quinta-feira, 19 de abril de 2018

Breve hitória dos motores de combustão interna




Muitas pessoas andam de carro o tempo todo e não fazem a menor idéia de como funciona essa maquina que cada vez vai ficando mais aprimorada e complexa e hoje vamos falar do coração dos automóveis que é o motor. Desde o primeiro veículo autopropelido, ou seja, capaz de se mover sozinho por meio de potência gerada por componentes fixos à sua estrutura, o motor para a propulsão a combustão interna vem sendo aprimorado. Muitas das soluções que acreditamos serem modernas, surpreendentemente são quase tão antigas quanto o próprio motor. Passaremos brevemente pela história da criação e os principais fatos e invenções que tornaram nossos motores atuais o que são.

Os motores atuais de aplicação automobilística estão em desenvolvimento há mais de 100 anos. A grande maioria das inovações tecnológicas, estudos termodinâmicos e aperfeiçoamento da eficiência global dos motores de combustão interna ocorreram ao longo da história do transporte viário motorizado. Vamos fazer uma breve passagem sobre os primeiros motores e suas aplicações iniciais.

No ano de 1854, o primeiro projeto de um motor de combustão interna foi patenteado na Itália pelos engenheiros Eugenio Barsanti e Felice Matteucci. O projeto consistia na utilização da energia de expansão de gases liberada pela combustão de uma mistura explosiva de ar e hidrogênio para movimentar um pistão e transformar este movimento linear em um movimento rotativo, com o uso de uma árvore de manivela. Este motor nunca foi produzido em quantidade.

Réplica do modelo de motor Baranti-Matteucci

Em 1860, o belga Jean Joseph Etienne Lenoir utilizou o conceito de Barsanti e Matteucci para criar um motor dois-tempos que utilizava gás explosivo, com o uso de uma vela de ignição para iniciar a queima.


Motor de combustão interna de Lenoir.

Em 1863, Lenoir criou uma carruagem motorizada de três rodas chamada Hippomobile, equipada com o motor por ele projetado, de 2.543 cm³ de cilindrada, que queimava petróleo e fez uma viagem-teste de Paris até a cidade de Joinville Le Pont. Ao longo da vida, Lenoir vendeu aproximadamente 350 Hippomobiles.


Hippomobile de Lenoir, 1863

Em 1870, Siegfried Samuel Marcus, alemão, instalou um motor de combustão em um carro-transportador, com o diferencial de que este seria o primeiro uso de derivados de petróleo como combustível, batizado de Marcus I, para o transporte de pequenas mercadorias. 


Marcus I, de Siegfried Marcus, 1870.

Após alguns anos trabalhando em técnicas de sistemas de ignição de baixa tensão e um sistema de carburação por passagens rotativas, o que hle rendeu uma patente no estudo do magneto em 1883, Marcus apresentou seu segundo projeto em 1888, o Marcus II.


Marcus II, de Siegfried Marcus, 1888.

Durante os anos em que Marcus trabalhava no projeto do Marcus II, outro alemão, Nikolaus Otto desenvolvia seu conceito do ciclo Otto, com os quatro tempos de funcionamento do motor (admissão, compressão, explosão e descarga ou escape). Otto criaria o primeiro motor de combustão interna eficiente que queimava combustível dentro do cilindro, em uma câmara de combustão propriamente dita, em 1876, juntamente comGottlieb Daimler e Wilhelm Maybach. Antes disso, Otto já havia empregado o conceito de Lenoir em outros motores.

O conceito do motor de quatro tempos criado por Otto seria o padrão para a maioria dos desenvolvimentos que viriam a seguir e na maioria dos automóveis hoje em dia. Karl Benz, que em 1879 criara um motor dois-tempos baseado no ciclo de Otto, utilizou novamente este conceito e criou seu próprio motor de quatro tempos, que foi empregado no famoso Benz Motorwagen de 1885, o primeiro automóvel produzido comercialmente com motor de ciclo Otto, lançado ao público oficialmente em 1886.


