SCBR Next Edition

Ao lado dos motores alternativos a pistão idealizaram-se vários esquemas de motores rotativos, de lobos ou por capsulismos. Todavia, poucos motores rotativos proporcionam, na prática, rendimentos comparáveis aos dos motores alternativos, especialmente em relação às elevadas velocidades de rotação, durabilidade e precisão de conexão (interação) entre as partes em movimento.

Entre eles destaca-se o motor Wankel, idealizado pelo engenheiro alemão Felix Wankel (nascido em Lahr,em 1902).

No século XIX projetaram-se diversos tipos de motores rotativos, patenteados em grande quantidade antes e depois do aparecimento do motor a pistão. Somente na Inglaterra registraram-se mais de 2 mil patentes de motores rotativos desde o século XIX até a metade do século XX. Entre os mais conhecidos está o de Elijah Galloway, que data de 1846: Um propulsor constituído por dois componentes de cinco lobos cada um, colocados um no interior do outro. Ambos giram mantendo em contato cinco geratrizes que delimitam outras tantas câmaras operativas. Considera-se o motor construído por Galloway como o primeiro de pistões rotativos com câmara epicicloidal.

Outras soluções alcançaram o estágio da realização prática, como a do inglês John Francis Cooley (1901/1903) — construída para funcionar como motor a vapor e, depois, aproveitada por Umpleby como motor de combustão interna —, e a dos suecos Wailinder & Skoog, que em 1921 projetaram um pistão rotativo com cinco lobos, colocado no interior de uma câmara hipocicloidal de seis lobos. O francês Dimitri Sansaud de Lavaud retomou este esquema em 1938, em experiências patrocinadas pelo Ministério da Aeronáutica da França, com a colaboração da Citroën e da Renault. Em 1943 o sueco Bernard Maillard construiu um compressor que, baseado numa patente inglesa para um motor de pistão rotativo, tinha praticamente a conformação do motor Wankel, ou seja, um pistão triangular e um cilindro epicicloidal de dois lobos. De 1945 a 1954 Wankel realizou estudos mais profundos sobre motores rotativos e obteve a patente do primeiro propulsor rotativo de combustão interna prático e eficiente.

As primeiras pesquisas experimentais em plano industrial, realizadas com as várias configurações estudadas por Wankel, realizaram-se no departamento de pesquisas da NSU dirigido pelo engenheiro alemão Froede. Para a escolha do esquema atualmente em uso influiu a possibilidade de se obter, com ele, uma máquina de construção simples, com número limitado de elementos em conexão, e com a qual se pudesse atingir facilmente as relações de compressão necessárias ao desenvolvimento do ciclo Otto. Assim, optou-se originalmente pela solução de rotação integral, isto é, pelos motores DKM (Drehkolbenmotoren ou motores de pistões rotativos), sem acelerações alternas e sem movimentos excêntricos. O primeiro protótipo, construído em 1957, tinha cilindrada unitária de 125 cc e 29 cv de potência a 17 000 rpm, pressão média de 8,34 bar e consumo específico de 230 gr/cvh. Neste primeiro exemplar os dois elementos eram dotados de movimento rotativo; conseqüentemente, verificavam-se grandes deformações elásticas do rotor externo que, por outro lado, apresentava elevado momento de inércia. Tais problemas desaconselharam o prosseguimento das pesquisas nessa direção.

Passou-se, então, à construção de um segundo protótipo, denominado "de rotação planetária", ou KKM (Kreiskolhenmotor, ou motor de pistão circular). O elemento externo era fixo (estator), enquanto o elemento interno tinha movimento rotativo (rotor ou pistão rotativo). Com a mesma cilindrada de 125 cc, obtinha-se potência de 26 cv a 11 000 rpm, com pressão média de 8,8 bar e consumo específico de 250 gr/cvh. Seguiram-se alguns protótipos experimentais de 150 cc para acionamento de bombas portáteis e para propulsão náutica, e diversas versões de 250cc para caminhões. Para a propulsão de automóveis desenvolveu-se em seguida o motor KKM 400, de 400 cc, pequeno e leve f apenas 23 kg), que desenvolvia 50 cv a 6 000 rpm, com consumo entre 230 e 250 gr/cvh. Em 1965, finalmente, foi apresentado o primeiro automóvel (NSU) de série, dotado de motor Wankel; um KKM 502, de 500 cc e desempenho equivalente ao do 400. Em 1968 a NSU construiu também um propulsor de dois rotores, o KKM 612, adotado no modelo Ro 80. Por volta de 1960 as maiores empresas automobilísticas do mundo já tinham adquirido os direitos para experimentar e construir os motores NSU Wankel.

