para alimentar o circuito elétrico.

O primeiro motor de combustão interna a ser produzido comercialmente foi o de Lenoir, que utilizava ignição por centelha. Mas, durante as primeiras décadas de vida dos motores a "explosão", já como produto comercial, outros sistemas foram propostos com relativo sucesso até que a centelha viesse a se tornar o sistema padrão.

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.

MOTORES DE DOIS TEMPOS - DIVERSIDADE DE TIPOS SOB UM MESMO NOME

*Adaptação do post  "Blue Cloud 2011- Os créditos pelo destacado 3=6", publicado no blog Carruagem sem Cavalo

Motor de dois tempos fabricado em 1905 - Fonte: Wikipedia

Os motores de dois tempos são motores de combustão interna a pistão que têm seu ciclo térmico efetivado em dois tempos mecânicos, onde tempo mecânico corresponde ao deslocamento completo de avanço ou recuo do pistão. O ciclo de dois tempos pode estar associado tanto aos motores de explosão como aos do tipo diesel. Também é importante destacar que na história existem dois tipos de motores de dois tempos a explosão, os sem compressão, anteriores aos motores de quatro tempos, e os com compressão, posteriores aos motores do ciclo Otto.

GERAÇÃO DE VAPOR - A FUNÇÃO VITAL E ARRISCADA DA CALDEIRA E SEUS DISPOSITIVOS

Desenho esquemático da Máquina de James Watt incluindo gerador de vapor e válvula de segurança - Fonte: Tencologia Pirinius

Tanto o motor alternativo a vapor como a turbina a vapor são máquinas que geram trabalho a partir da expansão controlada do vapor. São de construção relativamente simples e podem funcionar também com ar comprimido, apesar de não serem muito indicados para tal, já que existem ciclos mais eficientes como o Mekarski para motores alternativos. Já o termo "máquina a vapor" se refere não só ao motor, mas, ao conjunto formado pelo motor, fornalha e caldeira. A fornalha é o órgão agregado responsável pela produção de calor a partir da queima de combustível, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. Já a caldeira é onde é produzido o vapor a partir da troca de calor dos gases resultantes da queima do combustível na fornalha com a água confinada na caldeira. Todos estão intimamente ligados, mas a fornalha e a caldeira são órgãos bem mais solidários, geralmente são frutos de um projeto único, juntos formam a unidade geradora de vapor. Já o motor em si desfruta de uma maior independência em relação ao projeto, podendo trabalhar com diversos tipos geradores de vapor desde que sejam dimensionadas para produção de vapor em pressão e quantidade compatíveis com as exigências do motor. Frequentemente ouvimos a palavra "caldeira" sendo utilizada para designar o conjunto fornalha/caldeira, ou seja, a unidade de geração de vapor completa, o que deve ser visto como uma simplificação.

MOTOR STIRLING - EVOLUÇÃO DESDE A REVOLUÇÃO

Ilustração do motor a ar quente original de Stirling - fonte Scienzia Systems

Nascido algum tempo depois e em pleno domínio da máquina a vapor como força motriz da Revolução Industrial, o motor Stirling é um motor de combustão externa que apesar de nunca ter suplantado a máquina a vapor, nem os motores de combustão interna, continuou despertando grande interesse até os dias atuais, devido a inúmeras vantagens competitivas para algumas aplicações. Sua patente foi registrada pelo reverendo escocês Robert Stirling em 1816. Segundo algumas publicações, a motivação de Stirling para o desenvolvimento do motor que leva seu nome teria sido a preocupação com os  constantes acidentes provocados por rompimentos de tubos e explosões de caldeiras a vapor, que faziam muitas vítimas. Devido as limitações da metalurgia empregada na época, tubos, soldas e chapas frequentemente se rompiam quando submetidos a pressão de trabalho do vapor. O sofrimento das vítimas e o grande números de mortes decorrentes teria sensibilizado o reverendo a desenvolver uma força motriz mais segura.

O motor Stirling não foi concebido como algo inédito, mas, como um melhoramento dos primeiros motores de ar quente. A  primeira patente de George Stirling  foi registrada como  motor a ar quente com dispositivo "economizador", deixando  claro que o conceito de um motor que funcionasse a ar quente não era algo desconhecido. Também, existem citações na literatura de que, em 1699, Guillaume Amontons tinha tal proposta. Ainda são citadas outras  que teriam sido manifestadas em anos posteriores; Reverendo Henry Wood vigário do condado de Shropshire, no ano de 1759, e Thomas Meade, um engenheiro do condado de  Yorkshire de Sculcoats. 

