O conceito do motor foi concebido pelo engenheiro alemão Felix Wankel. Wankel recebeu sua primeira patente do motor em 1929, iniciou seu desenvolvimento no início dos anos 1950 na NSU e completou um protótipo funcional em 1957. Subseqüentemente, a NSU licenciou o projeto para empresas em todo o mundo, que continuamente acrescentaram melhorias.
O motor Wankel tem as vantagens de design compacto e baixo peso sobre o motor de combustão interna mais comumente usado com pistões recíprocos. Estas vantagens deram aplicações de motor rotativo em uma variedade de veículos e dispositivos, incluindo: automóveis, motocicletas, carros de corrida, aeronaves, karts, jet skis, snowmobiles, moto-serras e unidades de energia auxiliares. O ponto de potência para peso foi atingido abaixo de um quilo de peso por saída de potência.
A Mazda e a NSU assinaram um contrato de estudo para desenvolver o motor Wankel em 1961 e competiram para comercializar o primeiro automóvel movido a Wankel. Embora a Mazda tenha produzido um Wankel experimental naquele ano, a NSU foi a primeira a ter um automóvel Wankel à venda, o esportivo NSU Spider em 1964; A Mazda rebateu com uma exibição de motores Wankel de dois e quatro rotores no Salão do Automóvel de Tóquio daquele ano. Em 1967, a NSU começou a produção de um carro de luxo com motor Wankel, o Ro 80. No entanto, a NSU não produziu selos no topo confiáveis do rotor, ao contrário da Mazda e da Curtiss-Wright. A NSU tinha problemas com o desgaste das vedações do eixo, baixa lubrificação do eixo e economia de combustível, levando a frequentes falhas do motor, não resolvidas até 1972, o que levou a grandes custos de garantia reduzindo o desenvolvimento do motor NSU Wankel. Este lançamento prematuro do novo motor Wankel deu uma reputação ruim para todas as marcas e mesmo quando esses problemas foram resolvidos nos últimos motores produzidos pela NSU na segunda metade dos anos 70, as vendas não se recuperaram. A Audi, após a aquisição da NSU, construiu em 1979 um novo motor KKM 871 com entradas laterais e 750 cm3 por câmara, 170 HP a 6500 rpm e 220 NM a 3500 rpm. O motor foi instalado em um casco Audi 100 chamado "Audi 200", mas o motor não era produzido em massa.
A Mazda, no entanto, alegou ter resolvido o problema da vedação apex e operou os motores de teste em alta velocidade por 300 horas sem falhas. [1] Depois de anos de desenvolvimento, o primeiro carro de motor Wankel da Mazda foi o Cosmo 110S de 1967. A empresa seguiu com uma série de veículos Wankel ("rotativos" na terminologia da empresa), incluindo um ônibus e uma caminhonete. Os clientes frequentemente citaram a suavidade da operação dos carros. No entanto, a Mazda escolheu um método para cumprir os padrões de emissão de hidrocarbonetos que, embora menos caros para produzir, aumentaram o consumo de combustível. Infelizmente para a Mazda, isso foi introduzido imediatamente antes de um forte aumento nos preços dos combustíveis. Curtiss-Wright produziu o motor RC2-60 que era comparável a um motor V8 em desempenho e consumo de combustível. Ao contrário do NSU,
Mais tarde, a Mazda abandonou o Wankel na maioria de seus projetos automotivos, continuando a usar o motor apenas na sua gama de carros esportivos, produzindo o RX-7 até agosto de 2002. A empresa usava normalmente projetos de dois rotores. Um motor de três rotores gêmeo-turbo mais avançado foi montado no carro esportivo Eunos Cosmo de 1991. Em 2003, a Mazda apresentou o motor Renesis instalado no RX-8. O motor Renesis realocou as portas para exaustão da periferia do invólucro rotativo para os lados, permitindo maiores aberturas gerais, melhor fluxo de ar e mais ganhos de potência. Alguns dos primeiros motores Wankel também tinham portas de escape laterais, o conceito foi abandonado por causa do acúmulo de carbono nos portos e nas laterais do rotor. O motor Renesis resolveu o problema usando uma vedação lateral raspadora, e abordou as dificuldades de distorção térmica, adicionando algumas peças feitas de cerâmica. O Renesis é capaz de 238 HP com maior economia de combustível, confiabilidade e emissões mais baixas do que os motores rotativos anteriores da Mazda, todos com um deslocamento nominal de 1,3 L. No entanto, isso não foi suficiente para atender a padrões de emissões mais rigorosos. A Mazda encerrou a produção de seu motor Wankel em 2012, depois que o motor não cumpriu os padrões de emissão Euro 5 aprimorados, não deixando nenhuma empresa automotiva vendendo um veículo movido a Wankel. A empresa continua a desenvolver a próxima geração de motores Wankel, o SkyActiv-R com um novo modelo de carro esportivo com tração traseira anunciado em outubro de 2015, embora sem data de lançamento. Mazda afirma que o SkyActiv-R resolve os três principais problemas com motores rotativos anteriores: economia de combustível, emissões e confiabilidade.
No motor Wankel, os quatro cursos de um motor a pistão do ciclo Otto ocorrem no espaço entre um rotor simétrico de três lados e o interior de um alojamento. Em cada rotor do motor Wankel, o alojamento em forma de epitrocóide oval envolve um rotor que é triangular com flancos em forma de arco (muitas vezes confundido com um triângulo de Reuleaux, uma curva de três pontas de largura constante, mas com a protuberância no meio de cada lado um pouco mais achatado). A forma teórica do rotor entre os cantos fixos é o resultado de uma minimização do volume da câmara de combustão geométrica e uma maximização da taxa de compressão, respectivamente.