Em 1969 a Citroën montou um monorrotor de 50 cv a 6000 rpm em 508 carros experimentais, destinados a clientes selecionados- A Mercedes Benz construiu duas versões com mais rotores, montadas experimentalmente no cupê C111: um trirrotor de 290 cv e um quadrirrotor de 350 cv, ambos com alimentação por injeçâo. As fábricas japonesas, sobretudo a Toyo Kogyo, colocaram no mercado, em fins da década de 60, diversos carros com motores Wankel. A elas se devem um profundo trabalho de aperfeiçoamento e a solução de muitos problemas, como o da construção dos elementos de conexão e o desenvolvimento de motores para a propulsão de caminhões.

Na Europa apenas a Citroën, em 1974, introduziu, em produção limitada, uma versão da berlina GS com motor Wankel de dois rotores de 497,5 cc, relação de compressão 9: l, 105 cv DIN a 6 500 rpm e torque máximo de 14 kgm a 3 000 rpm. À Rolls Royce deve-se o projeto de um protótipo de motor Wankel diesel, o 2-RS, constituído por duas unidades paralelas de dimensões diferentes, ligadas de modo a haver compressão e expansão duplas. Este esquema é indispensável para se atingirem as elevadas relações de compressão (cerca de 20:1) necessárias para o desenvolvimento do ciclo de auto-ignição.

 

O motor Wankel é muito mais simples que o motor convencional de pistões, pois tem muito menos componentes. Compreende uma ou mais frações iguais justapostas, cada uma formada por um estator, com perfil interno epitrocoidal de dois lobos, e um rotor, de perfil triangular e paredes laterais curvilíneas. O rotor tem um furo no centro, subdividido em duas zonas justapostas, que têm funções diferentes. A zona principal, cilíndrica e lisa, constitui o elemento externo de um suporte (de rolamentos ou mesmo de banco liso), dentro do qual gira um eixo excêntrico ligado ao virabrequim. A outra zona corresponde uma coroa dentada que engrena em um carretel (também dentado), solidário com a parte fixa do motor. Essa engrenagem tem a função de manter o pistão em sua orientação exala durante o movimento. O número de dentes das duas rodas depende da relação que existe entre o número de lobos do pistão e da câmara (no caso do motor Wankel, 3;2). O eixo excêntrico em que gira o rotor — e através dele o rotor transmite a potência ao virabrequim — representa a árvore de manivela do virabrequim; o movimento de revolução do rotor é definido pela rotação do próprio eixo principal de simetria (que coincide com o eixo do virabrequim) em tomo do eixo do estator (ou seja, do virabrequim). No motor Wankel, portanto, pode-se comparar o efeito de excentricidade do movimento planetário do rotor a uma manivela — que tenha raio equivalente — de um motor tradicional de pistões.

O motor Wankel também difere do motor automobilístico convencional; em linhas gerais, ele se assemelha a um motor de dois tempos, em que o pistão, durante seu movimento, abre e fecha as luzes do cilindro. Há uma diferença fundamental, porém: no motor de dois tempos o pistão funcionacomo uma verdadeira válvula de gaveta, ao passo que no motor Wankel as luzes — quando expostas perifericamente — estão sempre abertas e, por efeito da rotação do pistão, colocam-se, sucessivamente, em comunicação com as várias câmaras rotativas. Em todos os tipos de motores, a luz de escape, de forma quase circular, é disposta perifericamente, ou seja, na superfície epitrocoidal, e está posicionada de modo a estar em contato com a câmara desde o fim da fase de expansão até o inicio da fase de admissão.