Benz Motorwagen, de Karl Benz, 1885.

O motor do Motorwagen de 1886 era um monocilindrico de 954 cm³ de 0,5 kW (0,67 cv) que atingia rotações da ordem de 250 rpm. Abaixo vemos o grande volante, acumulador de energia cinética que dá estabilidade ao motor, uma vez que o ciclo de funcionamento é irregular e gera pulsos de energia, proveniente da combustão dos gases.


Motor do Benz Motorwagen, 1885

Juntamente com os trabalhos de Daimler e Maybach, os franceses eram devidamente representados por René Panhard e Emile Levassor, que fabricavam sob licença os motores de Daimler em 1890. As inovações da Panhard-et-Levassor foram muito além dos motores, com projetos muito avançados em construção de chassi.


Panhard-et-Levassor Tipo Q 50hp, 1905

Um dos modelos mais interessantes criados por Levassor e Panhard foi o Tipo Q 50hp, equipado com um motor de quatro cilindros em linha e cabeçotes individuais em formato de “T”, com fluxo cruzado de gases, admitindo-se por um lado do bloco e o sistema de escapamento do lado oposto, esquema amplamente utilizado hoje.



Motor Panhard-et-Levassor Tipo Q, 1905.

Paralelamente aos trabalhos nos motores de ciclo Otto, o engenheiro James Atkinson trabalhava em seu motor de ciclo próprio e único, com os quatro ciclos de funcionamento ocorrendo em uma revolução do motor. O ciclo Atkinson apresentava-se mais eficiente que o ciclo de Otto, mas não necessariamente gerava mais potência, pois o volume admitido não era eficazmente comprimido, liberando menos energia. Os motores de ciclo Atkinson viriam a ser utilizados anos depois, inclusive nos automóveis híbridos atuais, como o Toyota Prius.

Rudolf Diesel também estava desenvolvendo seu ciclo de funcionamento de motores de combustão interna, baseado no modelo de ignição por compressão, que foi apresentado em 1900 ao público.


O motor que Diesel criou e patenteou o conceito, em 1897.

Alguns anos depois, em 1923, o primeiro carro de produção equipado com um motor de ciclo Diesel seria lançado, o modelo da Benz que utilizava o motor tipo OB2.

Novamente nos motores de ciclo Otto, a tecnologia dos motores era praticamente toda voltada para os motores monocilíndricos. Em 1889, os projetos dos parceiros Daimler e Maybach já estavam evoluindo para um motor de dois cilindros independentes montados com uma árvore de manivela comum, separados por ângulo pequeno, que formavam um “V”. Este motor possuía válvula de admissão automatizada, por ação de um diferencial de pressão da câmara de combustão, e a válvula de escape era acionada mecanicamente.

Mais inovações vieram da empresa Daimler Motoren Gesellschaft, sociedade de Daimler e Maybach. Em 1894, foi apresentado o modelo de motor conhecido como Phoenix, o primeiro motor de quatro cilindros em linha (2.100 cm³), equipado com árvore de comando para a válvula de escapamento e carburador. Foi instalado em um carro de produção em 1898. Em 1900, novas tecnologias foram aplicadas nos motores M11644 de 5.918 cm³ de quatro cilindros, como o comando de válvula de admissão, já conhecido como Mercedes 35hp de corrida.


Mercedes 35HP Rennwagen, 1900.



Motor M11644 do Mercedes 35hp Rennwagen, 1900.

As mudanças agora faziam do motor do 35hp o primeiro motor eficiente equipado com duas válvulas por cilindro acionadas por árvores de comando, uma de cada lado do bloco, acionadas por engrenamento externo ao bloco. Motores de seis cilindros em linha também foram desenvolvidos durante os anos, sendo mais suaves em funcionamento. O primeiro motor de seis cilindros foi uma criação da Napier, em 1903. Em 1906, o primeiro Mercedes recebeu um motor de seis cilindros, projetado por Maybach, o modelo M14126 de 11.080 cm³, e recebeu a designação de 120HP Rennwagen. 


