Sistema de Lubrificação dos Motores de Combustão Interna

Um motor de combustão interna é desenvolvido para funcionar por centenas e até milhares de quilômetros. Para que isso seja possível o motor é provido de um sistema de lubrificação, caso contrário não duraria alguns minutos. Isso aconteceria devido movimento incessante de peças dentro do motor, sendo que estas peças estão em contato com outras peças de mesmo ou semelhante material.

O sistema de lubrificação garante que essas peças trabalhem com um filme de óleo entre as mesmas (atrito úmido), que reduz consideravelmente o atrito e consequentemente o desgaste. Além disso, o sistema também exerce uma pequena função refrigerante auxiliar ao sistema de arrefecimento, retém partículas em suspensão no óleo que venham a alcançar os canais de lubrificação sob intenso trabalho das peças de força, previne a oxidação das peças e a formação da carbonização.

Necessidade

Comparação das perdas por atrito em um motor de combustão interna separada nas categorias Pumping (Bombeamento), Piston-Crank (Conjunto Pistão-Virabrequim), Other auxiliaries (Acessórios), Fuel-injection pump (Bomba de combustível) e Camshaft (Comando de Válvulas).
Crédito foto: B. HEYWOOD, John, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw-Hill, 1988. 930p;

Os problemas de eficiência nos motores de combustão interna começam quando o trabalho (uma forma científica e acadêmica de se referir a energia produzida pelo motor) de entrada, a energia contida no fluido de trabalho que é despejada no pistão durante a combustão da mistura ar e combustível, é menor que o trabalho de saída, a potência de frenagem medida no dinamômetro. A diferença entre o trabalho de entrada e de saída é, frequentemente, chamada de trabalho de atrito (friction work) e este surge a partir:

  1. Da admissão da mistura ar e combustível fresca para o cilindro, passando por todo os componentes anteriores a este, como filtro de ar, compressor do turbo, intercooler e coletor de admissão. Além disso, a expulsão dos gases de escape também requerem ao motor um trabalho para ser realizado. Lembrando, que para tal, os gases devem atravessar todo o coletor de escape, turbina do turbo, catalisadores e silenciadores. O trabalho para realizar as atividades acima, é chamado de trabalho de bombeamento, comumente referido como perdas por bombeamento.
  2. Da resistência de todos os componentes móveis do motor, como por exemplo, os pistões dentro dos cilindros, pinos de pistão, apoios dos eixos virabrequim e comando de válvulas, mecanismo de acionamento das válvulas, engrenagens e polias que estejam conectados ao virabrequim. 
  3. Da utilização de componentes ligados ao motor, como ar condicionado, direção hidráulica, bombas de fluido de arrefecimento, óleo lubrificante e combustível.

Heywood (1988) explica através da seguinte imagem o quanto as perdas de atrito afetam um motor de combustão interna. Como se pode perceber, os componentes auxiliares ou acessórios e o acionamento das válvulas são os que menos representam perdas por atrito, seja em 1.800 ou 3.600 Rpm. Os motores de combustão por compressão (CI ou, comumente conhecido como, motor diesel) ainda possuem o agravante de possuir uma bomba de combustível movida pelo motor. De certa forma, este consumidor representa uma perda por atrito, ainda que pequena. É interessante ressaltar, que a bomba mecânica de combustível não está restrita apenas a motores CI, também é utilizada em motores SI (combustão por centelha, ou ciclo Otto) com sistema de injeção direta de combustível. As maiores perdas por atrito são proveniente das perdas por bombeamento e pelo conjunto pistão-cilindro. Além disso, a situação de baixa bmep, 2 bar, e rotação de 1.800 Rpm se mostra o pior cenário quando o motor está em baixa rotação. Provavelmente, causada pela baixa lubrificação e compressão do motor, nessas condições. Entretanto, é a 3.600 Rpm que os motores de combustão interna se tornam ainda mais críticos no quesito perdas por atrito. As perdas por bombeamento apresentam uma pequena redução nos motores SI, mas aumentam nos motores CI, igualando as situações desses dois tipos de propulsores. Portanto, pode-se concluir que o atrito participa ativamente do funcionamento de um MCI, consumindo boa parte da energia produzida durante a queima da mistura ar e combustível. O gráfico acima justifica a importância de um sistema de lubrificação funcionando plenamente.