No motor Wankel, o pistão triangular divide o espaço livre do estator em três camâras de volume variável. Nestas ocorrem simultaneamente três ciclos de quatro tempos, defasados de um terço de volta do rotor. As fases úteis são portanto três, equidistantes para cada rotação completa do pistão. Como a um giro do rotor correspondem três giros do virabrequim, tem-se uma fase ativa para cada giro do motor, como em um bicilíndrico de quatro tempos de igual cilindrada unitária. Isto justifica a equivalência, para fins esportivos e fiscais, de um monorrotor Wankel a um bicilíndrico quatro tempos de igual cilindrada unitária 

 

Representação das fases do motor Wankel (gira no sentido anti-horário). Três das quatro fases ocorrem ao mesmo tempo em um único rotor.

Para as luzes de admissão existem duas soluções experimentais diferentes: a luz periférica é semelhante à luz de escape, ou dispõem-se duas aberturas em correspondência coro as duas superfícies laterais do motor. Neste método, o lado do pistão cobre e descobre alternativamente as luzes durante seu movimento. Em relação à primeira solução, a duração da fase de abertura é menor, mas tal limitação é compensada pela maior secção de passagem determinada pela presença de duas luzes (uma para cada lado). A luz periférica única talvez proporcione maior rendimento; em contraposição, a solução de duas luzes laterais, embora com menor rendimento volumétrico, permite maior turbulência, com o consequente melhoramento da combustão, especialmente em regimes baixos de funcionamento. Este último aspecto tem grande importância no motor Wankel, geralmente caracterizado por uma curva de torque pouco favorável em relação a um motor de pistão equivalente. Isto se deve à forma pouco racional que a câmara assume no momento da combustão. Têm-se obtido bons resultados com a adoção de duas velas de funcionamento independente. Cada uma delas tem um sistema distribuidor próprio, que comanda a ignição e a fasagem em função do regime de rotação, das condições de carga, etc. A forma das câmaras de combustão nos motores Wankel é muito irregular e alongada. Isto provoca dificuldades de propagação da frente da chama e impede a combustão completa nas extremidades. Ocorre um prolongamento da fase de combustão no período de expansão doa gases queimados, com menor produção de trabalho e gases de escape com temperaturas mais altas do que nos motores a pistão. Além disso, o tempo de expansão dos gases nas câmaras do motor Wankel é mais longo do que em um motor alternativo equivalente.

Representação das fases do motor Wankel (gira no sentido anti-horário). Três das quatro fases ocorrem ao mesmo tempo em um único rotor.

Para facilitar a combustão e melhorar a turbulência, com maior elasticidade de funcionamento, escavam-se concavidades na superfície do rotor, de modo a concentrar maior quantidade de mistura próximo à vela e dar forma mais regular à câmara de combustão. O motor Wankel está, pois, em fase de aperfeiçoamento. Não pode ainda concorrer em termos práticos e econômicos com os motores a pistão correspondentes: os problemas mais graves, porém, relacionam-se com a combustão, que condiciona o consumo de combustível, e não com a eficiência e durabilidade dos elementos de conexão.

Os problemas de conexão evidenciam-se ao se examinar o modo de funcionamento do rotor. Este deve fazer conexões em planos laterais e na superfície epitrocoidal do estator, de maneira muito mais complexa da que ocorre em um motor de pistão, dotado de movimento alternativo retilíneo. Dificilmente se estabelece conexão perfeita entre as paredes laterais, em correspondência com os cantos, e a superfície do estator. No motor Wankel, como os acoplamentos são de secção poligonal, os dispositivos de conexão devem ter vários segmentos em correspondência com os ápices do rotor. O sistema de conexão lateral é indispensável para manter a compressão e para evitar o escapamento do óleo (este circula no interior do rotor, para lubrificar o acoplamento pistão-excêntrico e garantir o resfriamento do motor). Tal sistema compõe-se de uma placa que se apoia sobre cada face plana do estator e por segmentos de conexão. A presença de um número muito grande de elementos dificulta a obtenção de um bom nível de selagem (vedação), levando-se em conta também as altas temperaturas de funcionamento e, portanto, as dilatações térmicas das partes móveis, Um motor Wanket efetua uma variação de volume, igual à cilindrada, cada vez que o propulsor executa uma rotação de 90"; isto ocorre, portanto, quatro vezes durante uma volta, o que permite a realização de um ciclo de quatro tempos.

