Como funcionam os motores quasiturbine

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O projeto do motor está na confluência de três fatores: preocupações sobre como as emissões do carro afetarão o meio ambiente; o aumento dos preços do gás e a necessidade de conservar os recursos de combustíveis fósseis; e a compreensão de que o carro movido a hidrogênio - seja ele movido por uma célula de combustível de hidrogênio ou por combustão interna de hidrogênio - não cumprirá sua promessa no futuro próximo. Como resultado, muitos engenheiros estão dando mais interesse em melhorar o motor de combustão interna.

Galeria de imagens do motor de automóveis


Foto cedida por Quasiturbine.com
Motor quasiturbine. Veja mais imagens de motores.

O motor Quasiturbine, patenteado em 1996, é uma dessas melhorias. Neste artigo, apresentaremos o mecanismo Quasiturbine e responderemos às seguintes perguntas:

  • De onde veio a ideia do motor?
  • Quais são as peças do motor Quasiturbine?
  • Como funciona o motor Quasiturbine?
  • Como ele se compara em desempenho a outros motores de combustão interna?

Vamos começar examinando alguns fundamentos do motor.

Para ver como um motor Quasiturbine funciona, você precisa entender alguns fundamentos do motor.

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-O princípio básico por trás de qualquer motor de combustão interna é simples: se você colocar uma pequena quantidade de ar e combustível de alta energia (como gasolina) em um espaço pequeno e fechado e acendê-lo, o gás se expande rapidamente, liberando uma quantidade incrível de energia.

O objetivo final de um motor é converter a energia desse gás em expansão em um movimento rotativo (giratório). No caso de motores de automóveis, o objetivo específico é girar um eixo motor rapidamente. O eixo de transmissão é conectado a vários componentes que passam o movimento de rotação para as rodas do carro.

Para aproveitar a energia do gás em expansão dessa maneira, um motor deve passar por um conjunto de eventos que causam muitas explosões de gás minúsculas. Nisso ciclo de combustão, o motor deve:

  • Deixe uma mistura de combustível e ar em uma câmara
  • Comprima o combustível e o ar
  • Acenda o combustível para criar uma explosão
  • Liberte o escape (pense nisso como o subproduto da explosão)

Então o ciclo começa tudo de novo.

Como funcionam os motores explica em detalhes como isso funciona em um motor de pistão convencional. Essencialmente, o ciclo de combustão empurra um pistão para cima e para baixo, que gira o eixo de transmissão por meio de um virabrequim.


Enquanto o motor a pistão é o tipo mais comum encontrado em carros, o motor Quasiturbine opera mais como um motor rotativo. Em vez de usar o pistão como um motor de carro típico, um motor rotativo usa um rotor triangular para atingir o ciclo de combustão. A pressão de combustão está contida em uma câmara formada por parte da carcaça de um lado e a face do rotor triangular do outro lado.

O caminho do rotor mantém cada um dos três picos do rotor em contato com a carcaça, criando três volumes separados de gás. Conforme o rotor se move ao redor da câmara, cada um dos três volumes de gás se expande e se contrai alternadamente. É essa expansão e contração que puxa o ar e o combustível para dentro do motor, o comprime, torna a potência útil conforme os gases se expandem e, em seguida, expele o escapamento. (Veja Como funcionam os motores rotativos para mais informações).

Nas próximas seções, veremos como a quasiturbina leva a ideia de um motor rotativo ainda mais longe.

A família Saint-Hilaire patenteou pela primeira vez o motor de combustão Quasiturbine em 1996. O conceito de Quasiturbine resultou de uma pesquisa que começou com uma avaliação intensa de todos os conceitos de motor para observar vantagens, desvantagens e oportunidades de melhoria. Durante este processo exploratório, a equipe de Saint-Hilaire percebeu que uma solução de motor exclusiva seria aquela que fizesse melhorias no motor Wankel ou rotativo padrão.

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


Foto cedida por Quasiturbine.com
Projeto quasiturbine simples

o rotor de quatro lados é o que diferencia o Quasiturbine do Wankel. Na verdade, existem duas maneiras diferentes de configurar este design - uma com carruagens e um sem carruagens. Como veremos, um carro, neste caso, é apenas uma simples peça de máquina.

Primeiro, vamos olhar para os componentes do modelo quasiturbine mais simples - a versão sem carruagens.

