Desde os primeiros dias da invenção do motor a gasolina, milhares já foram construídos baseados em princípios e ciclos diferentes dos que caracterizaram os motores clássicos de dois ou quatro tempos. Entre eles, um tipo desenvolveu-se satisfatoriamente, após anos de estudos e experiências. Trata-se do motor de pistão rotativo ou, como é atualmente conhecido, motor Wankel.
O primeiro automóvel produzido em série a utilizar um desses motores foi o carro esporte NSU de dois lugares, que atraiu muito interesse nos círculos automobilísticos por seu tamanho reduzido, suavidade e a espantosa força desenvolvida por seu motor com mio litro de capacidade - embora isto não seja comparável com o meio litro de um motor de pistão convencional, conforme veremos.
Os princípios essenciais do motor Wankel não são fáceis de descrever, mas antes de mais nada precisamos contar sua história.
Em 1951, Felix Wankel, encarregado do Departamento de Pesquisas Técnicas em Lindau, fez os primeiros contatos com os engenheiros da NSU para estudar os problemas da vedação de espaços irregulares. Esses estudos resultaram na descoberta de que um motor mais ou menos triangular (mas com lados convexos), girando em uma câmara que tivesse, aproximadamente, a forma de um oito (é claro que as descrições são matematicamente muito inexatas), poderia desenvolver um verdadeiro ciclo de quatro tempos.
A primeira aplicação desse princípio foi na forma de um compressor para o motor NSU de 50cc, com dois tempos, que iria estabelecer novos recordes mundiais em Utah, em 1956. O compressor rotativo capacitou este pequeno motor a desenvolver 260HP por litro. Isto deu ao pequenino carro a velocidade de quase 160km/h.
Em 1958, Wankel fez um acordo com a companhia norte-americana Curtiss-Wright para que unissem seus esforços nas tentativas de fabricação de um grande motor baseado nestes princípios. Mais tarde começaram os testes com carros dotados de motores Wankel, diferentes uns dos outros. Dessa época até 1963, o motor foi gradualmente tomando forma definitiva e então adaptado a um pequeno NSU de dois lugares, apresentado no Salão do Automóvel em Frankfurt, no outono de 1963. A partir daí, foi concedida licença, entre outras, para a Mazda, no Japão.
Talvez o melhor exemplo seja o magnífico NSU RO 80, com dois rotores, que começou a ser produzido em série em outubro de 1967, sendo que a versão com a direção do lado direito foi introduzida no mercado inglês em fins de 1968.
Veremos agora como o motor funciona. Ele consiste essencialmente em uma câmara cujo formato interno se aproxima da forma de um oito. Dentro dela, um rotor mais ou menos triangular - o pistão - gira excentricamente com relação ao virabrequim ou eixo principal do motor. As formas destes dois elementos são tais que enquanto os cantos do pistão estão sempre equidistantes das paredes da câmara - e muito próximos a elas, formando uma vedação - eles sucessivamente aumentam e diminuem o espaço entre os lados convexos do triângulo - o rotor - e as paredes da câmara.
Assim, se uma mistura for injetada numa das câmaras, quando está aumentando de tamanho, será comprimida na redução subsequente de volume, enquanto o rotor, ou pistão, gira. Deste modo, o ciclo clásico de quatro tempos - injeção, compressão, explosão e exaustão - é produzido e, além disso, as três faces do rotor estão em três fases diferentes do ciclo, ao mesmo tempo.
As vantagens do motor Wankel sobre os motores de pistão convencional são muitas. Em primeiro lugar, não existem vibrações devido ao fato de que só há um movimento rotativo, e isso significa ainda menor desgaste e vida mais longa. O motor Wankel não tem nada de complicado: ao contrário, tem poucos componentes, é bem menor e consome bem menos do que os outros motores.
Entre suas desvantagens incluem-se uma curva de potência não muito elástica e problemas em manter uma perfeita vedação entre os cantos do rotor e as paredes da câmara, o que causa algumas dificuldades devido ao rigor das especificações do projeto e às tolerâncias mínimas na produção.