A APLICAÇÃO DA MÁQUINA A VAPOR AOS TRANSPORTES - O LONGO CAMINHO PERCORRIDO

Locomotiva Rocket. Fonte: Pinterest

* Atualizado em 12/03/2019

 

CENÁRIO

É inegável a importância da máquina a vapor durante o período da Revolução Industrial. Seu surgimento se deu a partir da necessidade do bombeamento de água nas minas de carvão mineral, como visto no post inicial sobre motores de combustão externa.

Vale salientar que o consumo por carvão mineral na Inglaterra - berço da revolução industrial - se intensificou  a partir do século XVI com a crise inglesa da madeira. Nessa época, a principal demanda por madeira como fonte energética era para o uso doméstico e se destinava ao aquecimento e cozimento. Outros usos menos representativos eram o emprego como fonte de calor na metalurgia, olaria e produção de vidro.

A escassez da madeira advinda da extração predatória e as consequentes reações contra o desmatamento incentivaram o uso do carvão mineral.  Nas minas, o bombeamento se fazia necessário para drenar a água e permitir extração de carvão em profundidades maiores.  O bombeamento manual era insuficientemente potente para ser compensador. Esse cenário incentivou a busca por uma nova força motriz.

MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA - HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO - DOS PRECURSORES AOS DIAS ATUAIS

SURGIMENTO EM PLENO DOMÍNIO DA MÁQUINA A VAPOR

Moderno motor de combustão interna veicular - Fonte: Spiegel online

        O surgimento da máquina a vapor abriu novas possibilidades de produção industrial gerando forte auto demanda. O conhecimento adquirido e o aperfeiçoamento técnico que seu sucesso comercial trouxe aos meios de produção e manufatura mecânica passou a viabilizar a materialização de ideias e inventos com muito mais facilidade. Contrariamente, a eficiência alcançada pela máquina a vapor, principalmente depois de Watt, dificultava a introdução de novas forças motrizes distintas que não tivessem eficiência comparável ou outras vantagens globais. Parece ser esse o motivo que mais contribuiu para que o aparecimento do motor de combustão interna demorasse tanto desde as primeiras ideias até seu desenvolvimento pleno, apesar de possuir a maior parte de seus componentes básicos conceitualmente comuns a sua antecessora, a máquina a vapor.

O motor de Samuel Brown, um dos precursores dos motores de combustão interna - Fonte: Wikipedia

Certo é que o motor de combustão interna como conhecemos é fruto de muitos inventores e teóricos que aos poucos foram idealizando conceitos e concebendo os diversos sistemas auxiliares que formam um motor de combustão interna. Provavelmente muitas contribuições importantes ficaram sem registro. Por outro lado, muitas receberam descrições pouco consistentes dificultando seu reconhecimento. 

PRECURSORES

Alguns autores consideram Christiam Huygens e Denis Papin os precursores dos motores de combustão interna. Apesar de ter se limitado a experimentos, o engenho dotado de cilindro e pistão construído por Huygens, por volta de 1680, e depois refeito por  Papin, em 1690, para demonstrar o poder da pressão atmosférica usava pólvora, que era inflamada dentro do cilindro para produzir massa de ar quente. Essa massa de ar no cilindro produzia trabalho não por expansão, pois a pressão no cilindro nunca era maior que a atmosférica, mas, por depressão provocada pelo posterior esfriamento externo do cilindro com a válvula fechada.

Os aparatos não produziam trabalho prático, nem tinham funcionamento cíclico. Foram substituídos nas experiências dos inventores por outros que utilizavam água para produzir vapor no cilindro através do aquecimento externo e que inspirou as primeiras máquinas a vapor de uso geral. Os experimentos de Huygens e Papin não eram ainda a proposta de um motor propriamente dito, mas, certamente os conceitos básicos ganharam registro prático e devem ter servido de aporte e inspiração para muitos inventos posteriores que resultaram no motor de combustão interna. 

MOTORES DE COMBUSTÃO EXTERNA - HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO - DO AEOLOPITO À MÁQUINA A VAPOR DE WATT

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.