DESENVOLVIMENTO DE UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA ROTATIVO COM
DESLOCADORES DE VELOCIDADE ANGULAR VARIÁVEL E MECANISMO
INOVADOR
Hugo Julio Kopelowicz1, Red Duenas Jiménez2 e José Alberto Reis Parise2
1
2
Dalvic Comércio e Indústria
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
E-mails: [email protected], [email protected] , [email protected]
RESUMO
O presente trabalho apresenta um inovador motor a combustão interna rotativo com ignição
por centelha. Neste motor, quatro deslocadores (que fazem o papel de “pistões”) giram
concentricamente em um espaço circular de seção reta retangular (“cilindro”), a velocidade
angular variável, de tal forma que quatro espaços (volumes de controle) de volume variável
são criados entre eles. Dois eixos concêntricos são acionados, cada um, por um par de
deslocadores opostos. Um mecanismo inovador é responsável por impor velocidades
angulares variáveis a cada um dos eixos concêntricos e, consequentemente, a cada par de
deslocadores opostos. O mecanismo também oferece a possibilidade de um controle efetivo
da taxa de compressão do motor. Um protótipo foi construído e procede-se atualmente a
ensaios preliminares, com e sem ignição, com o motor sendo acionado eletricamente.
INTRODUÇÃO
Investigações com relação a novos motores a combustão, e seu desenvolvimento, têm
ocorrido sistematicamente, na academia ou em empresas, visando possíveis aplicações
específicas, principalmente na indústria automotiva. De um modo geral, os motores rotativos,
se comparados com motores alternativos convencionais, apresentam menor índice de emissão
de ruídos, menor vibração, e são mais compactos. Obviamente, de todos os motores rotativos
conhecidos, o motor Wankel foi o obteve maior grau de desenvolvimento, tendo movido
diversos veículos automotivos, inclusive o atual Mazda RX-8.A literatura técnica e
especializada sobre o motor Wankel é vasta e disponível de longa data, por exemplo [1] e [2].
Outros motores a combustão interna rotativos são descritos na literatura, podendo-se citar, a
título de exemplo, os motores Roundengine [3], MYT [4], Rotoblock [5], DAR [6], Toroidal
Taurozzi [7] e [8] e Rotatorque [9], cada um em distinto grau de desenvolvimento, todos,
porém, muito aquém do que foi obtido pelo motor Wankel.
O motor em estudo no presente trabalho denomina-se Kopelrot e resulta de patentes
depositadas por um dos autores [10], [11] e [12]. Seu princípio de funcionamento foi aplicado
com sucesso em compressores, estando os resultados relativos a seus ensaios e simulação
apresentados em [13], [14] e [15].
1. O MOTOR ROTATIVO KOPELROT
Neste novo motor rotativo utiliza-se o princípio da variação de volume no interior da câmara
(isto é, uma máquina de deslocamento positivo), conseguida através do movimento angular
concêntrico de quatro deslocadores no interior de um cilindro, formando quatro câmaras,
conforme apresentado na Fig. 1.
Fig. 1 Deslocadores do motor rotativo
Por meio de um mecanismo de acionamento inovador, estes deslocadores percorrem uma
circunferência (360º) com velocidades angulares variáveis e defasadas, para uma velocidade
angular constante do eixo de potência, o que faz com que se aproximem e se afastem,
enquanto se deslocam, produzindo, assim, uma variação de volume na câmara.
Fig. 2 Motor rotativo
O mecanismo de acionamento, que proporciona uma velocidade angular constante do eixo de
potência do motor, é composto por 2 quadriláteros articulados, que compartilham o braço
estático, chamado também de excentricidade. O braço, que se move a uma velocidade angular
constante para cada um dos quadriláteros, é o raio do volante do motor conforme apresentado
nas figuras 3 e 4.
Fig. 3 Mecanismo de acionamento do motor rotativo, instante t
Fig. 4 Mecanismo de acionamento do motor rotativo, instante t+ t
Para o entendimento do mecanismo de funcionamento deste motor, em primeiro lugar deve-se
explicar o mecanismo do quadrilátero articulado. Segundo as figuras 5 e 6, têm-se quatro
barras articuladas (algumas virtuais), das quais a barra A se move a uma velocidade angular
constante. O mecanismo proposto por Kopelowicz (2008) permite que B e C se movam com
velocidades angulares variáveis. A barra D é o braço estático ou imóvel, chamado também de
excentricidade, já que representa o comprimento entre o eixo de potência e o eixo dos braços.
