Traduzido por HowStuffWorks Brasil
Introdução
motores rotativos
Um motor rotativo é um motor de combustão interna, como o motor do seu carro, mas funciona de um modo completamente diferente do motor a pistão convencional.
Em um motor a pistão, o cilindro faz alternadamente quatro trabalhos diferentes: admissão, compressão, combustão e escapamento. Um motor rotativo faz os mesmos quatro trabalhos, mas cada um acontece em um setor específico da carcaça. É mais ou menos como ter um cilindro dedicado a cada um dos quatro trabalhos, com o pistão se movendo continuamente de um para o outro.
O motor rotativo, concebido e desenvolvido originalmente pelo Dr. Felix Wankel, algumas vezes é chamado de motor Wankel ou motor rotativo Wankel.
Neste artigo, vamos aprender como funciona um motor rotativo. Vamos começar com os princípios básicos de funcionamento.
Como um motor a pistão, o motor rotativo usa a pressão criada quando uma combinação de ar e combustível é queimada. Em um motor a pistão, essa pressão é contida nos cilindros e força os pistões a se moverem em movimento vai-e-vem. As bielas e o virabrequim convertem o movimento recíproco dos pistões em movimento rotativo que pode ser usado para movimentar um carro.
Em um motor rotativo, a pressão da combustão é contida em uma câmara formada por parte da carcaça e vedada por uma face do rotor triangular utilizado pelo motor em vez de pistões.
O rotor segue uma trajetória que se parece com algo que você cria com um espirógrafo (brinquedo em forma de régua). Essa trajetória mantém cada um dos três picos do rotor em contato com a carcaça, criando três volumes de gás separados. À medida que o rotor se move pela câmara, cada um dos três volumes de gás se expande e se contrai alternadamente. É essa expansão e contração que aspira o ar e o combustível para o motor, comprimindo-os e gerando potência útil à medida que os gases se expandem, e expelindo os gases de escapamento em seguida
Vamos dar uma olhada no interior de um motor rotativo para conferir as peças, mas primeiro vejamos um novo modelo de carro com um motor rotativo totalmente novo.
Mazda RX-8
O Mazda RX-8 , um novo carro da Mazda, possui um novo e premiado motor rotativo chamado RENESIS. Eleito o Motor Internacional do Ano de 2003, esse motor de dois rotores de aspiração atmosférica produzirá cerca de 250 cv.
As peças
Um motor rotativo possui um sistema de ignição e um sistema de alimentação de combustível similares aos dos motores a pistão. Se você nunca viu o interior de um motor rotativo, prepare-se para uma surpresa, pois não irá reconhecer muita coisa.
Rotor
No ápice de cada face há uma lâmina metálica que forma uma vedação no exterior da câmara de combustão. Há também anéis metálicos em cada lado do rotor que vedam as laterais da câmara de combustão.
O rotor possui uma engrenagem interna fresada entalhados no centro de um lado. Esses dentes se engrenam a uma engrenagem fixada na carcaça. Esse acoplamento de engrenagens determina a trajetória e a direção que o rotor percorre ao longo da carcaça.
Carcaça
A carcaça tem um formato quase oval (na verdade é um epitrocóide - confira esta demonstração em Java (em inglês) de como o formato é derivado). O formato da câmara de combustão é projetado para que as três pontas do rotor sempre fiquem em contato com a parede da câmara, formando três volumes vedados de gás.
Cada parte da carcaça se dedica a uma parte do processo de combustão. As quatro seções são:
•admissão
•compressão
•combustão
•escapamento
As janelas de admissão e escapamento se localizam na carcaça. Não há válvulas nessas janelas. A janela de escapamento se conecta diretamente ao escapamento e a janela de admissão à válvula-borboleta de aceleração.
Árvore de saída
A árvore de saída possui lóbulos arredondados montados excentricamente, ou seja, eles são deslocados em relação à linha de centro da árvore. Cada rotor se encaixa em um desses lóbulos. O lóbulo atua como um tipo de virabrequim de um motor a pistão. À medida que o rotor segue seu caminho pela carcaça, ele empurra os lóbulos. Como eles estão instalados excêntricos em relação à árvore de saída, a força que o rotor aplica aos lóbulos cria torque na árvore, fazendo-a girar.
A árvore de saída: observe os lóbulos excêntricos
Agora vamos dar uma olhada em como essas partes são montadas e como produzem potência.
Montagem e potência
Um motor rotativo é montado em camadas. O motor de dois rotores que desmontamos possui cinco camadas unidas por parafusos longos dispostos em círculo. O fluido refrigerante flui através das passagens que circundam todas as peças.
Anatomia do motor rotativo: veja animação em http://carros.hsw.uol.com.br/motores-rotativos1.htm
As duas camadas finais contêm as vedações e os mancais da árvore de saída. Elas também vedam as duas seções da carcaça que contêm os rotores. As superfícies internas dessas peças são muito lisas, o que ajuda as vedações do rotor a fazerem seu trabalho. Uma janela de admissão se localiza em cada uma dessas peças das extremidades.
Uma das duas peças de um motor Wankel de dois rotores
A camada seguinte a partir do exterior é a carcaça do rotor de formato oval, que contém as janelas de escapamento. Essa é a parte da carcaça que contém o rotor.
A parte da carcaça do rotor que aloja os rotores: observe a localização da janela de escapamento
A peça central contém duas janelas de admissão, uma para cada rotor. Ela também separa os dois rotores, de modo que suas superfícies externas são muito lisas.
A peça central contém outra janela de admissão para cada rotor
No centro de cada rotor há uma grande engrenagem interna que se move ao redor de uma engrenagem menor fixada à carcaça do motor. É isso que determina a órbita do rotor. O rotor também se move sobre o grande lóbulo circular na árvore de saída.
