Como funciona o motor quasiturbine

Autor: 
William Harris

O projeto de um motor está na confluência de três fatores: preocupação de como as emissões do carro afetam o meio ambiente; lembra o aumento do preço da gasolina, a necessidade de poupar fontes de energia fósseis e traz conclusão de que um carro movido a hidrogênio - seja ele abastecido por uma célula a hidrogênio ou pela combustão interna de hidrogênio - não será realidade tão cedo. Como resultado, muitos engenheiros têm tido mais interesse em melhorar o motor de combustão interna.


Foto cortesia quasiturbine.com
Motor quasiturbine

O motor quasiturbine, patenteado em 1996, precisamente é uma dessas melhorias. Nesse artigo, apresentaremos o motor quasiturbine e responderemos às questões seguintes:

  • De onde surgiu a idéia para este tipo de motor?
  • Quais as partes de um motor quasiturbine?
  • Como o motor quasiturbine trabalha?
  • Como se compara seu desempenho com o dos outros motores de combustão interna?

Fundamentos dos motores
Para ver como funciona um motor quasiturbine, precisamos entender alguns princípios básicos dos motores.

O princípio básico de qualquer motor de combustão interna é simples: se colocarmos em um espaço confinado uma pequena quantidade de ar e um combustível altamente energético, como a gasolina, a ignição da mistura fará o gás se expandir rapidamente e liberará uma quantidade de energia incrível.

A meta de um motor é converter a energia desse gás em expansão em um movimento rotativo (giratório). No caso dos motores dos carros, a meta específica é fazer com que um virabrequim, também chamado árvore de manivelas, gire rapidamente. O virabrequim é conectado a vários componentes que transmitem o movimento rotativo para as rodas do automóvel.

Para controlar a energia do gás que se expande é necessário fazer o motor passar por um ciclo de eventos que provocam muitas explosões pequenas. Nesse ciclo de combustão, o motor deve:

  • deixar a mistura de combustível e ar em uma câmara
  • comprimir a mistura do combustível com o ar
  • fazer a ignição do combustível para criar uma explosão
  • liberar o escapamento (que pode ser visto como um subproduto da explosão).

O ciclo é, então, reiniciado.

Como funcionam os motores de carros explica detalhadamente este funcionamento para um motor convencional a pistão. Essencialmente, o ciclo de combustão força um pistão para cima e para baixo fazendo o virabrequim girar.

Enquanto um motor de pistão é o tipo mais comum usado pelos carros, o motor quasiturbine opera mais como um motor rotativo. Em vez de usar o pistão como um típico motor de carro, um motor rotativo usa um rotor triangular para chegar ao ciclo de combustão. A pressão de combustão é contida em uma câmara formada de um lado pela parte da carcaça e, do outro, pela face do rotor triangular.


O rotor, ao se movimentar, conserva cada uma de suas três arestas em contato com a carcaça, criando três volumes de gás separados. Quando o rotor se move em torno da câmara, cada um dos três volumes de gás, alternadamente, expande e contrai. Esta expansão e contração é que aspira ar e combustível para dentro do motor, faz a compressão da mistura e produz potência útil à medida que os gases se expandem, para depois serem expelidos (veja Como funcionam os motores rotativos para mais informação).

Fundamentos do quasiturbine
O quasiturbine foi patenteado em 1996 pela família Saint-Hilaire. O conceito do motor quasiturbine foi o resultado de uma pesquisa que começou com uma avaliação intensa de todos os conceitos de motor visando descobrir as vantagens, desvantagens e oportunidades de melhoria de cada modelo. Durante esse processo exploratório, a equipe da Saint-Hilaire chegou à conclusão de que a solução especial procurada deveria ser capaz de melhorar o motor Wankel normal, ou rotativo.

Como os motores rotativos, o motor quasiturbine é baseado em um projeto de rotor e carcaça. Mas em vez de três lâminas, o rotor quasiturbine tem quatro elementos interligados, com câmaras de combustão localizadas entre cada elemento e as paredes da carcaça.


Foto cortesia quasiturbine.com
Projeto simples do quasiturbine

O rotor de quatro faces é a característica que distingue o quasiturbine do Wankel. Na realidade, existem duas maneiras diferentes de configurar esse projeto, um com patins e outro sem patins. Como veremos, neste caso o patim é apenas uma simples peça do maquinário.

Primeiramente, olhemos os componentes de um modelo mais simples de quasiturbine, a versão sem patins.