O eixo de acionamento central, chamado de "eixo excêntrico" ou "E-shaft", passa pelo centro do rotor e é suportado por rolamentos fixos. Os rotores circulam em excêntricos (análogos aos virabrequins) integrados ao eixo excêntrico (análogo a um virabrequim). Os rotores giram ao redor dos excêntricos e fazem revoluções orbitais ao redor do eixo excêntrico. Veda os cantos da vedação do rotor contra a periferia da caixa, dividindo-a em três câmaras de combustão em movimento. A rotação de cada rotor em seu próprio eixo é causada e controlada por um par de engrenagens sincronizadas. Uma engrenagem fixa montada em um lado do rotor engata em uma coroa dentada presa ao rotor e assegura que o rotor se mova exatamente 1/3 de volta para cada rotor. volta do eixo excêntrico. A potência de saída do motor não é transmitida através das engrenagens de sincronização. A força da pressão do gás no rotor (para uma primeira aproximação) vai diretamente para o centro da parte excêntrica do eixo de saída ...
A maneira mais fácil de visualizar a ação do motor na animação à esquerda é olhar não para o rotor em si, mas para a cavidade criada entre ele e a carcaça. O motor Wankel é na verdade um sistema de cavidades progressivas de volume variável. Assim, existem três cavidades por alojamento, todas repetindo o mesmo ciclo. Os pontos A e B no rotor e no eixo E giram em velocidades diferentes - o ponto B circula três vezes mais do que o ponto A, de modo que uma órbita completa do rotor equivale a três voltas do eixo E.
À medida que o rotor gira girando orbitantemente, cada lado do rotor é trazido para mais perto e depois para longe da parede do invólucro, comprimindo e expandindo a câmara de combustão como os cursos de um pistão em um motor de pistão alternativo. O vetor de potência do estágio de combustão passa pelo centro do lobo de deslocamento.
Enquanto um motor a pistão de quatro tempos completa um curso de combustão por cilindro para cada duas rotações do virabrequim (ou seja, metade do curso de potência por rotação do virabrequim por cilindro), cada câmara de combustão no Wankel gera um curso de combustão por rotação do eixo de transmissão. isto é, um golpe de potência por revolução orbital do rotor e três cursos de potência por rotação do rotor. Assim, a potência de saída de um motor Wankel é geralmente maior do que a de um motor de pistão de quatro tempos de cilindrada similar em um estado similar de afinação; e superior a de um motor a pistão de quatro tempos de dimensões físicas e peso semelhantes.
Os motores Wankel geralmente podem sustentar rotações do motor muito mais altas do que os motores alternativos de potência similar. Isso se deve à suavidade inerente ao movimento circular e à ausência de peças altamente tensionadas, como virabrequins, eixos de comando de válvulas ou bielas. Os eixos excêntricos não possuem os contornos relacionados ao estresse dos virabrequins. As revoluções máximas de um motor rotativo são limitadas pela carga dentária nas engrenagens de sincronização. Engrenagens de aço endurecido são usadas para operação prolongada acima de 7000 ou 8000 rpm. Os motores Mazda Wankel no automobilismo são operados acima de 10000 rpm. Em aeronaves, elas são usadas de maneira conservadora, até 6500 ou 7500 rpm. No entanto, como a pressão do gás participa da eficiência da vedação, pilotar um motor Wankel em alta rotação sem condições de carga pode destruir o motor.
Agências nacionais que taxam automóveis de acordo com órgãos reguladores e de deslocamento em corridas automobilísticas consideram o motor Wankel equivalente a um motor a pistão de quatro tempos de 1,5 a 2 vezes o deslocamento. Algumas séries de corridas proibiram totalmente o Wankel.
Engenharia:
Felix Wankel conseguiu superar a maioria dos problemas que faziam com que os motores rotativos anteriores falhassem ao desenvolver uma configuração com selos de palhetas que tinham um raio de ponta igual à quantidade de "tamanho grande" da forma de alojamento do rotor, em comparação com o epitrocóide para minimizar o movimento de vedação radial do apex mais a introdução de um pino apical carregado com gás cilíndrico que contivesse todos os elementos de vedação para vedar em torno dos três planos em cada ápice do rotor.
Nos primeiros dias, uma máquina de produção especialmente dedicada tinha que ser construída para um arranjo dimensional de alojamento individual, no entanto, patentes como US3824746, GJ Watt, 1974, para: 'Wankel Engine Cylinder Generating Machine' ou US3916738: 'Apparatus for usining e / ou tratamento de superfícies trocoidais ', US 3964367:' Dispositivo para usinagem de paredes internas trocoidais ', resolveu o problema.
Motores rotativos têm um problema termodinâmico não encontrado em motores alternativos de quatro tempos, em que seu "bloco de cilindros" opera em regime permanente, com entrada, compressão, combustão e escape ocorrendo em locais fixos de alojamento para todos os "cilindros". Em contraste, os motores alternativos realizam esses quatro cursos em uma câmara, de modo que os extremos de entrada "congelada" e exaustão "em chamas" são calculados e protegidos por uma camada limite do superaquecimento das peças de trabalho.
As proteções da camada limite e a película de óleo atuam como isolamento térmico, levando a uma baixa temperatura do filme lubrificante (máximo ~ 200 ° C / 400 ° F) em um motor Wankel refrigerado a água. Isto dá uma temperatura de superfície mais constante. A temperatura ao redor da vela de ignição é aproximadamente a mesma que a temperatura na câmara de combustão de um motor alternativo. Com resfriamento por fluxo axial ou circunferencial, a diferença de temperatura permanece tolerável.