O novo Mazda RX-8 é, sem dúvida, um automóvel inovador. A comprová-lo estão o motor rotativo Renesis, os quatro lugares e o sistema de abertura de portas "Freestyle"
Foi num ambiente descontraído e algo eufórico que a Mazda apre-sentou a sua proposta mais original e apelativa: o RX-8. Deu, assim, mais um passo na pressecução do objectivo de lançar quatro novos modelos no espaço de 18 meses. O ciclo fechar-se-á no início de 2004, com a chegada do Mazda3. Com características exclusivas e soluções invulgares, o RX-8 sucede ao mítico RX-7. Grande responsabilidade…
Dragão vermelho Agressivo de todos os ângulos e apelativo nas sete cores disponíveis (com especial destaque para o vermelho "Velocity"), o RX-8 é um desportivo bem desenhado, que apela aos sentidos. A sua presença marcante deve-se à forma elaborada do capot e da tampa da mala, às cavas das rodas salientes, aos grupos ópticos e farolins originais, à dupla saída de escape e às jantes de 18" com pneus Bridgestone Potenza RE050, de medida 225/45. Outro detalhe curioso são as aplicações em forma de rotor existentes nos pára-choques e, sobretudo, nas quatro portas (só as dianteiras dispõem de pegas).
E esta é precisamente uma das inovações deste coupé, que, para a Mazda, revoluciona o conceito de desportivo. Designado "Freestyle", o sistema de abertura de portas do RX-8 caracteriza-se pelo facto de as traseiras abrirem no sentido oposto ao das dianteiras, melhorando o acesso. Tal só é possível devido à ausência de pilares B, abrindo as portas traseiras segundo uma charneira colocada nos pilares C. E não se pense que a solução não é segura: as portas traseiras só abrem depois das dianteiras o terem sido (e vice-versa). Para a abertura ou o fecho das portas traseiras, o cinto do acompanhante não pode estar colocado.
Saídas de climatização circulares, volante desportivo e pedais em alumínio são três características do habitáculo, onde se respira um ambiente desportivo e apelativo e podem viajar quatro adultos
O interior segue a orientação estilística do exterior. O volante de três braços (regulável em altura e forrado a pele) inclui os comandos do rádio e do cruise-control. Os pedais são em alumínio com aplicações em borracha. Os bancos desportivos, em pele, exibem um design arrojado, existindo no encosto de cabeça a forma de rotor (presente, ainda, no punho da caixa).
As saídas de climatização são circulares. A consola central sobressai pela sua forma. O velocímetro digital está colocado dentro do conta-rotações. O posto de condução é eficaz e a habitabilidade de bom nível, mesmo para quatro adultos. Entre os bancos existem compartimentos de arrumação com porta-copos. A construção é mediana e a mala tem 290 litros.
O nível de equipamento definido para Portugal é extenso, mesmo não sendo o mais completo. A segurança contempla cintos dianteiros com pré-tensores e limitadores de força, pedais retrácteis, estruturas deformáveis (foram efectuados reforços para compensar a ausência dos pilares B), fixações Isofix nos bancos traseiros, airbags frontais adaptativos, airbags laterais dianteiros, cortinas insufláveis, ABS com EBD e DSC (controlo de estabilidade que inclui controlo de tracção e pode ser desligado em dois modos).