 

O volume das câmaras muda progressivamente, segundo uma função sinusoidal, e a relação de compressão elas obtida depende do perfil do estator e da forma do pistão rotativo- O volume de cada câmara c igual ao produto do coeficiente numérico (no caso do Wankel, 3,3) pela distância entre cada um dos vértices geométricos do rotor e o centro de simetria (R), e pela profundidade axial do estator.

Uma das vantagens fundamentais dos motores rotativos, além de suas dimensões compactas, é a ausência de vibrações, especialmente nos Wankel KKM. O impulso motriz, obtido durante a fase de expansão do fluido nas câmaras, é transmitido por um eixo excêntrico ao virabrequim, que executa três rotações, enquanto o pistão rotativo executa uma. Como ha três câmaras para cada secção do motor Wankel, as fases de expansão sucedem-se à razão de uma por giro do virabrequim. Dessa forma, do ponto de vista operativo um motor Wankel monorrotor é semelhante a um motor bicilíndrico de quatro tempos ou a um monocilindrico de dois tempos. Comparando-se um motor Wankel a um motor a pistão equivalente ele tem, em média, metade do tamanho deste, peso unitário por unidade de potência um pouco inferior e consumo especifico de combustível cerca de 14% maior. Emite, porém, menos gases poluentes: não produz óxidos de nitrogênio e, com pós-combustão adequada, reduz consideravelmente as emissões de monóxido de carbono e de hidrocarbonetos incombustíveis. O custo de fabricação dos Wankel ainda é ligeiramente superior aos de pistão alternativo e, portanto, seu custo unitário (custo por unidade de potência desenvolvida) também é pouco mais elevado. Proporciona, porém, índice inferior de elasticidade de funcionamento.

 

Em 1991 a Mazda reabilitou o motor rotativo, ocasião em que venceu as 24 horas de Le Mans com um protótipo RX-7 equipado com um Wankel de quatro rotores. Em 1992 lançou o modelo RX-7 de série, com motor Wankel de dois rotores, estava previsto para o final de 2001, o lançamento do RX-8 também equipado com motor Wankel.

Em 2003 o mundo conheceu o Mazda RX-8 nos Estados Unidos, o mundo conhecerá o melhor carro Wankel já produzido. Tudo que há de bom nesse esportivo só foi possível graças a esse motor. O RX-8 é a evolução de uma tecnologia que equipa modelos Mazda desde 1967.

Mais compacto, o motor ficou atrás do eixo dianteiro, enquanto a cabine avançou sobre o capô. De uma só vez, os japoneses aumentaram o espaço interno e melhoraram a distribuição de peso, 50% em cada eixo. Com 4,43 metros de comprimento (menor que o Vectra) e 2,70 metros de entre-eixos (o mesmo da Zafira), o RX-8 ganhou conforto de sedan e mais duas portas, do tipo suicida.

O design? Bastou a sacada da discreta porta traseira menor que a dianteira e o fim da coluna B. Sem esse apoio, a porta de trás recebeu uma viga interna, que evita que o teto seja comprimido em capotagens e protege em colisões laterais.

Do modesto motor aspirado de 1300 cm3 a Mazda arrancou 250 cavalos, capazes de levar o RX-8 aos 240 km/h e acelerá-lo até 100 km/h em 5,9 segundos, marcas similares às do BMW M 5. Até o eterno problema de torque em baixa rotação foi resolvido. Dos 22,4 kgfm, cerca de 90% estão disponíveis a 3 250 rpm - e olha que o conta-giros marca 9 000 rpm! O mais curioso dessa teoria evolutiva é que o RX-8 estava fadado à extinção. Quando assumiu a Mazda, em 1996, a Ford cancelou o substituto do RX-7. O alto custo de produção do motor rotativo não fazia sentido em tempos bicudos. Mas os engenheiros japoneses continuaram trabalhando nas horas livres, esperando o dia em que a tradição da Mazda falasse mais alto.