A seguir, vamos ver como o motor realmente gera potência.
Os motores rotativos usam o ciclo de combustão de quatro tempos, que é o mesmo ciclo usado pelos motores a pistão de quatro tempos. Mas em um motor rotativo, isso é obtido de uma maneira completamente diferente.
O coração de um motor rotativo é o rotor. Ele corresponde aproximadamente aos pistões de um motor a pistão. O rotor é montado sobre um grande lóbulo circular na árvore de saída. Esse lóbulo é deslocado em relação à linha de centro da árvore e atua como o cabo de manivela de um guincho, fornecendo ao rotor a alavanca de que necessita para girar a árvore de saída. À medida que o rotor orbita no interior da carcaça, ele empurra o lóbulo em um movimento de círculos apertados, girando três vezes para cada volta do rotor. Como funciona o Motor Wankel: Veja animação em http://carros.hsw.uol.com.br/motores-rotativos1.htm
Se você olhar cuidadosamente, verá que o lóbulo deslocado na árvore de saída gira três vezes para cada volta completa do rotor
Conforme o rotor se move ao longo da carcaça, as três câmaras criadas pelo rotor mudam de tamanho. Essa mudança de tamanho produz uma ação de bombeamento. Vamos analisar cada um dos quatro tempos do motor observando uma face do rotor.
Admissão
A fase de admissão do ciclo se inicia quando a ponta do rotor passa pela janela de admissão. No momento em que a janela de admissão é exposta à câmara, o volume dessa câmara está próximo do mínimo. À medida que o rotor se afasta da janela de admissão, o volume da câmara se expande, aspirando a mistura ar-combustível para o interior da câmara.
Quando o pico do rotor passa pela janela de admissão, a câmara é vedada e a compressão se inicia
Compressão
Conforme o rotor continua seu movimento pela carcaça, o volume da câmara diminui e a mistura ar-combustível é comprimida. No momento em que a face do rotor passa pelas velas de ignição, o volume da câmara está novamente próximo de seu mínimo. É quando se inicia a combustão.
Combustão
A maioria dos motores rotativos possui duas velas de ignição. A câmara de combustão é comprida, de modo que a chama se propagaria lentamente se houvesse apenas uma vela. Quando as velas de ignição detonam a mistura ar-combustível, a pressão aumenta rapidamente, o que força o rotor a se mover.
A pressão da combustão força o rotor a se mover na direção que faz a câmara aumentar de volume. Os gases da combustão continuam a se expandir, movendo o rotor e gerando potência, até que o pico do rotor passe pela janela de escapamento.
Escapamento
Assim que o pico do rotor passa pela janela de escape, os gases de combustão a alta pressão estão livres para fluir para o escapamento. À medida que o rotor continua a se mover, a câmara começa a se contrair, forçando os gases de escape remanescentes através da janela. No momento em que o volume da câmara está próximo de seu mínimo, o pico do rotor passa pela janela de admissão e todo o ciclo começa novamente.
O detalhe característico a respeito do motor rotativo é que cada uma das três faces do rotor sempre está trabalhando em uma parte do ciclo: sempre haverá três fases de combustão em uma volta completa do rotor. Mas lembre-se de que a árvore de saída gira três vezes para cada volta completa do rotor, o que significa que há uma fase de combustão para cada revolução da árvore de saída.
Diferenças e desafios
Há diversas características que definem e diferenciam um motor rotativo de um motor a pistão típico.
Menos partes móveis
O motor rotativo possui muito menos partes móveis do que um motor de quatro tempos a pistão comparável. Um motor rotativo de dois rotores possui três partes móveis principais: os dois rotores e a árvore de saída. Mesmo o mais simples dos motores a pistão de quatro cilindros possui pelo menos 40 partes móveis, incluindo pistões, bielas, árvores de comando, válvulas, molas de válvulas, balancins, correia dentada e engrenagens de distribuição, além do virabrequim.
Essa minimização de partes móveis pode se traduzir em maior confiabilidade de um motor rotativo. É por isso que alguns fabricantes de aeronaves (incluindo o fabricante do Skycar) preferem os motores rotativos aos motores de pistão.
Maior suavidade
Todas as peças de um motor rotativo giram continuamente em uma direção, em vez de mudar de direção de modo repentino como fazem os pistões de um motor convencional. Os motores rotativos são balanceados internamente com contrapesos rotativos, dispostos em fase para anular quaisquer vibrações.
A entrega de potência em um motor rotativo também é mais suave. Como cada evento de combustão dura 90 graus da rotação do rotor e a árvore de saída dá três voltas para cada volta do rotor, cada evento de combustão dura 270 graus da rotação da árvore de saída. Isso significa que um motor com um único rotor entrega potência para três quartos de cada volta da árvore de saída. Compare com um motor a pistão monocilíndrico, no qual a combustão ocorre durante 180 graus a cada duas voltas ou somente um quarto de cada revolução do virabrequim (a árvore de saída de um motor a pistão).
Mais lento
Como os rotores giram a um terço da rotação da árvore de saída, as principais peças móveis do motor movimentam-se de maneira mais lenta do que as peças em um motor a pistão. Isso também favorece a confiabilidade.
Desafios
Há alguns desafios no projeto de um motor rotativo:
•em geral, é mais difícil (mas não impossível) fazer um motor rotativo atender às normas de emissões de poluentes dos EUA;
•os custos de fabricação podem ser mais altos, principalmente porque a quantidade produzida desses motores não é tão grande quanto a dos motores a pistão;
•eles normalmente consomem mais combustível do que um motor a pistão porque a eficiência termodinâmica do motor é reduzida pelo formato alongado da câmara de combustão e pela baixa taxa de compressão.
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