Unidade: Lapa – São Paulo Atividade Avaliativa: Trabalho Temático

Unidade: Lapa – São Paulo
 Atividade Avaliativa: Trabalho Temático
 Disciplina: Equipamentos Estáticos e Dinâmicos
 Professor: Simei
Motores Wankel
Nome(s) aluno(s): Ailton Junior, Ângelo, Fernando Cracco, Reginaldo
Mauro, Técio Alves.
São Paulo, 6 de Outubro 2012
1
Motor Wankel
É um tipo de motor de combustão interna, inventado por Felix Wankel, que
utiliza rotores com formato semelhante ao de um triângulo em vez dos pistões dos
motores alternativos convencionais.
Wankel concebeu seu motor rotativo por volta de 1924 e obtém sua primeira
carta patente em 1933. Durante a década de 1940, dedicou-se a melhorar o seu
projeto. Houve um esforço considerável no desenvolvimento de motores rotativos nas
décadas de 1950 e 1960. Eram particularmente interessantes por funcionar de um
modo suave e silencioso, devido à simplicidade de seu motor e a um número reduzido
de peças, comparado com os motores a pistão.
Diferentemente dos motores com cilindro e pistão, o motor Wankel não utiliza
o princípio da biela e manivela. Ele não produz nenhum movimento alternativo, por
isso tem um funcionamento mais suave, com menos atrito, menos vibração e mais
silencioso. O conjunto inclui também um número reduzido de peças. Estas vantagens o
tornam uma atraente solução técnica que encontra uma vasta gama de aplicações em
todas as áreas de transportes (carros, motocicletas e aeronaves). As maiores
dificuldades em sua aplicação em larga escala são a vedação interna entre as câmaras,
baixa durabilidade e alto consumo de combustível, porém vem sendo aprimorado
devido aos recursos do controle eletrônico e novas tecnologias de fabricação. Em
2009, no setor automobilístico, a Mazda era o único fabricante que ainda incorporava
esses motores em seus veículos.
Em 22 de junho de 2012, a Mazda fabricou seu último motor Wankel, portanto,
o motor parou de ser fabricado permanentemente, já que a Mazda era a única
fabricante que o usava.
História - Durante muitos anos o motor rotativo foi uma das aspirações
máximas da tecnologia automobilística. Desde a bomba de Ramelle, de 1588 (o estudo
mais antigo de que se tem conhecimento) até o modelo esportivo de maior sucesso
produzido pela Mazda, o RX-7, muito se percorreu para atingir o grau de
desenvolvimento necessário para a produção seriada.
2
Desde 1903, com o modelo lobular de Cooley, passando pelos projetos de
Murdock, Galloway e Kraus, pesquisavam-se formas alternativas ao funcionamento
tradicional. Foi nas mãos do engenheiro Felix Wankel que se conseguiu grande êxito,
em parceria com a fábrica alemã NSU.
A exemplo do motor idealizado por Cooley, o projeto de Wankel baseava-se em
uma estrutura de movimentos epicicloidais de um rotor sobre um eixo. Um rotor
trilobular: um triângulo com as faces abauladas, girando no interior de uma carcaça
oca com forma ovalada. Os motores Wankel também ficaram conhecidos como
motores de combustão rotativa ou, simplesmente, motores rotativos.
Wankel abre uma oficina em Heidelberg e uma retífica de motores. Com
meticulosidade e perseverança, Wankel começa a questionar a durabilidade dos
motores, que se tornavam defeituosos prematuramente – dificilmente chegavam a 50
mil km. Em 1929, já com 27 anos, julga ter encontrado a razão: emite dois tratados de
patentes. O primeiro, datado de 16/10/1929, ocupa-se da "compensação ou equilíbrio
das massas para engrenagens, com massas que se deslocam em diversos sentidos"; no
segundo, de 6/12/1929, propõe novos ajustes de cargas dos anéis de segmento.
Com extrema dedicação aprofunda-se nesses problemas, construindo junto à
oficina da empresa um laboratório de experiências, que levam ao motor de êmbolo
rotativo, tal qual se conhece nos dias de hoje. Obtém sua primeira carta patente,
relativa ao motor rotativo, em 20/7/1933.
3
Neste motor não existem massas que se movem em direções diversas. Seu
maior inconveniente é a vedação entre os lóbulos do rotor. Wankel consegue então
outra patente, relativa à impermeabilização especial para distribuidores giratórios.
Muda-se para a cidade de Lahr, onde obtém recursos para alugar uma fábrica
vazia em Lindam. Com pouco mais de 100 homens trabalhando no Techinische
Entwicklungs Stelle (Departamento de Desenvolvimento Técnico), aperfeiçoa o sistema
de vedação, até então o ponto mais vulnerável do projeto, para iniciar a produção
seriada.
Vem a guerra e tudo é confiscado pelos americanos e franceses. Então
consegue um contrato com a NSU para construir um motor de motocicleta, segundo o
princípio do êmbolo rotativo. Em 9/8/1956, a "cadeira de balanço voadora", uma
motocicleta aerodinâmica, conquista vários recordes mundiais nas classes de 50 e 75
cm³.