Durante a pesquisa nas décadas de 1950 e 1960, surgiram problemas. Por um tempo, os engenheiros se depararam com o que eles chamavam de "marcas tagarelas" e "arranhão do diabo" na superfície interna do epitrocóide. Eles descobriram que a origem estava nos selos do ápice, atingindo uma vibração ressonante, e resolveram o problema reduzindo a espessura e o peso dos selos do vértice. Arranhões desapareceram após a introdução de materiais mais compatíveis para vedações e revestimentos de carcaça. Outro problema inicial do acúmulo de trincas na superfície do estator foi eliminado instalando-se as velas de ignição em um inserto de metal separado no alojamento, em vez de ser parafusado diretamente no alojamento do bloco. A Toyota provou que a substituição da vela de ignição local por uma vela de ignição melhorou as baixas rpm, a carga parcial SFC em 7%, as emissões e a marcha lenta (papel SAE 790435). Uma solução alternativa posterior ao resfriamento da saliência da vela de ignição foi fornecida com um esquema de velocidade de resfriamento variável para rotores resfriados a água que teve seu uso difundido patenteado por Curtiss-Wright, [39] com a última lista para melhor vela de ignição do motor refrigerada a ar resfriamento de chefe. Essas abordagens não exigiam uma inserção de cobre de alta condutividade, mas não impediam seu uso. Ford testou um RCE com os plugs colocados nas placas laterais, em vez de na superfície de trabalho da carcaça que era a maneira usual (Patente CA1036073, 1978). Essas abordagens não exigiam uma inserção de cobre de alta condutividade, mas não impediam seu uso. Ford testou um RCE com os plugs colocados nas placas laterais, em vez de na superfície de trabalho da carcaça que era a maneira usual (Patente CA1036073, 1978). Essas abordagens não exigiam uma inserção de cobre de alta condutividade, mas não impediam seu uso. Ford testou um RCE com os plugs colocados nas placas laterais, em vez de na superfície de trabalho da carcaça que era a maneira usual (Patente CA1036073, 1978).
Motores alternativos de quatro tempos são menos adequados para hidrogênio. O hidrogênio pode falhar em partes quentes, como a válvula de escape e as velas de ignição. Outro problema diz respeito ao ataque de hidrogenado no filme lubrificante em motores alternativos. Em um motor Wankel, esse problema é contornado usando-se uma vedação apical de cerâmica contra uma superfície de cerâmica: não há filme de óleo que sofra ataque de hidrogenação. O corpo do pistão deve ser lubrificado e resfriado com óleo. Isso aumenta substancialmente o consumo de óleo lubrificante em um motor a hidrogênio de quatro tempos.
Aumentar o deslocamento e a potência de um RCE Wankel adicionando mais rotores a um projeto básico é simples, mas pode haver um limite no número de rotores, pois a saída de potência é canalizada através do último eixo do rotor, com todas as tensões de todo o motor presente neste ponto. Para motores com mais de dois rotores, a abordagem de acoplar dois conjuntos de dois rotores por um acoplamento serrilhado entre os dois conjuntos de rotores foi testada com sucesso.
A SPARCS, no Reino Unido, descobriu que a estabilidade e a economia em marcha lenta eram obtidas ao fornecer uma mistura inflamável a apenas um rotor em um motor com vários rotores em um rotor de ar forçado, semelhante aos projetos Norton posteriores.
Materiais:
Ao contrário de um motor a pistão, onde o cilindro é aquecido pelo processo de combustão e depois resfriado pela carga de entrada, as carcaças do rotor Wankel são constantemente aquecidas em um lado e resfriadas no outro, levando a altas temperaturas locais e expansão térmica desigual. Enquanto isso exige muito dos materiais utilizados, a simplicidade do Wankel facilita o uso de materiais alternativos, como ligas e cerâmicas exóticas. Com o resfriamento a água em uma direção de fluxo radial ou axial, com a água quente da curva quente aquecendo o arco frio, a expansão térmica permanece tolerável; a temperatura máxima do motor foi reduzida para 129 ° C, com uma diferença máxima de temperatura entre as partes do motor de 18 ° C pelo uso de Heat Pipes ao redor do alojamento e nas placas laterais como um meio de resfriamento (papel SAE 2014-01-2160).
Entre as ligas citadas para o uso de carcaças Wankel estão A-132, Inconel 625 e 356 tratadas com dureza T6. Diversos materiais foram utilizados para revestir a superfície de trabalho da caixa, sendo o 'Nikasil' um deles. A Citroën, a Mercedes-Benz, a Ford, a AP Grazen e outras empresas solicitaram patentes neste campo. Para os selos de ponta, a escolha de materiais evoluiu juntamente com a experiência adquirida, desde ligas de carbono até aço, ferrose e outros materiais. A combinação entre o revestimento da carcaça e os materiais de vedação lateral e de ponta foi determinada experimentalmente, para obter a melhor duração das vedações e da cobertura da carcaça. Para o eixo, ligas de aço com pouca deformação na carga são preferidas, o uso de aço Maraging foi proposto para isso.
O chumbo é um lubrificante sólido com gasolina com chumbo ligado a um desgaste reduzido das vedações e caixas. A gasolina com chumbo foi o tipo predominante disponível nos primeiros anos do desenvolvimento do motor Wankel. Os primeiros motores tiveram o suprimento de óleo calculado considerando as qualidades de lubrificação da gasolina. A gasolina com chumbo foi eliminada gradualmente, com os motores Wankel precisando de uma mistura maior de óleo na gasolina para fornecer lubrificação às peças críticas do motor. Usuários experientes aconselham, mesmo em motores com injeção eletrônica de combustível, adicionar pelo menos 1% do óleo diretamente à gasolina como uma medida de segurança caso a bomba que fornece óleo para partes relacionadas à câmara de combustão falhe ou sugue o ar. O papel SAE da DW Garside descreve extensivamente as escolhas de materiais e aletas de refrigeração do Norton.
Várias abordagens envolvendo lubrificantes sólidos foram testadas, e até mesmo a adição de MoS2, um cm3 por litro de combustível é recomendado (LiquiMoly). Muitos engenheiros concordam que a adição de óleo à gasolina, como nos antigos motores de dois tempos, é uma abordagem mais segura para a confiabilidade do motor do que uma bomba de óleo injetada no sistema de admissão ou diretamente nas peças que requerem lubrificação. Uma bomba dosadora de óleo combinada óleo-em-combustível é sempre possível.