Fig. 5 Mecanismo do quadrilátero articulado, instante t
Assim, após um instante t, os braços terão outra posição, como indica na figura 6.
Fig. 6 Mecanismo do quadrilátero articulado, instante t+ t
Cada um destes dois quadriláteros tem um eixo motriz de velocidade angular variável (o eixo
de cada quadrilátero encontra-se solidário ao braço C). Cada eixo motriz dos quadriláteros
articulados tem uma engrenagem de diâmetro "D" acoplada a seu eixo motriz de velocidade
angular variável. Cada engrenagem de diâmetro "D" é acionada por outra engrenagem de
diâmetro "2D" de maneira que a relação entre ambas é de 1 : 2, como se vê na figura 7.
Fig. 7 Motor rotativo: detalhe das engrenagens
Cada engrenagem de diâmetro "2D" está acoplada, em seu eixo, a 2 deslocadores opostos
180º entre si (como se vê na figura 7). No cilindro contam-se com 4 deslocadores, que
formam 4 câmaras, assim como a câmara de combustão de um motor convencional de 4
cilindros. Estes deslocadores se movem com velocidades angulares variáveis. Os dois
deslocadores azuis (az) mover-se-ão à mesma velocidade angular variável no tempo, e os
outros dois deslocadores amarelos (am), mover-se-ão com outra velocidade angular variável
no tempo.
Na figura 8 é apresentada a vista explodida do cilindro e deslocadores. Vêem se os
deslocadores, a parte central do cilindro, que fecha as câmaras na parte interna, a carcaça, que
define as câmaras na parte externa e sua tampa, onde se encontram as janelas para a admissão
e exaustão, e onde está posicionada a vela de ignição.
Fig. 8 Vista explodida da câmara de combustão do motor rotativo
Na figura 9 mostra-se a vista isométrica do motor rotativo. Nela pode-se observar todo o
mecanismo do motor com o eixo de potência, os braços dos quadriláteros articulados, as
engrenagens menores, as engrenagens maiores, os eixos, os deslocadores e a câmara de
combustão.
Fig. 9 Vista isométrica do motor rotativo
Na vista lateral, figura 10, pode-se observar a disposição da câmara de combustão, os eixos,
as engrenagens e o mecanismo dos braços articulados que movem o eixo de potência do
motor.
Fig. 10 Vista lateral do motor rotativo
A vista frontal do motor, figura 11, mostra o detalhe das janelas da carcaça, as quais permitem
os fluxos mássicos de admissão – azul (az) – e exaustão – amarelo (am) – do motor rotativo.
Pelo exposto tem-se que os deslocadores cumprem as mesmas funções de um pistão, também
comandando o início e término dos processos de admissão e de exaustão um motor
convencional. Este princípio é usado pelos motores de dois tempos, onde o pistão controla a
admissão e a exaustão pelas janelas (Piston controlled inlet and outlet ports), as quais são
orifícios, ou aberturas, existentes no cilindro. No presente caso do motor rotativo, tem-se que
as janelas (orifícios) estão na parte plana lateral da carcaça. Estes orifícios têm a mesma
forma lateral dos deslocadores, mas de menor dimensão (Figura 11).
Fig. 11 Vista frontal do motor rotativo
A seguir, apresenta-se uma seqüência de figuras que representam o ciclo real do motor
rotativo em estudo, para uma das quatro câmaras que o compõem.
Na figura 12 apresenta-se a fase da admissão, a qual se dá pela janela de admissão. Neste
momento, o deslocador vermelho (ve) se move mais rapidamente que o deslocador azul (az).
Isto se evidencia na rotação rápida do braço vermelho (ve) do quadrilátero articulado com
respeito ao braço azul (az). O deslocador vermelho (ve) é o que promove a admissão, com a
geometria da janela de admissão facilitando o fluxo de mistura fresca para o interior da
câmara. O processo de admissão culmina quando o deslocador azul (az) termina o fluxo entre
o coletor (exterior) com a câmara. Isto se dá quando o delocador azul (az) "fecha" a janela de
admissão.
Fig. 12 Processo da admissão do motor rotativo
Imediatamente depois do processo de admissão tem-se o processo de compressão, figura 13.