O modelo Quasiturbine mais simples se parece muito com um motor rotativo tradicional: um rotor gira dentro de uma carcaça quase oval. Observe, no entanto, que o rotor quasiturbine tem quatro elementos em vez de três. Os lados do rotor vedam contra os lados da carcaça e os cantos do rotor vedam contra a periferia interna, dividindo-o em quatro câmaras.


Em um motor a pistão, um ciclo completo de quatro tempos produz duas revoluções completas do virabrequim (veja Como funcionam os motores de automóveis: Combustão interna). Isso significa que a potência de saída de um motor a pistão é metade de um curso de potência por uma revolução do pistão.

Um motor Quasiturbine, por outro lado, não precisa de pistões. Em vez disso, os quatro tempos de um motor de pistão típico são dispostos sequencialmente em torno da carcaça oval. Não há necessidade do virabrequim para realizar a conversão rotativa.

Este gráfico animado identifica cada ciclo. Observe que nesta ilustração a vela de ignição está localizada em uma das portas da caixa.


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

  • Ingestão, que atrai uma mistura de combustível e ar
  • Compressão, que comprime a mistura ar-combustível em um volume menor
  • Combustão, que usa uma faísca de uma vela de ignição para inflamar o combustível
  • Escape, que expele gases residuais (os subprodutos da combustão) do compartimento do motor

Motores quasiturbinas com carruagens funcionam com a mesma ideia básica deste design simples, com modificações de design adicionais que permitem foto-detonação. Foto-detonação é um modo de combustão superior que requer mais compressão e maior robustez do que motores de pistão ou rotativos podem fornecer. Agora, vamos ver do que se trata esse modo de combustão.

Os motores de combustão interna se enquadram em quatro categorias com base em quão bem o ar e o combustível são misturados na câmara de combustão e como o combustível é inflamado. Tipo I inclui motores nos quais o ar e o combustível se misturam completamente para formar o que é chamado de mistura homogênea. Quando uma faísca acende o combustível, uma chama quente percorre a mistura, queimando o combustível à medida que avança. Este, é claro, é o motor a gasolina.

Quatro tipos de motores de combustão interna

Mistura Homogênea Combustível-Ar Mistura Heterogênea de Combustível-Ar
Ignição Tipo I
Motor a gasolina
Tipo II
Motor de injeção direta de gasolina (GDI)
Autoignição aquecida por pressão Tipo IV
Motor de foto-detonação
Tipo III
Motor a gasóleo

Tipo II -- um motor de injeção direta de gasolina - usa combustível e ar parcialmente misturados (ou seja, uma mistura heterogênea) que é injetado diretamente no cilindro em vez de em uma porta de entrada. Uma vela de ignição então acende a mistura, queimando mais combustível e criando menos resíduos.

No Tipo III, ar e combustível são apenas parcialmente misturados na câmara de combustão. Essa mistura heterogênea é então comprimida, o que faz com que a temperatura suba até que ocorra a autoignição. Um motor a diesel funciona desta maneira.

Finalmente, em Tipo IV, os melhores atributos dos motores a gasolina e diesel são combinados. Uma carga pré-misturada de combustível-ar sofre uma compressão tremenda até que o combustível se auto-inflama. Isso é o que acontece em um motor de foto-detonação, e porque ele emprega uma carga homogênea e ignição por compressão, é frequentemente descrito como um Motor HCCI. A combustão HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) resulta em praticamente nenhuma emissão e eficiência de combustível superior. Isso ocorre porque os motores de foto-detonação queimam completamente o combustível, não deixando nenhum hidrocarboneto para ser tratado por um conversor catalítico ou simplesmente expelido no ar.


Fonte: Green Car Congress

Obviamente, a alta pressão necessária para a foto-detonação coloca uma quantidade significativa de estresse no próprio motor. Os motores a pistão não suportam a força violenta da detonação. E motores rotativos tradicionais, como o Wankel, que têm câmaras de combustão mais longas que limitam a quantidade de compressão que podem atingir, são incapazes de produzir o ambiente de alta pressão necessário para que ocorra a fotodetonação.

Entre no Quasiturbine com carruagens. Apenas este projeto é forte o suficiente e compacto o suficiente para suportar a força da foto-detonação e permitir a maior taxa de compressão necessária para autoignição aquecida por pressão.