Tipos de Atrito

Por mais que possa parecer, as peças do motor não possuem superfícies lisas e uniformes, pelo contrário, são repleta de cristas e o contato com as outras peças gerariam um grande atrito não fosse a ação do óleo. As moléculas de óleo formam uma película entre as duas peças, preenchendo o espaço entre as cristas das duas peças. Contudo, a formação dessa película é prejudicada pela pressão exercida pelas peças, que desgasta a película de óleo entre pistão e a parede do cilindro, o contato metal-metal torna-se inevitável. A formação da película e o seu desgaste até o contato entre as peças é caracterizado pelos três níveis de atrito:

  1. Atrito líquido: O filme de óleo entre as peças se mantém íntegro impedindo o contato entre as peças durante o funcionamento do motor;
  2. Atrito úmido: O filme de óleo começa a se desgastar e em alguns pontos há contato entre a saia do pistão e a parede do cilindro; 
  3. Atrito seco: O filme de óleo foi completamente retirado da parede do cilindro, deixando o motor exposto ao prejudicial contato pistão-cilindro.

Jovaj (1982) sugere que o sistema de lubrificação deve garantir que um MCI opere com os componentes internos móveis do motor funcionando com um filme de óleo sobre suas suas superfícies. Este arrefece as superfícies dos componentes móveis, principalmente nos que possuem atrito em excesso. Além disso, as partículas oriundas do desgaste dos componentes internos devem ser carregadas pelo óleo lubrificante.

Tipos de lubrificação

O desenvolvimento do motor de combustão interna passou por diversas fases e nelas os sistemas dos motores foram sendo aperfeiçoados. Isso ocorreu pois a temperatura de funcionamento e da combustão aumentou consideravelmente. Contudo, mesmo com um sistema de arrefecimento bem dimensionado, alguns componentes internos do motor não possuem contato direto com o fluido de arrefecimento. Dessa forma, é necessário um meio adicional para extrair o calor adquirido por esses componentes (Jovaj, 1982). Assim, novos sistemas de lubrificação foram surgindo, visando adequar estes as demandas nas quais eram utilizados. É importante ressaltar, que os MCI foram utilizados não apenas em automóveis, mas em barcos, aviões, grupos gerados e muitos outros equipamentos.

Sistema de lubrificação por salpico

Neste sistema a bomba de óleo mantem algumas cubas cheias de óleo, estas são posicionadas propositalmente próxima a passagem de cada biela. As bielas por sua vez estão munidas com uma colher, e recolhem parte do óleo durante seu movimento de vai e vem. O óleo ao penetrar nas bielas lubrifica seu respectivo moente. Este é um sistema que requer canais de lubrificação maiores devido sua baixa pressão de funcionamento(0,1 a 0,4bar).

Sistema de lubrificação por mistura

Pouco eficiente e obsoleto. Este sistema de lubrificação utiliza o óleo lubrificante proporcionalmente misturado ao combustível, e foi largamente utilizado em motores dois tempos. A proporção de óleo não podia ser exagerada, o que prejudicava o desempenho da combustão(logo a potência) além de contaminar câmara de combustão e a janela de escape. Atualmente este sistema figura em pequenos motores dois tempos de karts e pequenos carros radio-controlados.

Sistema de lubrificação por pressão

Os motores modernos utilizam sistema de lubrificação por pressão. Esse sistema possui variações de acordo com a aplicação do motor (Jovaj, 1982; Heywood, 1988; Chollet, 1996). Contudo, dois sistemas de lubrificação por pressão se destacam, os sistemas de lubrificação por cárter úmido e seco.

Sistema de lubrificação por cárter úmido

Este bem sucedido sistema de lubrificação utiliza a pressão da bomba (1 a 3 BAR) para alcançar as diversas canalizações de óleo do motor. Munhões e moentes do virabrequim possuem furos de lubrificação por onde o óleo pressurizado atinge as bielas. Canalizações de óleo também dirigem o óleo até as peças do cabeçote (comando de válvulas, eixo de balancins, tuchos e varetas). As bielas possuem uma canalização interna, que se estende da cabeça até o pé da biela chegando ao pino do pistão. Para então despejar jatos de óleo que o arrefecem. Além disso, também é muito frequente o uso jateadores de óleo, que despejam jatos de óleo em direção aos pistões e cilindros.