Temperamento rotativo Suspensão desportiva, pneus largos de baixo perfil, tracção traseira, diferencial de escorregamento limitado (LSD), discos ventilados nas quatro rodas, vias largas, distância entre eixos compacta, distribuição de peso de 50/50 e baixo centro de gravidade, devido à colocação específica do motor (dianteiro), são as características que conferem ao RX-8 um temperamento rotativo. A mais invulgar reside sob o capot: motor Renesis atmosférico de duplo rotor (o do anterior RX-7 era biturbo), optimizado em termos de consumo de combustível e óleo, emissões poluentes (cumpre já as normas Euro IV) e performances. O motor rotativo do RX-8 (tecnologia criada por Felix Wankel, que a Mazda usa desde 1967) dispõe de uma nova sistematização das janelas de admissão e escape, agora posicionadas lateralmente no bloco (no RX-7 as de admissão eram periféricas). Deste modo, foi eliminada a sobreposição das fases de admissão e escape (as de admissão passaram a abrir mais cedo, as de escape mais tarde), o que permitiu aumentar o tempo de combustão e melhorar a eficiência termodinâmica.
Disponível em três níveis de potência (192 cv, 231 cv e 250 cv), a versão destinada a Portugal será a intermédia, ficando a menos po-tente reservada a outros mercados europeus, e a mais musculada aos EUA e Japão. Nos poucos quilómetros que pudemos efectuar ao volante da versão destinada ao nosso país (com caixa manual de seis velocidades), ficámos com boa impressão do RX-8. A maioria do percurso abrangeu auto-estrada, e cedo verificámos a falta de "peso" da direcção assistida electricamente, sendo ainda pouco directa. Além disso, acima dos 160 km/h, a frente revelou-se sempre pouco estável, obrigando a constantes correcções.
Tirando estes dois aspectos, e o facto de a caixa (com um comando curto, rápido e preciso) ter as relações mais longas que o desejável, em tudo o resto este coupé agradou. A frente insere-se muito bem em curva, a carroçaria tem um rolamento mínimo e dificilmente este desportivo tem a tendência para "fugir de traseira", o que torna a sua condução eficaz e, sobretudo, segura. Mesmo com o DSC desligado, são poucas as vezes em que se consegue "andar de lado" neste desportivo, se não quando provocado ou em pisos escorregadios.
Explicações para isto encontram-se nos pneus largos e no diferencial de escorregamento limitado, o que, aliado à potência não muito elevada, contribui para um desempenho previsível e homogéneo (a tendência do RX-8, em diversas situações, é começar a "fugir de frente", visto ter muita aderência). Os travões são potentes e eficazes. O RX-8 tem, ainda, a virtude de saber lidar bem com as repentinas transferências de massa.
Quanto a performances, o motor Renesis prefere claramente regimes elevados. Com uma sonoridade agradável acima das 4000 rpm (a red-line é às 9000 rpm!), proporciona boas acelerações e reprises, embora a sua falta de elasticidade implique o recurso frequente à caixa de velocidades.
À venda no nosso país em Outubro, o novo Mazda RX-8 custará cerca de 50 mil euros* (em Espanha custa 37 400* e com mais equipamento). Apesar de a sua cilindrada ser de 1308 cc (654 cc por rotor), a lei portuguesa encontrou uma forma curiosa de lhe aplicar o IA: multiplica 1308 cc por 1.9, o que dá uma cilindrada fiscal de 2485 cc. Por isso, a previsão de vendas do importador não pode ser muito optimista: 50 unidades até final do ano, 100 em 2004.
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 e a carcaça de um motor rotativo de um Mazda RX-7: essas peças substituem os pistões, cilindros, válvulas, bielas e árvores de comando encontrados nos motores a pistão
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
A Mazda é pioneira no desenvolvimento e produção de carros que usam motores rotativos. O RX-7, lançado em 1978, provavelmente foi o carro movido a motor rotativo de maior sucesso. Mas ele foi precedido por uma série de carros, caminhões e até mesmo ônibus com motores rotativos, começando com o Cosmo Sport 1967. O último ano em que o RX-7 foi vendido nos Estados Unidos foi em 1995, mas o motor rotativo está previsto para retornar em breve.
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 O rotor possui três faces convexas, cada uma atuando como um pistão. Cada face do rotor possui um bolsão, que aumenta a cilindrada do motor, permitindo mais espaço para a mistura ar-combustível.
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.
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.
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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