Em 1957, sai da fábrica NSU em Neckarsulm o primeiro motor Wankel de
construção atual, para o NSU Spider (muito parecido com o Fiat 850). Em 1962, nove
empresas assinam contratos de licença, pagando mais de 15 mil marcos alemães para
os custos das licenças. Entre elas a Toyo-Kogyo Co., no Japão (hoje Mazda
Corporation), Curtiss-Wright (motores de aviação), Mercedes-Benz (motores diesel),
Krupp, MAN, Rolls-Royce, General Motors e Ford.
A aplicação mais audaciosa surge em 1967, com o lançamento do NSU Ro 80:
um sedã compacto, vencedor do prêmio Carro do Ano europeu. Com 115 cv, dois
rotores, ágil, aerodinâmico e moderno, causou grande procura nas revendas. Contudo,
os infindáveis problemas de vedação (o material de vedação dos vértices do rotor era
de baixa resistência), o consumo de lubrificante e as constantes paradas na oficina
arruinaram sua reputação e a da fábrica. Acabou sendo absorvida pelo grupo VW, que
não mais produziu este tipo de propulsor. Felix Wankel, por sua vez, faleceria em 9 de
outubro de 1988.
Em meados dos anos 60 a Toyo Kogyo, a Citroën e a Mercedes-Benz
apresentaram vários modelos com esta motorização. Foi o período de maior
4
desenvolvimento do conceito. Com o passar dos anos, muitos fabricantes desistiram
pelo caminho e só a Mazda permaneceu com sua utilização. Em 1978 surgiu o RX-7, o
maior sucesso de produção com esta motorização.
Por ser bastante leve e compacto, podendo ser montado completamente atrás
do eixo dianteiro, o motor permitia ótima distribuição de peso, mas a direção era leve
e instável. Seu outro grande atrativo era o preço e a beleza do desenho, fonte de
inspiração para outras marcas por anos a fio. A Mazda aplicou esta motorização em
protótipos de competição, sendo inclusive vencedora da 24 Horas de Le Mans, vitória
muito contestada pelos demais competidores.
E por que a Mazda via tanto interesse em desenvolver esta tecnologia? Nos
anos 60, o governo japonês estava disposto a conquistar novos mercados e a Mazda,
para adquirir independência, resolveu investir num projeto único, desenvolvendo seu
próprio motor Wankel. Seu primeiro veículo com motor rotativo foi o Cosmo, com
pequena produção iniciada em 1967. Era um GT de 2+2 lugares com semelhança ao
Ford Thunderbird, dois rotores, 491 cm³ e 110 cv. Ficou em produção durante cinco
anos. Após esta experiência, a corporação ficou mais confiante e lançou sucessivos
modelos. Em 1971 a Mazda vendeu 200 mil veículos com motor rotativo.
Sua aplicação com objetivos econômicos, contudo, era inviável, fazendo as
vendas despencarem nos Estados Unidos. A única exceção ficou para o novo Cosmo,
versão modernizada do Cosmo original, onde foram conseguidos 270 cv de um motor
5
construído em alumínio, com três rotores, dois turbocompressores, injeção eletrônica
e 2,6 litros. Mas as vendas só decolaram no Japão.
Mesmo depois de 20 anos, o motor Wankel ainda necessitava de
aperfeiçoamentos. Consumo e emissões ainda altos em relação aos concorrentes
levaram a Mazda a interromper a venda do RX-7 nos principais mercados mundiais,
embora permaneça disponível no Japão.
A General Motors foi outro grande investidor no projeto do motor rotativo, ao
lado da NSU e da Mazda. Em 1973, conseguiu sua licença de produção e apresentou
dois carros-conceito de dois rotores, baseados no Chevrolet Corvette; logo depois
apresentou outro conceito com quatro rotores, o XP-897 GT. Em 1974, o Chevrolet
Monza -- modelo diverso e bem maior que seu homônimo brasileiro—seria o primeiro
veículo de série norte-americano com este propulsor, mas as leis antipoluição
implantadas a partir desse ano colocaram em dúvida a viabilidade do programa.
Após ter investido muito dinheiro no projeto, a GM chegou a cogitar uma
produção de 80% de seus veículos com motor rotativo a partir de 1980. Mas a
legislação de emissões ainda mais rígida na Califórnia fez com que se abandonasse o
projeto. Quando o então presidente Ed Cole, seu grande incentivador, se aposentou, o
projeto foi para a gaveta.
Citroën, Mercedes-Benz e Nissan também se utilizaram desta tecnologia. A
marca francesa lançou dois veículos: o Ami6 e o GS Bimotor, sem grande sucesso e
com vida bastante curta. Outro gigante europeu, o grupo Daimler-Benz, experimentou
este propulsor no exótico carro-conceito C111, em 1969 no Salão de Frankfurt, nas
versões de três e quatro rotores, com potência de 320 e 450 cv. No entanto, não
chegou a colocar nenhum modelo em produção.