Sistema de lubrificação por projeção

Esta é uma variação do sistema de lubrificação sob pressão. Neste mancais e virabrequim são lubrificados por pressão, enquanto que as bielas são lubrificadas por projeção de um jato de óleo. Um canal de óleo pressurizado despeja jatos de óleo sobre a biela, que munida de uma colher consegue canalizar esses jatos internamente promovendo a lubrificação do conjunto pino-pistão bem como boa parte desse óleo atinge a cabeça da biela, promovendo sua refrigeração. A pressão de trabalho nesse sistema varia de 1 a 3 BAR.

Sistema de lubrificação por cárter seco

Os sistemas de lubrificação por pressão que utilizam cárter úmido apresentam um problema observado em situações bastante distintas. Em rodovias montanhosas de elevada altitude, é possível que o nível de óleo dentro do cárter esteja concentrado nos extremos do virabrequim. Isso resulta na sobrepressão dos retentores que estão nestas localizações e, consequentemente, o início de vazamentos (Jovaj, 1982). Outras situações semelhantes a esta são observados em carros de competição. Durante frenagem e contornos de curvas com alta aceleração lateral, é comum que o óleo se concentre nas laterais do cárter, gerando breves momentos de ausência de lubrificação. Entretanto, para uma situação tão rigorosa como nas competições, esse “breve” momento pode facilmente significar uma quebra de motor. Para evitar este tipo de inconveniente, foi desenvolvido o eficiente sistema de lubrificação por cárter seco. Neste o óleo lubrificante não permanece no cárter, mas em reservatórios externos. Duas bombas de óleo operam retirando o óleo do cárter e enviando para um reservatório externo, e outra enviando o óleo desse reservatório para os mancais do eixo virabrequim. Apesar disso ser bastante benéfico para essas aplicação, permitindo que o óleo trabalhe em menor temperatura, a redução do cárter, consequentemente um motor mais baixo e montado em posição mais baixa na carroceria, este sistema de lubrificação não é adequado para veículos civis devido às dificuldades de fornecimento de óleo durante partidas à frio (Jovaj, 1982).

Funcionamento

Ao por o veículo em funcionamento, a força do motor também faz girar a bomba de óleo, que está acoplada a polia do virabrequim através de uma correia. A bomba fornece óleo pressurizado por todas as canalizações de lubrificação existentes no motor. Embora isto garanta a lubrificação de peças móveis, as paredes dos cilindros possuem lubrificação garantida pelo salpicou ou projeção de óleo sobre estas seja qual for o tipo de sistema de lubrificação. Isso ocorre devido a deficiência de lubrificação nos primeiros minutos de funcionamento do motor, que é quase inexistente. Dentro de todo esse trabalho, o óleo fornece a capacidade de lubrificação e refrigeração das peças internas do motor, podendo atingir até 120°c quando sai das bielas. Nas paredes dos cilindros o óleo pode chegar a atingir sua temperatura limite de 150°c. Quando retorna ao cárter, é resfriado pela corrente de ar externo, onde baixa sua temperatura até cerca de 80°C. Dependendo do projeto do motor, pode ser necessária a montagem de um radiador de óleo para melhor refrigeração do lubrificante.

Componentes

O sistema de lubrificação é constituído pelos seguintes componentes:

  • Óleo lubrificante;
  • Bomba;
  • Filtro de óleo;
  • Pescador de óleo;
  • Cárter;
  • Radiador de óleo.

Óleo lubrificante para motores de combustão interna

Basicamente, os óleos lubrificantes são fluidos que servem como interface entre duas superfícies com movimento relativo. Essa é a sua principal função, mas além desta, também são importantes agentes redutores de atrito, auxiliadores de arrefecimento e redutores de corrosão. No caso dos motores de combustão interna de aplicação automobilística, essa função não se altera, porém existem diferenças na aditivação desses óleos e nos índices de viscosidade. Isso ocorre devido ao meio que o óleo é inserido, no qual há o contato com resíduos de combustão, o próprio combustível, além das condições de temperatura e pressão interna do motor e temperatura do meio no qual o automóvel será utilizado. Dessa forma, lubrificantes automotivos são do tipo mineral ou sintético e multigrau, com constante atualização da sua formulação e aditivação. O volume de óleo lubrificante no sistema é determinado de acordo com a potência do motor, Jovaj (1982) sugere que os valores variam de 0,07 à 0,14 l/kW (litro por kilowatt) para MCI do SI de veículos leve e 0,14 a 0,21 l/kW para MCI do tipo CI de utilitários de médio e grande porte.