Na próxima seção, veremos os principais componentes desse design.

Mesmo com sua complexidade adicional, o motor quasiturbine com carruagens tem um design relativamente simples. Cada parte é descrita abaixo.

o habitação (estator), que é quase oval conhecido como "rinque de patinação de Saint-Hilaire", forma a cavidade na qual o rotor gira. A caixa contém quatro portas:

  • Uma porta onde a vela normalmente fica (a vela também pode ser colocada na tampa da caixa - veja abaixo).
  • Uma porta que é fechada com um plugue removível.
  • Uma porta para a entrada de ar.
  • Uma porta de exaustão usada para liberar os gases residuais da combustão.


A caixa é fechada em cada lado por dois capas. As capas têm três portas próprias, permitindo flexibilidade máxima na configuração do motor. Por exemplo, uma porta pode servir como entrada de um carburador convencional ou ser equipada com um injetor de gás ou diesel, enquanto outra pode servir como um local alternativo para uma vela de ignição. Uma das três portas é uma grande saída para gases de escape.


A maneira como as várias portas são usadas depende se o engenheiro automotivo deseja um motor de combustão interna tradicional ou um que forneça a compressão superelevada necessária para a foto-detonação.

O rotor, feito de quatro pás, substitui os pistões de um motor de combustão interna típico. Cada lâmina tem um ponta de enchimento e slots de tração para receber os braços de acoplamento. UMA pivô forma o final de cada lâmina. A função do pivô é unir uma lâmina à próxima e formar uma conexão entre a lâmina e o balanço carruagens. Existem quatro carros oscilantes no total, um para cada lâmina. Cada carro é livre para girar em torno do mesmo pivô de modo que permaneça em contato com a parede interna do alojamento o tempo todo.


Cada carruagem trabalha em estreita colaboração com dois rodas, o que significa que há oito rodas no total. As rodas permitem que o rotor role suavemente na superfície contornada da parede da carcaça e são feitas largas para reduzir a pressão no ponto de contato.

O motor Quasiturbine não precisa de um eixo central para operar; mas, é claro, um carro requer um eixo de saída para transferir a potência do motor para as rodas. o seta de saida está conectado ao rotor por dois braços de acoplamento, que se encaixam em slots de tração, e quatro braçadeiras.


Quando você coloca todas as peças juntas, o mecanismo fica assim:


Foto cedida por Quasiturbine.com
Motor quasiturbine com carruagens

Observe que o motor Quasiturbine não tem nenhuma das partes intrincadas de um motor a pistão típico. Não possui virabrequim, válvulas, pistões, bielas, balancins ou cames. E como as pás do rotor "andam" nas carruagens e nas rodas, há pouco atrito, o que significa que óleo e cárter são desnecessários.

Agora que vimos os principais componentes do quasiturbine com carruagens, vamos ver como tudo funciona. Esta animação ilustra o ciclo de combustão:


Foto cedida por Quasiturbine.com

A primeira coisa que você notará é como as pás do rotor, conforme giram, mudam o volume das câmaras. Primeiro, o volume aumenta, o que permite que a mistura ar-combustível se expanda. Em seguida, o volume diminui, o que comprime a mistura em um espaço menor.

A segunda coisa que você notará é como um curso de combustão está terminando bem quando o próximo curso de combustão está pronto para disparar. Ao fazer um pequeno canal ao longo da parede interna do invólucro próximo à vela de ignição, uma pequena quantidade de gás quente pode fluir de volta para a próxima câmara de combustão pronta para disparar quando cada uma das vedações do carro passa sobre o canal. O resultado é combustão contínua, assim como na turbina a gás do avião!

O que tudo isso significa no motor Quasiturbine é maior eficiência e desempenho. As quatro câmaras produzem dois circuitos consecutivos. O primeiro circuito é usado para comprimir e expandir durante a combustão. O segundo é usado para expelir o ar de exaustão e de admissão. Em uma revolução do rotor, quatro cursos de energia são criados. Isso é oito vezes mais do que um motor de pistão típico! Mesmo um motor Wankel, que produz três cursos de potência por revolução do rotor, não pode igualar o desempenho de uma Quasiturbine.