A Nissan conseguiu sua licença de produção em 1970, apresentando seu
protótipo em 1972. Com expectativa de produção de 120 mil unidades/ano, foi logo
cancelada com a crise do petróleo, em 1973.
Nos últimos 30 anos poucas marcas tentaram desenvolver motores rotativos, e
muitas das que investiram desistiram em curto espaço de tempo. A empresa mais
persistente – a Mazda – alcançou os maiores progressos e mesmo assim não conseguiu
superar o desenvolvimento dos motores convencionais. Desde o final dos anos 80 os
implementos evolutivos se concentraram na aplicação de injeção eletrônica e
6
turbocompressores (o modelo RX-7 13B), sem evoluir onde necessariamente
precisava—o elevado consumo e as altas emissões.
Um carro-conceito da Mazda com motor rotativo, o RX-01, foi apresentado em
1995 no Salão de Tóquio, sucedido mais recentemente pelo RX-Evolv, em 1999, e pelo
RX-8, no Salão de Detroit deste ano. Há quem aposte em um grande futuro para o
motor Wankel.
Funcionamento - Esse motor 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 do motor - gira excentricamente com relação ao eixo
principal, que equivale ao virabrequim dos motores a pistões. As formas destes dois
elementos são tais que enquanto os cantos do pistão estão sempre equidistantes das
7
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 clássico de quatro tempos admissão, compressão, explosão e exaustão - é produzido e, além disso, as três faces
do rotor estão em três fases diferentes do ciclo, ao mesmo tempo.
Consumo de combustível - Assim como a forma das câmaras de
combustão do motor Wankel previnem a pré-detonação, ela também leva à
combustão
incompleta
da
mistura
ar-combustível,
fazendo
com
que
os
hidrocarbonetos não queimados sejam liberados no escape. No caso de motores de
8
pistão, uma solução cara foi adotada, a de usar catalisadores para oxidar
completamente os hidrocarbonetos não queimados. A Mazda conseguiu evitar esse
custo enriquecendo a mistura ar-combustível e aumentando o número de
hidrocarbonetos não queimados no escape até que uma combustão completa pudesse
acontecer em um "reator térmico" (uma câmara expandida aberta na tubulação de
escape) sem a necessidade de um catalisador, produzindo assim um escape limpo com
o custo de um ligeiro aumento no consumo de combustível.
O preço mundial da gasolina aumentou severamente na mesma época em que
a Mazda introduziu seu motor Wankel, fazendo com que o escape limpo à custa do
aumento de consumo de combustível se tornasse uma troca não muito bem vinda.
Vantagens - As vantagens do motor Wankel sobre os motores a pistão
convencional são muitas. Em primeiro lugar, não existem vibrações devido ao fato de
que só há um movimento rotativo, isso significa ainda menor desgaste e vida mais
longa. O motor Wankel não tem nada de complicado, pelo contrário, tem poucos
componentes e é bem menor. Além disso ele gera mais potência e mais torque que um
motor "convencional" de mesma cilindrada. Isso porque cada lado de seu rotor
9
encontra-se em uma fase do ciclo, gerando mais explosões por volta do eixo
virabrequim do que um motor a pistão.
A Mazda atualmente conta com uma nova geração de motores rotativos,
chamado de Wankel Renesis pela marca, que apresentam um consumo muito
semelhante a carros concorrentes. Devido ao seu princípio de funcionamento, em que
não existem mudanças bruscas de componentes (alteração no sentido de movimento
dos pistões), as vibrações produzidas pelo motor são bem menores, assim como o
nível de ruído. Outro aspecto importante, fica por conta do torque, que é
disponibilizado de forma mais homogênea e constante. Como se não bastasse, são
muito mais compactos e leves, possibilitando cofres de motor também menores,
centro de gravidade do carro mais baixo, frentes menores e com melhor aerodinâmica
(carros com motor dianteiro).
Desvantagens - Entre suas desvantagens incluem-se uma curva de potência
não muito elástica e os problemas em manter uma vedação ideal entre os cantos do
rotor e as paredes da câmara de combustão devido à dilatação térmica, o que causa
algumas dificuldades devido ao rigor das especificações do projeto e às tolerâncias
mínimas na produção.
Além disso o motor Wankel aquece muito mais que o motor a pistões, devido
às altas rotações, trabalhando sempre no "limite", por assim dizer. Outra desvantagem
é a alta taxa de emissão de gases poluentes.
Em 1996 foi patenteado o motor Quasiturbine, uma evolução do motor
Wankel. Foi desenvolvido por uma equipe formada pela família canadense SaintHilaire, chefiada pelo físico Dr. Gilles Saint-Hilaire. No Quasiturbine, várias das
desvantagens do motor Wankel foram eliminadas.
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
10
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.
11
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.
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
12
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 arcombustível 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 arcombustível, 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.
13
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
14
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
15