Mercedes 120HP Rennwagen, 1906.


Motor M14126 do Mercedes 120HP Rennwagen, 1906.

Nos anos seguintes, os automóveis da Mercedes receberiam acréscimo de potência pelo aumento da cilindrada dos seus motores, atingindo a marca de um motor de quatro cilindros em linha de 17.330 cm³ em 1908.


Mercedes 150HP Semmering Rennwagen, 1908.

Campeonatos de recorde de velocidade já existiam desde o início da criação do automóvel, e este tipo de competição foi um dos principais responsáveis pelos desenvolvimentos de motores a combustão interna, juntamente com corridas de estrada. 


Um dos primeiros mais relevantes modelos foi o Darracq 200hp, um veículo que utilizou um dos primeiros motores V-8 construídos especificamente para automóveis. Anos antes, em 1902, Léon Levavasseur patenteou o conceito do motor de oito cilindros em “V”, mas apenas dois anos depois a empresa americana Marmom aplicaria o conceito em um automóvel, e no ano seguinte a inglesa Rolls-Royce aplicou em uma série muito limitada de três carros, com motores de pequeno porte para os padrões da época, com 3.535 cm³.


Darracq 200hp, 1905.

Em 1905, um Darracq 200hp atingiu a marca de 175,44 km/h, marcando um novo recorde de velocidade terrestre. O carro era equipado com um motor V-8 a 90° de 25.400 cm³, desenvolvido especialmente para o evento da quebra do recorde de velocidade. 



Motor do Darracq 200hp, 1905.

A influência da geometria da câmara de combustão já era estudada desde o começo do século, pela Premier e seu modelo de quatro cilindros, com comando no cabeçote acionado por engrenagem, este datado de 1903. A empresa belga Pipe também aplicou o conceito da câmara hemisférica em seus motores, em 1905.


Motor Premier com câmaras hemisféricas, 1903.

Assim como a geometria da câmara, as válvulas foram alvo de muitos estudos. Em 1912, Ettore Bugatti apresentou o modelo Tipo 18, equipado com um motor de quatro cilindros em linha, de 5.027 cm³, equipado com três válvulas por cilindro e um comando de válvulas montado no cabeçote. A adoção de mais uma válvula foi uma tentativa de melhorar a eficiência volumétrica do motor melhorando a admissão. Em 1921, a Peugeot utilizou um motor com cinco válvulas por cilindro em seu carro de competição. 



Bugatti Tipo 18, equipado com motor de três válvulas por cilindro, 1912.

Outras formas construtivas foram sendo desenvolvidas pelo mundo, sendo uma das mais curiosas, criada por Charles Yale Knight, e apresentada como protótipo em 1905. O motor consistia em um sistema de válvulas por camisa deslizante, que de acordo com a movimentação relativa do pistão, abria ou fechava a passagem dos dutos de admissão e escapamento.




Motor Knight de quatro cilindros, 1905.

Algumas empresas adotaram o motor desenvolvido por Knight, entre elas a própria Daimler em 1909, bem como a Mercedes, Minerva, Columbia, Stoddart-Dayton, Panhard-et-Levassor e Willys. Talvez a mais promissora parceria tenha sido com a Willys, que utilizou os motores Knight de 1914 até 1933, inclusive com um modelo V-8 em 1917.


Silent Knight de quatro cilindros de uso pessoal de Charles Knight, 1906.

Uma “melhoria” do ciclo criado por Otto seria estudada pelo americano Harry Miller. Em 1915, ele apresentou um motor de seis cilindros em linha desenvolvido para uso aeronáutico, aplicado em carros de corrida.