Bomba de óleo

A bomba de óleo é montada no motor, pode estar disposta de forma a ter acesso facilitado, ou montada internamente, de forma que seja necessário retirá-la para a realização de alguma manutenção. Seu acionamento é realizado pelo virabrequim, na extremidade dianteira deste. O meio de transmissão pode ser por correia de borracha ou corrente, com uma relação de transmissão de 1:1 até 1,5:1 (Jovaj, 1982). Além disso, Jovaj (1982) diz que a rotação de trabalho das bombas de óleo oscila entre 4.000 e 5.000 Rpm. Entretanto, este número depende da aplicação do motor. 

O óleo é sugado do cárter pela bomba através do pescador de óleo, e então é enviado para os canais de lubrificação do motor, e retorna ao cárter por gravidade. O fluxo de óleo depende da rotação do motor, contudo não há uma relação direta entre e velocidade do motor e o fluxo de óleo fornecido para este. Jovaj (1982) diz que isso se deve ao fato de que coeficiente de alimentação da bomba diminui devido ao aumento da resistência na linha de sucção da bomba. Para evitar esse inconveniente, as bombas de óleo operam com velocidade periférica das engrenagens de não mais que 10 m/s.

O fluxo de óleo de uma bomba é determinado pela quantidade de óleo lubrificante necessária nos mancais do virabrequim, pelos mancais do eixo do comando de válvulas, no contato entre válvulas e cames ou balancins, no turbocompressor ou compressor centrífugo e no arrefecimento do pistão (Jovaj, 1982).  Existem diversos tipos de bombas de óleo, as mais comuns são as bombas de engrenagens e de rotor.

Bomba de óleo – engrenagens

Este tipo de bomba é composto por duas engrenagens contidas em um invólucro com folga mínima. Acionadas pela cambota ou pela árvore de cames, as engrenagens ao girarem preenchem sua folga de óleo, que após o engrenamento do dentes é impulsionado com pressão(geralmente 3 BAR) para todos os canais de lubrificação do motor.

Bomba de óleo – rotor

Esta bomba é constituída por dois rotores concêntricos, sendo um externo e outro interno. Os rotores ficam contidos dentro de um cilindro, giram e o espaço entre eles é preenchidos com óleo. O rotor externo possui um ressalto a mais que o rotor interno, este ao girar por um lado suga o óleo e por outro impele o óleo sobre pressão para os canais de lubrificação.

Filtro de óleo

Após quilômetros de funcionamento, é normal que o óleo retenha uma certa quantidade de impurezas, para evitar que essas impurezas venha a entupir ou ocasionar desgaste prematuro em componentes nos quais o óleo trabalha sobre pressão, utiliza-se o filtro de óleo. Entretanto, o grau de filtração deste depende de fatores como as cargas sobre mancais do virabrequim, as velocidades atingidas pelo motor, dureza dos casquilhos e da folgas entre estes componentes. Os filtros de óleo utilizados nos MCI possuem a capacidade filtrante variando de 30 a 60 e 0,5 a 1,0 μm para filtros de derivação ou filtração total, respectivamente. Em geral, os filtros de óleo são capazes de reter cerca de 15 a 25% da vazão da bomba de óleo (Jovaj, 1982).