Vedação:
Os primeiros projetos de motores tiveram uma alta incidência de perda de vedação, tanto entre o rotor quanto a carcaça e também entre as várias peças que compunham a carcaça. Além disso, no modelo anterior dos motores Wankel, partículas de carbono poderiam ficar presas entre o selo e a carcaça, obstruindo o motor e exigindo uma reconstrução parcial. Era comum que motores muito antigos da Mazda exigissem a reconstrução após 80.000 km. Outros problemas de vedação surgem da distribuição térmica desigual dentro das caixas, causando distorção e perda de vedação e compressão. Essa distorção térmica também causa desgaste desigual entre o selo do vértice e o alojamento do rotor, evidente em motores de maior quilometragem. O problema é exacerbado quando o motor está estressado antes de atingir a temperatura de operação. No entanto, os motores Mazda Wankel resolveram estes problemas.
O problema da folga para os ápices do rotor quente passando entre as caixas laterais axialmente mais estreitas nas áreas do lóbulo de resfriamento foi tratado usando-se um piloto de rotor axial, radialmente interno dos retentores de óleo mais arrefecimento do óleo inércia do interior do rotor (patentes CW 3.261.542 , C. Jones, 5/8/63, 3.176.915, M. Bentele, C. Jones, AH Raye, 7/2/62), e selos no ápice ligeiramente "coroados" (altura diferente no centro e nos extremos da selagem ).
Os modernos motores Wankel têm gabinetes de eixo principal totalmente vedados. Muitos motores não precisam de troca de óleo, pois o óleo não é contaminado pelo processo de combustão.
Economia de combustível e emissões:
A forma da câmara de combustão Wankel é mais resistente à pré-ignição, operando com gasolina de menor octanagem do que um motor de pistão comparável. A forma da câmara de combustão também leva à combustão relativamente incompleta da carga de ar-combustível, com uma quantidade maior de hidrocarbonetos não queimados liberados no escapamento. O escape é, no entanto, relativamente baixo nas emissões de NOx, uma vez que as temperaturas de combustão são mais baixas do que em outros motores, e também devido a alguma recirculação inerente dos gases de escape (EGR) nos primeiros motores. Sir Harry Ricardo mostrou na década de 1920 que para cada aumento de 1% na proporção de gases de escape no mix de admissão, há uma redução de 45 ° F na temperatura da chama. Isso permitiu que a Mazda atendesse a Lei do Ar Limpo dos Estados Unidos de 1970, em 1973, com um 'reator térmico' simples e barato. que é uma câmara ampliada no coletor de escape. Diminuindo a relação ar-combustível até que os hidrocarbonetos não queimados (HC) no escape suportassem a combustão no reator térmico. Os carros com motor a pistão exigiam conversores catalíticos caros para lidar com os hidrocarbonetos não queimados e as emissões de NOx. Essa solução barata melhorou o consumo de combustível, que já era um ponto fraco para o motor Wankel, ao mesmo tempo em que a crise do petróleo de 1973 elevou o preço da gasolina.
A Mazda melhorou a eficiência de combustível do sistema de reator térmico em 40% na época da introdução do RX-7 em 1978. No entanto, a Mazda eventualmente mudou para o sistema catalítico. De acordo com a pesquisa da Curtiss-Wright, o fator que controla a quantidade de HC não queimado no escapamento é a temperatura da superfície do rotor, com temperaturas mais altas produzindo menos HC. Curtiss-Wright mostrou também que o rotor pode ser alargado, mantendo inalterado o restante da arquitetura do motor, reduzindo assim as perdas por atrito e aumentando o deslocamento e a potência. O fator limitante para este alargamento é considerações mecânicas, especialmente a deflexão do eixo em altas velocidades rotativas (papel SAE 710582). A têmpera é a fonte dominante de HC em altas velocidades e vazamentos em baixas velocidades.
Os motores rotativos Automobile Wankel são capazes de operar em alta velocidade. No entanto, foi demonstrado que uma abertura inicial da porta de entrada, dutos de entrada mais longos e uma maior excentricidade do rotor podem aumentar a quantidade de torque a baixa rotação. A forma e o posicionamento da câmara de combustão do recesso do rotor influencia as emissões e a economia de combustível, sendo o MDR escolhido como um compromisso, mas a forma do recesso de combustão dá melhores resultados em termos de economia de combustível e emissões de exaustão, dependendo do número e colocação de velas de ignição por câmara do motor individual.
No Mazda RX-8 com o motor Renesis, a economia de combustível atendeu às exigências do estado da Califórnia, incluindo os padrões de veículos de baixas emissões (LEV) da Califórnia. Isto foi conseguido por uma série de inovações. As portas de escape, que nos primeiros rotores da Mazda estavam localizadas nos alojamentos do rotor, foram movidas para os lados da câmara de combustão. Isso resolveu o problema do acúmulo anterior de cinzas no motor e problemas de distorção térmica das entradas e saídas de escape laterais. Um selo raspador foi adicionado nos lados do rotor, e pelo uso de algumas peças feitas de cerâmica no motor. Essa abordagem permitiu que a Mazda eliminasse a sobreposição entre as aberturas de entrada e escape, ao mesmo tempo em que aumentava a área da porta de escape. A porta lateral prendeu o combustível não queimado na câmara, diminuiu o consumo de óleo, e melhorou a estabilidade de combustão na faixa de baixa velocidade e carga leve. As emissões de HC do motor Wankel da porta de escape lateral são de 35 a 50% menos do que as do motor Wankel do porto de escape periférico, devido à sobreposição da abertura da porta de escape e entrada quase zero. Embora os RCEs portados periféricos tenham uma pressão efetiva média melhor, especialmente em altas rpm e com uma porta de entrada em formato retangular (papel SAE 288A). No entanto, o RX-8 não foi melhorado para cumprir os regulamentos de emissões EuroV e foi descontinuado em 2012. especialmente em altas rotações e com uma porta de entrada retangular (SAE paper 288A). No entanto, o RX-8 não foi melhorado para cumprir os regulamentos de emissões EuroV e foi descontinuado em 2012. especialmente em altas rotações e com uma porta de entrada retangular (SAE paper 288A). No entanto, o RX-8 não foi melhorado para cumprir os regulamentos de emissões EuroV e foi descontinuado em 2012.