O ciclo por ele criado consistia em um estágio misto e duplo de admissão e compressão, com a válvula de admissão permanecendo aberta por mais tempo que no ciclo convencional. Enquanto o pistão desloca-se em direção ao PMS, a válvula está aberta, permitindo que um fluxo seja criado. Neste caso, o aumento de pressão no cilindro faria com que o volume admitido fosse rejeitado de volta para o duto de admissão. A solução de Miller foi a aplicação de uma superalimentação com um compressor mecânico de deslocamento positivo. A vantagem deste novo ciclo é que o pistão começaria a realizar o trabalho de compressão em maior avanço de rotação do motor, tendo no final do curso o mesmo valor de compressão, mas realizando menos trabalho, assim aumentando sua eficiência energética.

Os estudos de eficiência mecânica dos motores continuavam crescendo, em 1912 a Fiat apresentou seu primeiro motor com duplo comando no cabeçote (double overhead camshaft, DOHC), nos seus modelos com duas ou quatro válvulas por cilindro, seguidos pela Peugeot com o L76 na configuração de câmara hemisférica com quatro válvulas por cilindro, no final do mesmo ano, e a Alfa Romeo em 1914. Ainda em 1914, a Mercedes também partiu para os motores multiválvulas, mas ainda com o sistema de uma árvore de comando comum aos sistemas de admissão e escapamento. 


Peugeot L76, 1912

Ainda existiam problemas relacionados à eficiência termodinâmica dos motores, as trocas de calor não eram realizadas de maneira eficiente, o que reduzia consideravelmente o rendimento global dos motores. Os problemas de aquecimento de grandes motores necessitavam de atenção, pois a maioria dos motores eram resfriados a ar, ou por sistemas complexos de circulação de água por convecção. 

Emile Delahaye criou para seus motores um sistema de arrefecimento com circulação forçada de água, o que permitia que o motor trabalhasse mais frio, assim podendo ser submetido a maiores esforços. Outra maneira que poderia ser empregada para aumentar o rendimento dos motores era a admissão forçada de ar. 

A Mercedes mais uma vez foi a pioneira em produção com o modelo 6/25/40hp de 1921, equipado com o motor M65134 de quatro cilindros em linha e 1.499 cm³. Este motor gerava 48,5 kW (66 cv) com uma taxa de compressão de 5,35:1.



Mercedes 6/25/40hp supealimentado, 1921


Motor M65134 do Mercedes 6/25/40hp superalimentado, 1921

O desenvolvimento dos compressores mecânicos de deslocamento positivo para motores automotivos foi um dos grandes marcos dos anos 1920 e 1930. O conceito do compressor mecânico, ou supercharger, foi patenteado pro Gottlied Daimler em 1885. Existem relatos de que um construtor americano chamado Lee Chadwick teria utilizado em um protótipo um compressor mecânico em 1908, mas não foi colocado em produção. 

A superalimentação permitia elevar substancialmente o rendimento volumétrico dos motores, pois era possível admitir mais mistura ar-combustível para dentro do cilindro, permitindo uma queima de maior quantidade e qualidade. Diversos modelos de automóveis de competição utilizaram os compressores mecânicos para aumentar potência dos motores, entre eles a Alfa Romeo com o modelo P2, a Delage e a Fiat. Talvez os mais famosos exemplos de motores superalimentados fossem os Bentley Blower de 1929, equipados com o motor 4.500 cm³ para disputar as 24 Horas de Le Mans. 


Bentley Blower, 1929.

A alemã Auto Union mostraria sua capacidade de desenvolvimento com o modelo Tipo C, de 1936, que possuía um motor V-16 com compressor mecânico de dois estágios, capaz de gerar 388 kW (527 cv) de potência. Os modelos da Auto Union, que foram projetados por Ferdinand Porsche, eram os principais representantes da Alemanha nas corridas internacionais equipados com superalimentação, juntamente com a Mercedes e os modelos W25A e posteriormente W125.