Nesta fase o deslocador vermelho se desloca com velocidades angulares pequenas, enquanto
que o deslocador azul (az) se move mais rapidamente, comprimindo o gás capturado dentro da
câmara. O movimento lento do deslocador vermelho (ve) e o movimento rápido do deslocador
azul (az) se evidenciam com o movimento lento de braço vermelho (ve) e o movimento rápido
do braço azul (az), dos quadriláteros articulados. A etapa de compressão termina quando se
inicia a fase de combustão (a partir da centelha).
Fig. 13 Processo de compressão do motor rotativo
O processo da combustão é apresentado na figura 14. Esta fase se inicia com alguns graus
antes de se atingir a abertura mínima dos deslocadores (volume mínimo da câmara de
combustão). O início da combustão é definido pela centelha da vela (ignição), a qual se
localiza na parte plana ("tampa") do cilindro. O mecanismo aqui apresentado permite manter
os deslocadores com velocidades muito pequenas nesta fase (o volume dentro da câmara se
mantém praticamente constante por um tempo considerável - com respeito ao período
completo do ciclo). Com isto consegue-se uma boa combustão, isto é, a volume praticamente
constante. As velocidades pequenas dos deslocadores evidenciam-se com o movimento lento
dos braços - azul (az) e vermelho (ve) - dos quadriláteros articulados.
Fig. 14 Processo de combustão do motor rotativo
Imediatamente após o processo de combustão tem-se o processo de expansão, figura 15. Neste
momento o deslocador vermelho se move mais rápido que o deslocador azul. Isto se evidencia
na rotação rápida do braço vermelho (ve) do quadrilátero articulado com respeito ao braço
azul (az). O deslocador vermelho (ve) é o que promove a expansão. O processo de expansão
culmina quando o deslocador vermelho (ve) atinge a posição da janela de exaustão.
Fig. 15 Processo de expansão do motor rotativo
Imediatamente após o processo de expansão tem-se o processo de exaustão, figura 16.
Nesta fase o deslocador vermelho (ve) se move com baixas velocidades, enquanto que o
deslocador azul (az) se move mais rapidamente. Isto se evidencia na rotação rápida do braço
azul (az) do quadrilátero articulado com respeito ao braço vermelho (ve) do outro quadrilátero
articulado. O deslocador azul (az) é o que promove o escape, com a geometria da janela de
escape facilitando o fluxo dos gases queimados para o exterior. O processo de exaustão
culmina quando o deslocador azul (az) termina o fluxo entre a câmara e o exterior, quando o
delocador azul (az) "fecha" a janela de escape.
Fig. 16 Processo de exaustão do motor rotativo
2. PROTÓTIPO DO MOTOR KOPELROT
As figuras 17 a 22 apresentam detalhes do protótipo construído. Nas figuras 17 e 18
observam-se as peças do conjunto motor e do conjunto de acionamento, respectivamente. São
dois conjuntos de mecanismos concêntricos, cuja excentricidade entre seus dois respectivos
eixos é responsável pela velocidade angular variável dos deslocadores. Conforme já
mencionado anteriormente, é esta variação da velocidade angular que cria os espaços de
volume variável que abrigarão os processos habituais de um motor a combustão interna com
ignição por centelha (admissão, compressão, combustão expansão e exaustão). Na figura 18
são apresentados as peças (rolamentos, engrenagens e “bielas”) do mecanismo responsável
pelo estabelecimento de um movimento angular variável a partir de um eixo de potência de
velocidade angular constante.
Fig. 17 Peças do conjunto motor
A figura 19 apresenta o conjunto do rotor externo com seus respectivos deslocadores.
Observa-se que o cilindro externo, apoiado em roletes em sua superfície externa, movimentase em movimento angular de velocidade igual aos seus dois respectivos deslocadores.
Consegue-se, desta forma, um menor movimento relativo entre parede e deslocador, com
conseqüente redução no atrito interno e melhora na vedação entre câmaras. O conjunto do
rotor interno, com seus respectivos deslocadores (“pistões”), é apresentado na figura 20 e,
comparativamente ao conjunto de rotores externo, na figura 21.
Fig 18 Peças do conjunto de acionamento (articulações, engrenagens e pinos)
Fig 19 Conjunto do rotor externo com deslocadores
Fig 20 Conjunto do rotor interno
Fig 21 Rotores interno e externo lado a lado
Finalmente, a figura 22 apresenta o conjunto de acionamento já montado à base,
pronto para receber o conjunto motor.