A Mazda ainda está continuando o desenvolvimento da próxima geração de motores Wankel, o 16X. A empresa está pesquisando a ignição a laser do motor, eliminando as velas de ignição e a injeção direta de combustível à qual o motor Wankel é adequado. Isso leva a uma maior excentricidade do rotor, igualando um curso mais longo em um motor alternativo, para melhor elasticidade e baixo torque de rpm. Essas inovações prometem melhorar o consumo de combustível e as emissões. Para melhorar ainda mais a eficiência de combustível, a Mazda está procurando usar o Wankel como extensor de alcance em carros híbridos em série e anunciou um protótipo, o Mazda2 EV, para avaliação da impressora em novembro de 2013. Essa configuração melhora a eficiência de combustível e as emissões. Como vantagem adicional, operar um motor Wankel a uma velocidade constante proporciona maior vida útil ao motor. Mantendo-se numa banda quase constante ou estreita
Vantagens:
-Uma relação potência-peso muito maior do que um motor a pistão (é aproximadamente um terço do peso de um motor de pistão de potência equivalente)
-É aproximadamente um terço do tamanho de um motor de pistão de potência equivalente
- Sem partes recíprocas -
Conseguindo alcançar rotações mais altas por minuto do que um motor a pistão -
Funciona quase sem vibração
- Não propensa a
trepidação do motor - Cauda para produção em massa, pois o motor contém menos peças -
Respiração superior, enchendo a carga de combustão em 270 graus de rotação do eixo principal em vez de 180 graus em um motor de pistão -
Fornece torques para cerca de dois terços do ciclo de combustão em vez de um quarto para um motor a pistão
-Gama de velocidade mais ampla dá maior adaptabilidade
-Pode usar combustíveis de maior octanagem
-Não sofre de "efeito de escala" para limitar seu tamanho
-Em alguns motores Wankel o óleo do poço permanece não contaminado pelo processo de combustão que não requer mudanças de óleo. O óleo no eixo principal é totalmente vedado do processo de combustão. O óleo para ----- Vedações Apex e lubrificação do cárter é separado. Nos motores a pistão, o óleo do cárter é contaminado por combustão através dos anéis do pistão.
Os motores Wankel são consideravelmente mais leves e mais simples, contendo muito menos partes móveis do que os motores de pistão de potência equivalente. Válvulas ou trens de válvulas complexos são eliminados usando portas simples cortadas nas paredes do alojamento do rotor. Como o rotor é montado diretamente sobre um rolamento grande no eixo de saída, não há bielas nem virabrequins. A eliminação da massa recíproca e a eliminação das partes mais estressadas e propensas a falhas dos motores de pistão conferem ao motor Wankel alta confiabilidade, um fluxo de energia mais suave e uma alta relação potência-peso.
A relação superfície-volume é tão complexa que não se pode fazer uma comparação direta entre um motor de pistão alternativo e um motor Wankel. A velocidade do fluxo e as perdas de calor se comportam de maneira bastante diferente. As temperaturas da superfície se comportam de maneira absolutamente diferente; o filme de óleo no motor Wankel atua como isolamento. Motores com maior taxa de compressão têm uma pior relação superfície-volume. A relação superfície-volume de um motor a diesel é muito mais pobre do que um motor a gasolina, mas os motores a diesel são bem conhecidos por um fator de maior eficiência. Assim, os motores com igual potência devem ser comparados: um motor Wankel naturalmente aspirado de 1.3 L com um motor de pistão alternativo naturalmente aspirado de 1.3 L, com potência igual. Mas esse motor de quatro tempos não é possível e precisa do dobro do deslocamento para a mesma potência que um motor Wankel.
O curso extra ou "vazio" não deve ser ignorado, pois um cilindro de quatro tempos produz um golpe de potência somente a cada rotação do virabrequim. Isso duplica a relação superfície / volume real para o motor de pistão alternativo de quatro tempos e a demanda de deslocamento. O Wankel, portanto, possui maior eficiência volumétrica e menor perda de bombeamento através da ausência de válvulas de estrangulamento. Por causa da quase-sobreposição dos cursos de força que causam a suavidade do motor e a prevenção do ciclo de quatro tempos em um motor alternativo, o motor Wankel é muito rápido em reagir às mudanças de aceleração e é capaz de fornecer rapidamente um surto de energia quando a demanda surge, especialmente em altas rotações.
Além da remoção de tensões recíprocas internas em virtude da remoção completa de peças internas recíprocas tipicamente encontradas em um motor a pistão, o motor Wankel é construído com um rotor de ferro dentro de um invólucro feito de alumínio, que possui um coeficiente maior de expansão térmica . Isso garante que mesmo um motor Wankel severamente superaquecido não consiga pegar, como é provável que ocorra em um motor a pistão superaquecido. Este é um benefício substancial de segurança de uso em aeronaves. Além disso, válvulas e trens de válvulas que não existem não podem queimar, entupir, quebrar ou funcionar mal de qualquer maneira, aumentando novamente a segurança. A GM testou um Iron Rotor e Iron Housing em seus RCEs Wankel, que trabalhavam em temperaturas mais altas com menor SFC.
Outra vantagem do motor Wankel para uso em aeronaves é o fato de que um motor Wankel geralmente tem uma área frontal menor do que um motor de pistão de potência equivalente, permitindo que um nariz mais aerodinâmico seja projetado em torno dele. A simplicidade do design e o tamanho menor do motor Wankel também permitem economias nos custos de construção, em comparação com os motores de pistão de potência equivalente.
