Sábado, 27 de Março de 2010

Como funciona o motor quasiturbine?

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.

 

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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.

 

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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.

Quasiturbine com patins

Apesar de sua maior complexidade, o motor quasiturbine com patins ainda tem projeto relativamente simples. A seguir são descritas suas peças.

A carcaça (estator), praticamente oval e conhecida como "rinque de patinação de Saint-Hilaire," constitui a cavidade na qual gira o rotor. A carcaça contém quatro janelas:

 

  • uma janela onde a vela de ignição fica normalmente (a vela de ignição pode ser colocada na cobertura da carcaça - veja abaixo);
  • uma janela que é fechada com um tampão removível;
  • uma janela para a admissão de ar;
  • uma janela para escapamento dos gases de combustão.

 

 

 

Cada lado da carcaça é fechado por duas tampas. As tampas têm três janelas próprias que permitem flexibilidade máxima pela forma em que o motor é configurado. Por exemplo, uma das janelas serve como admissão para um carburador convencional, ou para receber a conexão de injetor de gasolina ou diesel, enquanto uma outra pode servir como localização alternativa para a vela de ignição. Uma das três janelas é uma grande saída para os gases de escapamento.

 

 

Como as várias janelas serão usadas dependerá do engenheiro automobilístico, que pode optar ou por um motor de combustão interna, ou por um que proporcione a superelevada compressão exigida pela fotodetonação.

O rotor, composto por quatro lâminas, substitui os pistões de um motor de combustão interna típico. Cada lâmina tem uma ponta de enchimento e entalhes de tração para receber os braços de acoplamento. A extremidade de cada lâmina termina com um pivô. A função do pivô é unir uma lâmina com a seguinte, formando uma conexão entre a lâmina e os patins que se movimentam em balanço. Para cada lâmina existem quatro patins. Cada transportador é livre para girar em torno do mesmo pivô, de modo que ele permaneça em contato com a parede interna da carcaça o tempo todo.

 

 

Cada patim trabalha juntamente com duas rodas, o que significa oito rodas ao todo. As rodas possibilitam ao rotor rolar suavemente sobre o perfil da superfície da carcaça, sendo largas para reduzir a pressão no ponto de contato.

O motor quasiturbine não precisa de uma árvore central para operar mas é claro que um carro necessita uma árvore de saída que transfira a potência do motor para as rodas. A árvore de saída está conectada ao rotor por dois braços de acoplamento, que se encaixam nos entalhes de tração, e quatro braços de ligação.

 


 

Colocando todas as partes juntas, o motor acaba parecido com isso:

 


Foto cortesia quasiturbine.com
Motor quasiturbine com patins

 

Observe que o motor quasiturbine não tem nenhuma das complicadas peças de um típico motor a pistão. Não tem virabrequim, nem válvulas, pistões, hastes, balancins ou comando de válvulas. Há pouco atrito porque as lâminas do rotor "viajam" sobre patins e rodas, significando que o óleo e o cárter são desnecessários.

Agora que já conhecemos os principais componentes de um quasiturbine com patins, vejamos como tudo funciona ao mesmo tempo. Esta animação ilustra o ciclo da combustão:

 


Foto cortesia quasiturbine.com

 

A primeira coisa a notar é como as lâminas do rotor, ao girarem, mudam o volume das câmaras. Primeiramente o volume aumenta, o que permite expansão da mistura ar-combustível. A seguir o volume diminui, comprimindo a mistura que passa a ocupar um menor volume.

Em seguida, deve-se reparar como um curso de combustão termina exatamente quando o próximo está prestes a ser iniciado. Mediante um pequeno canal ao longo da parede interna da carcaça, próximo da vela de ignição, uma pequena quantidade de gás quente flui de volta para a câmara de combustão vizinha prestes a entrar em combustão, no momento em que as vedações de cada patim passam sobre o canal. O resultado é combustão contínua, bem semelhante ao que ocorre em uma turbina a gás de avião!

O resultado de tudo isso para o motor quasiturbine é o aumento da eficiência e do desempenho. As quatro câmaras produzem dois circuitos consecutivos. O primeiro é usado para compressão e expansão durante a combustão. O segundo serve para expelir os gases e captar o ar. Em uma volta do rotor, são criados os quatro tempos do motor. Isso é oito vezes mais o que se consegue com um típico motor a pistão! Nem mesmo um motor Wankel, que produz três tempos-motor para cada revolução do rotor, pode competir com o desempenho de um quasiturbine.

Vantagens e desvantagens
Obviamente, o aumento de produção de potência do motor quasiturbine o faz superior aos motores de pistão e Wankel, mas ele já resolveu muitos dos problemas apresentados pelo Wankel. Por exemplo, os motores Wankel levam a uma combustão incompleta da mistura ar-combustível e os hidrocarbonetos remanescentes são liberados pelo escapamento. O motor quasiturbine supera esse problema com sua câmara de combustão 30% mais curta. Isso significa que a mistura ar-combustível no quasiturbine passa por uma compressão maior e por uma queima mais completa. Também significa que, com menor quantidade de combustível não-queimado, o quasiturbine consome bem menos combustível.

Outras vantagens significativas do quasiturbine incluem:

  • vibração zero porque o motor tem balanceamento perfeito;
  • aceleração mais rápida sem a necessidade de um volante;
  • maior torque em baixas rotações;
  • operação praticamente sem lubrificação;
  • menor nível de ruído;
  • completa flexibilidade para operar totalmente submerso ou em qualquer direção, até de cabeça para baixo;
  • poucas partes móveis, portanto, menos desgaste e quebras.

Finalmente, o quasiturbine pode funcionar com diversos combustíveis, incluindo o metanol, gasolina, querosene, gás natural e diesel. Pode até mesmo se adaptar ao hidrogênio como fonte de combustível, o que o torna em solução de transição ideal para carros evoluindo de combustão tradicional para combustíveis alternativos.

Aplicações no mundo real

 


Foto cortesia quasiturbine.com

Considerando que o moderno motor de combustão interna foi inventado por Karl Benz em 1886 e que passaram por quase 120 anos de aperfeiçoamentos de projeto, o motor quasiturbine ainda se encontra na infância. O motor não é usado em aplicações no mundo real que testariam sua adequação como substituto do motor a pistão (ou, a propósito, do motor rotativo). Ele ainda se encontra na fase de protótipo - só foi visto até hoje durante demonstração num kart em 2004. O quasiturbine pode levar décadas até ser uma tecnologia de motor competitiva.

No futuro, entretanto, é provável que vejamos o quasiturbine sendo usado para outros fins que não apenas o carro. Como a área central do motor é mais volumosa e não exige árvore central, ele pode acomodar geradores, hélices e outros equipamentos de potência, tornando-o ideal para equipar motosserras, pára-quedas motorizados, carros de neve, compressores de ar, sistemas de propulsão de navios e usinas geradoras de energia elétrica.

William Harris.  "HowStuffWorks - Como funciona o motor quasiturbine".  Publicado em 21 de junho de 2005  (atualizado em 20 de julho de 2009) http://carros.hsw.uol.com.br/motor-quasiturbine.htm  (27 de março de 2010)

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