Obviamente, o aumento da potência do motor Quasiturbine o torna superior aos motores Wankel e a pistão, mas também resolveu muitos dos problemas apresentados pelo Wankel. Por exemplo, os motores Wankel levam à combustão incompleta da mistura combustível-ar, com os hidrocarbonetos não queimados restantes liberados no escapamento. O motor Quasiturbine supera esse problema com uma câmara de combustão 30 por cento menos alongada. Isso significa que a mistura ar-combustível na quasiturbina experimenta uma compressão maior e uma queima mais completa. Isso também significa que, com menos combustível não queimado, o Quasiturbine aumenta a eficiência do combustível dramaticamente.

Outras vantagens significativas da quasiturbina incluem:

  • Vibração zero porque o motor está perfeitamente equilibrado
  • Aceleração mais rápida sem volante
  • Torque mais alto em rpm mais baixo
  • Operação quase sem óleo
  • Menos barulho
  • Flexibilidade total para operar completamente submerso ou em qualquer orientação, mesmo de cabeça para baixo
  • Menos peças móveis para menos desgaste
Finalmente, o Quasiturbine pode funcionar com diferentes tipos de combustível, incluindo metanol, gasolina, querosene, gás natural e diesel. Ele pode até mesmo acomodar hidrogênio como fonte de combustível, tornando-se uma solução de transição ideal conforme os carros evoluem da combustão tradicional para combustíveis alternativos.


Foto cedida por Quasiturbine.com

-Considerando que o moderno motor de combustão interna foi inventado por Karl Benz em 1886 e desfrutou de quase 120 anos de refinamentos de design, o motor Quasiturbine ainda está em sua infância. O motor não é usado em quaisquer aplicações do mundo real que testariam sua adequação como um substituto para o motor de pistão (ou o motor rotativo, nesse caso). Ele ainda está em sua fase de protótipo - a melhor aparência que alguém já teve até agora é quando ele foi demonstrado em um kart em 2004. O Quasiturbine pode não ser uma tecnologia de motor competitiva por décadas.

No futuro, porém, você provavelmente verá o Quasiturbine usado em mais do que apenas seu carro. Como a área do motor central é volumosa e não requer eixo central, ela pode acomodar geradores, hélices e outros dispositivos de saída, tornando-se um motor ideal para motosserras, pára-quedas motorizados, motos de neve, compressores de ar, sistemas de propulsão de navios e usinas elétricas.

Para mais informações sobre o motor Quasiturbine, outros tipos de motor e tópicos relacionados, verifique os links na próxima página.

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  • Como funcionam os motores Stirling

Mais ótimos links

  • Patente U.S. nº 6.164.263: Quasiturbine AC (compressor ou bomba de motor rotativo de combustão contínua de vibração zero quasiturbina)
  • MIT: Veículo a hidrogênio não será viável em breve, diz estudo

Fontes

  • Ashley, Steven. 2001. Uma solução de motor de baixa poluição. Americano científico. Junho.
  • Bode, Dave. 2000. Um motor para o novo milênio? FindArticles.com. abril.
    http://www.findarticles.com/p/articles/mi_
    m0FZX / is_4_66 / ai_62371174 / print
  • Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "quasiturbina",
    http://www.physicsdaily.com/physics/Quasiturbine (acessado em 14 de maio de 2005).
  • Physics Daily: The Physics Encyclopedia, s.v. "Motor Wankel,"
    http://www.physicsdaily.com/physics/Wankel_engine (acessado em 14 de maio de 2005).
  • Quasiturbine.com, http://www.quasiturbine.com/EIndex.htm
  • Stauffer, Nancy. 2003. Veículo a hidrogênio não será viável em breve,
    estudo diz. Escritório de Notícias do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. 5 de março.
    http://web.mit.edu/newsoffice/tt/2003/mar05/hydrogen.html
  • Stokes, Myron D. 2003. Paralelo quântico: The Saint-Hilaire "quasiturbine"
    como base para uma mudança simultânea de paradigma nos sistemas de propulsão de veículos. 15 de dezembro.
  • Tse, Lawrence. 2003. Quasiturbine: Motor de foto-detonação para
    benefícios ambientais ideais. Visionengineer.com. 8 de junho.
    http://www.visionengineer.com/mech/quasiturbine.php
  • Site do U.S. Patent Office, pedido de patente Quasiturbine.
    Patente # 6.659.065.
  • Wright, Michael e Mukul Patel, eds. 2000.
    Scientific American: como as coisas funcionam hoje.
    Nova York: Crown Publishers.



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