Os motores Wankel que operam dentro de seus parâmetros originais de projeto são quase imunes a falhas catastróficas. Um motor Wankel que perde compressão, resfriamento ou pressão do óleo perderá uma grande quantidade de energia e falhará por um curto período de tempo. No entanto, normalmente continuará a produzir alguma energia durante esse tempo, permitindo um pouso mais seguro quando usado em aeronaves. Motores de pistão sob as mesmas circunstâncias são propensos a apreender ou quebrar peças que quase certamente resultam em falha catastrófica do motor e perda total de energia instantânea. Por esta razão, os motores Wankel são muito adequados para motos de neve, que muitas vezes levam os usuários a lugares remotos onde uma falha pode resultar em congelamento ou morte, e aeronaves, onde uma falha abrupta pode levar a um acidente ou aterrissagem forçada em um lugar remoto .
A partir do formato e das características da câmara de combustão, os requisitos de combustível dos RCEs Wankel são mais baixos que os ICE alternativos, os requisitos de número máximo de octano de estrada eram 82 para um porto de entrada periférico RCE e menos de 70 para um motor de entrada lateral (papel SAE 720357 ), do ponto de vista das refinarias de petróleo, esta pode ser uma vantagem industrial nos custos de produção de combustível. ('Lubrificante e Requisitos de Combustível e Dados Gerais de Desempenho dos Motores de Pistão Rotativo Wankel', RD Behling e E Weise, BP, SAE paper 730048; 'Um Ponto de Vista do Refinador na Qualidade do Combustível do Motor', WM Holaday e J Nappel, Socony-Vacuum Oil Co , SAE paper 430113).
Devido a uma duração do curso 50% maior do que um motor de quatro ciclos recíprocos, há mais tempo para completar a combustão. Isso leva a uma maior adequação para injeção direta de combustível e operação de carga estratificada. Um motor rotativo Wankel tem fluxos mais fortes de mistura ar-combustível e um ciclo operacional mais longo do que um motor alternativo, realizando concomitantemente uma mistura completa de hidrogênio e ar. O resultado é uma mistura homogênea e sem pontos quentes no motor, o que é crucial para a combustão do hidrogênio.
Desvantagens:
Muitas das desvantagens estão na pesquisa em andamento, com alguns avanços reduzindo consideravelmente os aspectos negativos do motor. No entanto, as desvantagens atuais do motor Wankel na produção são:
Vedação do rotor. Isso ainda é um problema, já que a carcaça do motor tem temperaturas muito diferentes em cada seção separada da câmara. Os diferentes coeficientes de expansão dos materiais proporcionam uma vedação perfeita. Além disso, ambos os lados dos selos estão sendo expostos ao combustível, e o projeto não permite um sistema de lubrificação dedicado, como nos motores de dois tempos. Em comparação, um motor de pistão tem todas as funções de um ciclo na mesma câmara, dando uma temperatura mais estável para os anéis de pistão agirem contra; Além disso, apenas um lado do pistão em um motor de pistão (quatro tempos) está sendo exposto ao combustível, permitindo que o óleo lubrifique os cilindros do outro lado. Para superar as diferenças de temperaturas entre diferentes regiões da habitação e placas laterais e intermediárias, e as desigualdades de dilatação térmica associadas,
Apex seal lifting. A força centrífuga empurra a vedação do vértice para a superfície da caixa, formando uma vedação firme. Lacunas podem se desenvolver entre o selo apical e o alojamento troichoide em operação com carga leve quando ocorrem desequilíbrios na força centrífuga e na pressão do gás. Em baixas rotações do motor-rpm, ou sob condições de baixa carga, a pressão do gás na câmara de combustão pode fazer com que o selo se levante da superfície, resultando na vazão do gás de combustão para a próxima câmara. A Mazda identificou este problema e desenvolveu uma solução. Alterando a forma do alojamento troichoide, as vedações permanecem niveladas com o alojamento. Isso aponta para o uso do motor em revoluções mais altas e sustentadas, eliminando o levantamento do selo apex em aplicações como um gerador de eletricidade. Nos veículos, isso leva a aplicações híbridas em série do motor.
Combustão lenta. A combustão é lenta, pois a câmara de combustão é longa, fina e em movimento. O lado de fuga da câmara de combustão produz naturalmente uma "corrente de compressão" que impede que a chama atinja o bordo de fuga da câmara. A injeção de combustível na qual o combustível é injetado na direção da borda dianteira da câmara de combustão pode minimizar a quantidade de combustível não queimado no escapamento. A Kawasaki propôs uma extensão de cauda triangular do orifício do bujão, apontando para o lado posterior da câmara de combustão para resolver isso.
Economia de combustível ruim. Isso ocorre devido a vazamentos de vedações e à forma "difícil" da câmara de combustão, com mau comportamento de combustão e pressão efetiva média com carga parcial, baixa rpm. Atender aos requisitos das regulamentações de emissões às vezes exige uma relação combustível-ar que não seja a melhor para a economia de combustível. Aceleração e desaceleração, como nas condições de condução médias do acionamento direto, também afetam a economia de combustível. Operar o motor a uma velocidade e carga constantes elimina o consumo excessivo de combustível.
Emissões pobres. Como o combustível não queimado está no fluxo de escape, os requisitos de emissões são difíceis de atender. Este problema pode ser superado com a implementação de injeção direta de combustível na câmara de combustão. O motor da Freedom Motors Rotapower Wankel, que ainda não está em produção, atendeu aos padrões ultrabaixos de emissões da Califórnia. O motor Mazda Renesis, com ambas as portas laterais de admissão e exaustão, suprimiu a perda de mistura não queimada para exaustão anteriormente induzida pela sobreposição de portas.
Embora em duas dimensões o sistema de vedação de um Wankel pareça ainda mais simples do que o de um motor de pistão de vários cilindros correspondente, em três dimensões o oposto é verdadeiro. Assim como o vértice do rotor vede evidente no diagrama conceitual, o rotor também deve vedar contra as extremidades da câmara.