Auto Union Tipo C, 1936.


Motor M25A Mercedes, 1934.

A superalimentação não seria privilégio de automóveis de competição, pois era uma tecnologia cada vez mais empregada em carros de rua. A Duesenberg americana apresentaria o modelo SJ, a Bugatti disponibilizaria o recurso no Tipo 37A, a Mercedes apresentava os modelos 500K e 540K.

Durante muitos anos seguintes, as tecnologias envolvidas em desempenho de motores a combustão interna foram voltadas para a aviação, durante o período da Segunda Guerra Mundial. As necessidades especiais de uso aeronáutico trouxeram tecnologiais ao automóveis anos depois. A superalimentação era uma característica comum para motores de alto desempenho, bastante utilizada na aviação por conta da perda de rendimento dos motores de aspiração natural em elevadas altitudes.

As inovações também deram-se nas áreas de materiais mais nobres, leves e resistentes, combustíveis com maior poder calorífico e na forma de se alimentar a câmara de combustão com combustível vaporizado. Os carburadores da época estavam tornando-se cada vez mais eficientes, mas ainda havia muito que se melhorar. 

Em 1952, a Mercedes apresentou o modelo 300 SL, equipado com o primeiro motor automobilístico que utilizava sistema de injeção mecânica direta de combustível Bosch. Antes deste, apenas motores aeronáuticos possuíam este sistema de alimentação, como o Daimler-Benz DB 601 que equipava os caças alemães Messerschmitt Bf 110. Diversas variações deste motor foram criadas, equipando de caças leves a bombardeiros pesados, como o Heinkel He177. 

Sistemas de injeção de água foram utilizados por motores aeronáuticos durante a Segunda Guerra Mundial, como forma de aumento de potência e resfriamento da câmara. Com a injeção de água, a temperatura era reduzida e o vapor gerado aumentava a pressão interna do cilindro, produzindo mais potência sem risco de detonação.


Motor M194 Mercedes, 1954.

Os sistemas de injeção direta permitiam melhor atomização do combustível dentro da câmara, aumentando assim o rendimento global do motor. Sistemas de injeção de combustível no sistema de admissão foram criados posteriormente com controles eletroeletrônicos.


Outro recurso muito utilizado atualmente é a variação de atuação das válvulas em duração e levantamento, mais conhecidos como “comandos variáveis”. O primeiro motor de combustão a pistão a utilizar esse recurso foi o Lycoming R-7755, desenvolvido durate a Segunda Guerra Mundial para equipar bombardeiros aliados, mas nunca foi utilizado.


Motor Lycoming R-7755 com comando variável.

A primeira aplicação automotiva patenteada do comando variável foi feita pela Fiat no final dos anos 1960, com um sistema hidráulico que podia variar a posição de articulação dos balancins de válvulas. Em 1975, a General Motors patenteou um sistema de controle de levantamento das válvulas para poder trabalhar com valores reduzidos de levantamento quando a carga do motor era baixa, mantendo a velocidade do fluxo admitido elevada por ter uma área de passagem reduzida. O projeto foi abandonado por motivos de complexidade de lidar com levantamentos muito reduzidos. 

Cinco anos depois, a Alfa Romeo aplicou o conceito em seus motores de produção seriada. Recurso muito semelhante foi utilizado pela Honda, no sistema mais conhecido atualmente de comandos variáveis, o VTEC. 


O sistema VTEC da Honda.

A possibilidade de se alterar as características dos comandos de válvula permite ao motor apresentar comportamentos mais eficazes em diversas faixas de rotação do motor, permitindo funcionamento com torque para baixas rotações, e elevado fluxo de mistura admitida para gerar potência em elevadas velocidades de funcionamento do motor.

Estes são alguns dos recursos utilizados na engenharia de motores ao longo dos vários anos de evolução tecnológica.

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