O filtro de óleo geralmente é posicionado logo antes do óleo alcançar a bomba de óleo. É composto por um invólucro metálico que contém um papel impregnado de resina. O óleo é dirigido ao filtro por derivação, ou filtração total. No primeiro caso, apenas parte do óleo é destinado ao filtro de óleo (10%), enquanto que a outra parte deste para o cárter. O segundo caso, todo o óleo passa pelo filtro de óleo. Ao entrar no filtro de óleo, o óleo segue uma trajetória circular em alta velocidade dentro do filtro, o papel impregnado de resina retêm as impurezas do óleo. Caso a quantidade de impurezas seja excessiva ao ponto de entupir o filtro, o mesmo possui uma válvula que desvia o óleo do filtro quando a pressão interna atinge determinado valor, evitando o entupimento do sistema. Esta válvula é conhecida como válvula de derivação, e também age durante a partida a frio devido ao óleo estar mais espesso.

Pescador de óleo

Este componente consiste de um tubo de material metálico ou plástico, com uma extremidade aparafusada no bloco do motor, e a outra extremidade mergulhada no óleo contido no cárter. Esta extremidade possui uma pequena rede metálica que age como filtro, evitando que impurezas macroscópicas atinjam canais importante de lubrificação, causando desgaste ou entupimento.

Cárter

Geralmente feito em liga de alumínio, o cárter é basicamente o reservatório de óleo do motor. Todo o óleo do motor fica retido no cárter. Além disso o cárter também ajuda na refrigeração do óleo ao receber o contato com o ar externo durante o movimento do motor. O cárter é fixado com parafusos que possuem torque e sequência de aperto especificado.

Radiador de óleo

Posicionado próximo ao radiador do motor, a função do radiador de óleo é promover o rápido aquecimento do óleo em funcionamento a frio, e evitar que o mesmo atinja temperaturas que excedam o seu limite de trabalho (150°C). Como o óleo possui uma temperatura ideal de trabalho, o radiador de óleo objetiva normalizar essa temperatura. Pode ser montado de em série ou por derivação, neste último o sistema possui uma segunda bomba que impele o óleo para o radiador. Embora seja utilizado de acordo com a necessidade do motor, o radiador de óleo foi bastante utilizado em motores arrefecidos a ar, pois nestes a ação refrigerante do óleo é fundamental.

Permutador de calor água e óleo

Uma solução eficiente para manter o óleo em sua temperatura ideal, chama-se permutador de calor óleo-água. Similar ao radiador de óleo, que é do tipo óleo-ar, o permutador possui canais de circulação de fluído de arrefecimento e óleo em contato. Isso facilita o óleo a atingir a temperatura ideal de funcionamento, pois quando o fluído aquece, troca de calor com o óleo. E este quando sua temperatura aumenta em excesso, é refrigerado pelo fluído de arrefecimento mantendo-se na temperatura ideal de trabalho.

Manutenção

A principal manutenção do sistema de lubrificação é a troca de óleo. Trata-se de uma manutenção preventiva, que quando negligenciada acaba prejudicando a vida útil do motor. Detalhadamente um óleo usado apresenta um grande nível de impurezas e instabilidade de seus aditivos, essas impurezas são o carbono, combustível, matérias betuminosas, partículas metálicas e acidez. O carbono provêm da queima do próprio óleo, contaminando todo a câmara de combustão e podendo chegar ao próprio óleo.

A presença de combustível no óleo se dá em virtude da mistura rica utilizada na partida a frio e durante a fase de aquecimento do motor, pois partículas de combustível podem condensar e alcançar o lubrificante. As matéria betuminosas surgem do contato do óleo com o ar interno do motor, que gera oxidação do óleo.

Motores muito desgastados podem soltar partículas metálicas que são carregadas pelo óleo, sendo muito prejudicial para o motor caso atinja um ponto em que a linha de óleo seja exposta a muita pressão. Quanto mais se posterga a troca do óleo, mais este fica ácido, a qualidade do óleo também tem influência nesse nível de acidez.

Por conta dos fatos acima, recomenda-se que a troca de óleo do motor siga rigorosamente as instruções do fabricante.

Referências

  • SENAI, Série Metódica Ocupacional;
  • BOSCH, Robert, Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. Edgard Blücher LTDA, 2004. 1231p;
  • CHOLLET, H. M., Curso Prático e Profissional para Mecânicos de Automóveis: O motor e seus acessórios, Lausanne, Hemus, 1996. 402;
  • B. HEYWOOD, John, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw-Hill, 1988. 930p;
  • Jóvaj, M. S. Motores de automóvil, Moscú, URSS, Mir, 1982, 655p.