Anéis de pistão não são selos perfeitos: cada um tem um espaço para permitir a expansão. A vedação nos vértices Wankel é menos crítica, pois o vazamento ocorre entre as câmaras adjacentes nos cursos adjacentes do ciclo, e não no cárter. Embora a vedação tenha melhorado ao longo dos anos, a vedação menos eficiente do Wankel, que é principalmente devido à falta de lubrificação, ainda é um fator que reduz sua eficiência. Testes de comparação mostraram que o carro esportivo RX-8 com motor rotativo Mazda pode usar mais combustível do que um veículo mais pesado equipado com motores V8 de maior cilindrada para resultados de desempenho semelhantes.
A mistura ar-combustível não pode ser pré-armazenada, pois há ciclos consecutivos de admissão. O motor Wankel tem uma duração de curso 50% maior que um motor a pistão. Os quatro ciclos Otto duram 1080 ° para um motor Wankel (três revoluções do eixo de saída) versus 720 ° para um motor de pistão alternativo de quatro tempos, mas os quatro cursos ainda são a mesma proporção do total.
Existem vários métodos de calcular o deslocamento do motor de um Wankel. Os regulamentos japoneses para calcular os deslocamentos para classificações de motores usam o deslocamento de volume de apenas uma face do rotor, e a indústria automobilística comumente aceita esse método como o padrão para calcular o deslocamento de um rotativo. Quando comparada por produção específica, no entanto, a convenção resulta em grandes desequilíbrios em favor do motor Wankel, uma abordagem inicial era classificar o deslocamento de cada rotor como duas vezes a câmara.
O deslocamento do motor rotativo e do motor a pistão da Wankel e a potência de saída correspondente podem ser comparados com maior precisão pelo deslocamento por rotação do eixo excêntrico. Um cálculo desta forma determina que um rotor de Wankel de dois cilindros com 654 cm3 por face terá um deslocamento de 1,3 L por cada rotação do eixo excêntrico (apenas duas faces totais, uma face por rotor passando por um curso de potência total) e 2,6 L após duas revoluções (quatro faces totais, duas faces por rotor passando por um curso de potência total). Os resultados são diretamente comparáveis a um motor de pistão de 2,6 L com um número par de cilindros em uma ordem de disparo convencional, que deslocará 1,3 L pelo seu curso de potência após uma revolução do virabrequim e 2,6 L por meio de suas rotações depois de duas revoluções do virabrequim. Um motor rotativo Wankel ainda é um motor de quatro tempos e perdas de bombeamento ainda não aplicadas, mas a ausência de válvulas de estrangulamento e uma duração de 50% mais longa resultam em uma perda de bombeamento significativamente menor em comparação com um motor de pistão alternativo de quatro tempos. Medir um motor rotativo Wankel desta maneira explica com mais precisão sua saída específica, já que o volume de sua mistura de combustível de ar submetido a um golpe de potência completo por rotação é diretamente responsável pelo torque e, portanto, pela potência produzida.
O lado de fuga da câmara de combustão do motor rotativo desenvolve um fluxo de pressão que empurra de volta a frente de fogo. Com o sistema convencional de uma ou duas velas de ignição e mistura homogênea, este fluxo de compressão impede que a chama se propague para o lado traseiro da câmara de combustão nas faixas de velocidade média e alta do motor, os engenheiros da Mazda descreveram o processo completo. A Kawasaki abordou esse problema em sua patente dos EUA nº 3848574, e a Toyota obteve uma melhoria de 7% na economia colocando uma vela incandescente no local principal e usando Reed-Valves em dutos de admissão. [64] Essa pobre combustão no lado de fuga da câmara é uma das razões pelas quais há mais monóxido de carbono e hidrocarbonetos não queimados no fluxo de escape de Wankel. Um escape de porta lateral, como é usado no Mazda Renesis, evita uma das causas disso porque a mistura não queimada não pode escapar. O Mazda 26B evitou este problema através de um sistema de ignição de três velas de ignição. (Na corrida de resistência de 24 horas de Le Mans em 1991, o 26B tinha um consumo de combustível significativamente menor do que os motores alternativos de pistão. Todos os competidores tinham a mesma quantidade de combustível disponível devido à regra de quantidade limitada de combustível de Le Mans).
Uma porta de entrada periférica fornece a pressão efetiva média mais alta, no entanto, a entrada lateral produz uma marcha mais estável, pois ajuda a evitar a explosão de gases queimados nos dutos de entrada que causam "defeitos": ciclos alternados onde a mistura inflama e não acende; a portabilidade periférica (PP) fornece a melhor pressão média efetiva em toda a faixa de rpm, mas a PP também foi associada à pior estabilidade da marcha lenta e ao desempenho da carga parcial. Os primeiros trabalhos da Toyota levaram à adição de um novo suprimento de ar para a porta de escape e provaram também que uma válvula Reed na porta de entrada ou dutos melhorou a baixa rpm e o desempenho de carga parcial dos RCEs Wankel, impedindo a explosão de escape gás no duto de entrada e dutos, e reduzindo o EGR alto indutor de falha, ao custo de uma pequena perda de potência na rotação máxima; isto está de acordo com David W. Garside, o desenvolvedor do motor rotativo Norton, que propôs que uma abertura anterior da entrada antes do ponto morto superior (TDC) e dutos de entrada mais longos melhorassem o torque e a elasticidade das RCEs, também descrito em Livros de Kenichi Yamamoto. A elasticidade também é melhorada com uma maior excentricidade do rotor, análoga a um curso mais longo em um motor alternativo. Os motores Wankel funcionam melhor com um sistema de escape de baixa pressão, maior pressão de escape nos gases de escape reduzindo a pressão média efetiva, mais severamente nos motores dos portos de admissão periféricos. O motor Mazda RX-8 Renesis melhorou o desempenho dobrando a área da porta de escape em relação aos projetos anteriores, e há um trabalho específico sobre o efeito da configuração da tubulação de admissão e escape no desempenho dos RCEs. o desenvolvedor do motor rotativo Norton, que propôs que uma abertura anterior da porta de entrada antes do ponto morto superior (TDC) e dutos de entrada mais longos melhorassem o