Fig 22 Montagem do conjunto de acionamento e base
CONCLUSÃO
Deu-se continuidade ao desenvolvimento de um novo motor rotativo de combustão interna
com ignição por centelha. O motor Kopelrot, com suas peças de maior massa (deslocadores e
rotores) deslocando-se em movimento angular concêntrico, ao contrário, por exemplo, do
motor Wankel, por exemplo, apresenta inerente simplicidade e baixo nível de vibrações. Um
protótipo foi construído, e tem sido testado a baixas rotações. Procede-se, atualmente, a testes
volumétricos e testes de acionamento (por motor elétrico) com ignição. Vislumbra-se um
potencial de aplicações específicas para este motor, não obstante a ainda predominante
presença do tradicional motor alternativo. Dar-se-á continuidade ao programa de
desenvolvimento deste promissor motor, com um programa gradual de ensaios e com o uso de
ferramentas de simulação [16].
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq, FAPERJ e FINEP, agências governamentais de fomento à
pesquisa, pelo apoio recebido.
REFERÊNCIAS
[1] NORBYE, J.P., The Wankel Engine, Radnor, EUA, Chilton Book Company, 1971.
[2] KAWAHARA, N., TOMITA, E., HAYASHI, K., Cycle-resolved measurements of the
fuel concentration near a spark plug in a rotary engine using an in situ laser absorption
method, Proceedings of the Combustion Institute, vol. 31, pp. 3033-3040, part 2, 2007.
[3] Karim G.A., Shrestha O.M.B., The Performance of a Variable Geometry Toroidal Engine.
Department of Mechanical and Manufacturing Engineering University of Calgary, 2000.
[4] MONGADO, R.G. , Internal Combustion Engine and Method, United States Patent
number 6739307 B2, 2004.
[5] __, Rotoblock, Oscillating Piston Engine, Disponível em http://www.rotoblock.com/
,Acesso em 24/08/2008.
[6] __, DAR Engines, Technical overview, Disponível em
http://www.darengines.co.il/technology.asp, Acesso em 24/08/2008.
[7] TAUROZZI, E.H., Rotary Engine, United States Patent number 3854457 B2, 1974.
[8] TAUROZZI, E.H., ST Racing, Motor Taurozzi, Disponível em
http://www.stracing.com.mx/phpBB3/viewtopic.php?f=19&t=1850&hilit=taurozzi, Acesso
em 24/08/2008.
[9] __, Rotatorque, The Second Prototype, Disponível em
http://www.rotatorque.de/english/index.htm, Acesso em 24/08/2008.
[10] KOPELOWICZ, H.J., Sistema para Transformar um Movimento Circular Continuo de
um Eixo num Movimento Conjunto ou Separado com Estados de Repouso e Movimento
Alternado de Dois ou mais Eixos e Vice-Versa, pedido de deposito patente 008155,30, 1988.
[11] KOPELOWICZ, H.J., A system for the construction of pumps, compressors and motor
engines, formed by a rotary chamber and pistons which are driven in the same direction at
varying velocities alternatively opposite to each other, inside a fixed open or closed structure.
International Patent Application under PCT, International Publication Number WO03/014549
A1, 2003.
[12] KOPELOWICZ, H.J., Sistema para Transformar um Movimento Circular Continuo de
um Eixo num Movimento Conjunto ou Separado com Estados de Repouso e Movimento
Alternado de Dois ou mais Eixos e Vice-Versa, 2008.
[13] BARRETO, A.R., WEBER, H.I., PARISE, J.A.R., Análise Teórica e Simulação
Numérica de um Compressor Rotativo. X CREEM Congresso Nacional de Estudantes de
Engenharia Mecânica, Santos, 2003.
[14] BARRETO, A.R., KOPELOWICZ, H.J., PARISE, J.A.R., Simulation of an Innovative
Rotary Compressor with Variable Speed Displacers. Seventh International Compressor
Engineering Conference at Purdue. USA, 2004.
[15] KOPELOWICZ, H.J., SIQUEIRA, C.E.R., MOUTELLA, F.L.C., AREAS, H.T,
PARISE, J.A.R., Experimental Evaluation of an Innovative Rotary Compressor with Variable
Speed Displacers, International Conference on Compressors and their Systems, IMechE,
London, 2005.
[16] JIMÉNEZ, R.D., Simulação de um novo motor a combustão interna rotativo com
ignição por centelha, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Mecânica,
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, setembro de 2008.