Quasiturbine simples
O modelo quasiturbine mais simples é bastante semelhante ao motor rotativo tradicional. Um rotor gira dentro de uma carcaça de forma quase oval. Entretanto, observe que o rotor quasiturbine tem quatro elementos em vez de três. Os lados do rotor fazem a vedação dos lados da carcaça e os cantos do rotor vedam sua periferia interna, criando nela quatro câmaras.


Em um motor a pistão, um ciclo completo de quatro tempos produz duas voltas completas do virabrequim (ver Como funciona o motor de carros). Isto significa que a potência produzida por um motor a pistão de apenas um dos quatro cursos do ciclo.

Um motor quasiturbine, por outro lado, não precisa de pistões. Em vez disso, os quatro tempos do motor de pistão típico são arranjados seqüencialmente em torno da carcaça oval. Não há necessidade de virabrequim para executar a conversão rotativa.

Este gráfico animado identifica cada ciclo. Observe que nessa ilustração a vela de ignição é localizada em uma das janelas da carcaça.


Neste modelo básico é muito fácil ver os quatro ciclos de combustão interna.

  • Admissão, que aspira a mistura de combustível e ar.
  • Compressão, que comprime a mistura de combustível e ar em um volume menor.
  • Combustão, que usa a centelha da vela de ignição para inflamar o combustível.
  • Escapamento, que expele os gases queimados (subprodutos da combustão) do motor.

Os motores quasiturbine com patins funcionam mediante a mesma idéia básica desse projeto simples, tendo modificações de projeto que tornam possível a ocorrência da fotodetonação. A fotodetonação é um modo de combustão superior, que exige mais compressão e robustez daquelas que podem ser fornecidas por motores de pistão ou rotativos.

Fotodetonação
Os motores de combustão interna são classificados em quatro categorias, que se baseiam em como o ar e o combustível são misturados na câmara de combustão e em como o combustível entra em ignição.

Quatro tipos de motores de combustão interna

Tipo de
ignição
Mistura ar-combustível homogênea Mistura ar-combustível heterogênea
Ignição por centelha Tipo I
Motor a gasolina
Tipo II
Motor a gasolina de injeção direta (GDI)
Ignição por aquecimento Tipo IV
Motor de Fotodetonação
Tipo III
Motor a diesel

Tipo I - abrange os motores nos quais o ar e o combustível se misturam plenamente para formar uma mistura homogênea. Quando a cetelha inflama o combustível, uma chama de alta temperatura passa pela mistura e queima o combustível que encontra pelo caminho. Este, claro, é o motor a gasolina.

Tipo II - o motor de injeção direta de gasolina usa parcialmente uma mistura de combustível e ar (uma mistura heterogênea), em que a gasolina é injetada diretamente no cilindro em vez de no duto de admissão. Uma vela de ignição inicia então a queima da mistura que, quanto mais queima, menos resíduos gera.

No Tipo III, o ar e o combustível são misturados parcialmente na câmara de combustão. Essa mistura heterogênea é formada pela injeção de combustível depois que o ar está bem aquecido por efeito de compressão, que faz com que a auto-ignição ocorra. O motor Diesel opera desta forma.

Finalmente, no Tipo IV, as melhores qualidades dos motores à gasolina e diesel são combinadas. Uma pré-mistura de ar e combustível passa por uma grande compressão até que o combustível entre em auto-ignição. Isso é o que ocorre em um motor de foto-detonação. Pelo fato dele usar carga homogênea e ignição por compressão, muitas vezes é descrito como um motor HCCI . A combustão por HCCI (ignição por compressão de carga homogênea) resulta em combustão teoricamente sem emissões e em eficiência superior no consumo de combustível. Isso é conseqüência dos motores de foto-detonação queimarem completamente o combustível: ou não deixam resíduos de hidrocarbonetos para serem tratados por um catalisador, ou expelem simplesmente no ar.


Fonte: Green Car Congress

Naturalmente, a alta pressão exigida pela fotodetonação impõe um esforço significativo no motor propriamente dito. Os motores a pistão não podem resisitir ao violento esforço da detonação. E os motores rotativos tradicionais como o Wankel, que possuem longas câmaras de combustível que limitam a compressão a ser obtida, são incapazes de produzir o ambiente de alta pressão necessário para que a fotodetonação ocorra.

Surge assim o quasiturbine com patins. Somente este projeto é suficientemente forte e compacto o bastante para resistir ao esforço da fotodetonação e permitir a taxa de compressão mais alta, necessária para que ocorra a auto-ignição pelo ar aquecido.

Na seqüência, veremos os principais componentes desse projeto.