torque e a elasticidade das RCEs, também descritos nos livros de Kenichi Yamamoto. A elasticidade também é melhorada com uma maior excentricidade do rotor, análoga a um curso mais longo em um motor alternativo. Os motores Wankel funcionam melhor com um sistema de escape de baixa pressão, maior pressão de escape nos gases de escape reduzindo a pressão média efetiva, mais severamente nos motores dos portos de admissão periféricos. O motor Mazda RX-8 Renesis melhorou o desempenho dobrando a área da porta de escape em relação aos projetos anteriores, e há um trabalho específico sobre o efeito da configuração da tubulação de admissão e escape no desempenho dos RCEs. o desenvolvedor do motor rotativo Norton, que propôs que uma abertura anterior da porta de entrada antes do ponto morto superior (TDC) e dutos de entrada mais longos melhorassem o torque e a elasticidade das RCEs, também descritos nos livros de Kenichi Yamamoto. A elasticidade também é melhorada com uma maior excentricidade do rotor, análoga a um curso mais longo em um motor alternativo. Os motores Wankel funcionam melhor com um sistema de escape de baixa pressão, maior pressão de escape nos gases de escape reduzindo a pressão média efetiva, mais severamente nos motores dos portos de admissão periféricos. O motor Mazda RX-8 Renesis melhorou o desempenho dobrando a área da porta de escape em relação aos projetos anteriores, e há um trabalho específico sobre o efeito da configuração da tubulação de admissão e escape no desempenho dos RCEs. que propuseram que uma abertura anterior da porta de admissão antes do ponto morto superior (TDC) e dutos de entrada mais longos melhorassem o torque e a elasticidade das RCEs em baixa rpm, também descritos nos livros de Kenichi Yamamoto. A elasticidade também é melhorada com uma maior excentricidade do rotor, análoga a um curso mais longo em um motor alternativo. Os motores Wankel funcionam melhor com um sistema de escape de baixa pressão, maior pressão de escape nos gases de escape reduzindo a pressão média efetiva, mais severamente nos motores dos portos de admissão periféricos. O motor Mazda RX-8 Renesis melhorou o desempenho dobrando a área da porta de escape em relação aos projetos anteriores, e há um trabalho específico sobre o efeito da configuração da tubulação de admissão e escape no desempenho dos RCEs. que propuseram que uma abertura anterior da porta de admissão antes do ponto morto superior (TDC) e dutos de entrada mais longos melhorassem o torque e a elasticidade das RCEs em baixa rpm, também descritos nos livros de Kenichi Yamamoto. A elasticidade também é melhorada com uma maior excentricidade do rotor, análoga a um curso mais longo em um motor alternativo. Os motores Wankel funcionam melhor com um sistema de escape de baixa pressão, maior pressão de escape nos gases de escape reduzindo a pressão média efetiva, mais severamente nos motores dos portos de admissão periféricos. O motor Mazda RX-8 Renesis melhorou o desempenho dobrando a área da porta de escape em relação aos projetos anteriores, e há um trabalho específico sobre o efeito da configuração da tubulação de admissão e escape no desempenho dos RCEs. A elasticidade também é melhorada com uma maior excentricidade do rotor, análoga a um curso mais longo em um motor alternativo. Os motores Wankel funcionam melhor com um sistema de escape de baixa pressão, maior pressão de escape nos gases de escape reduzindo a pressão média efetiva, mais severamente nos motores dos portos de admissão periféricos. O motor Mazda RX-8 Renesis melhorou o desempenho dobrando a área da porta de escape em relação aos projetos anteriores, e há um trabalho específico sobre o efeito da configuração da tubulação de admissão e escape no desempenho dos RCEs. A elasticidade também é melhorada com uma maior excentricidade do rotor, análoga a um curso mais longo em um motor alternativo. Os motores Wankel funcionam melhor com um sistema de escape de baixa pressão, maior pressão de escape nos gases de escape reduzindo a pressão média efetiva, mais severamente nos motores dos portos de admissão periféricos. O motor Mazda RX-8 Renesis melhorou o desempenho dobrando a área da porta de escape em relação aos projetos anteriores, e há um trabalho específico sobre o efeito da configuração da tubulação de admissão e escape no desempenho dos RCEs.
Todos os rotores Wankel da Mazda, incluindo o Renesis encontrado no RX-8, queimam uma pequena quantidade de óleo projetada, medida na câmara de combustão para preservar os selos do vértice. Os proprietários devem adicionar periodicamente pequenas quantidades de óleo, aumentando assim os custos de funcionamento. Algumas fontes (rotaryeng.net) afirmam que melhores resultados vêm com o uso de um óleo na mistura de combustível em vez de uma bomba de medição de óleo. Os motores refrigerados a líquido requerem um óleo mineral multigraduado para partidas a frio e os RCEs precisam de um tempo de aquecimento antes da operação com carga total, como ocorre com os motores alternativos. Todos os motores exibem perda de óleo, no entanto, o motor rotativo é projetado com um motor vedado, ao contrário de um motor a pistão que tem um filme de óleo que espirra nas paredes do cilindro para lubrificá-los, portanto, um anel de "controle" de óleo. Nenhum motor de perda de óleo foi desenvolvido, eliminando grande parte dos problemas de lubrificação do óleo. Como os selos de vértice do rotor passam pelo orifício da vela, a carga comprimida pode ser perdida da câmara de carga para a câmara de exaustão, acarretando combustível no escape, reduzindo a eficiência e gerando altas emissões. Isto pode ser superado usando a ignição a laser, eliminando as velas de ignição tradicionais, que podem dar uma fenda estreita no alojamento do motor, que as vedações do vértice do rotor podem cobrir totalmente sem perda de compressão de uma câmara para outra. O plug de laser pode disparar sua faísca através da fenda estreita. T Kohno et al. provou que a instalação de uma vela incandescente no local principal melhorou em 7% de carga parcial e baixa economia de combustível em rpm. Injeção direta de combustível da qual o motor Wankel é adequado, combinado com ignição a laser em plugues a laser únicos ou múltiplos,
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