SistTermicos1-CAP2_Motor_Rotativo_rev

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Sistemas Térmicos I
CAP 2: Motores Rotativos
Local: 			Campus de Tucuruí
Carga Horária: 	68 h (51h teórica / 17h prática)
Período:		 
Professor: 		Ronaldo Moura
			e-mail: rrmoura@ufpa.br
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Motores Rotativos
Motor alternativo
Motor quatro tempos,
Motor dois tempos,
Motor rotativo
Motor Wankel;
Quasiturbine;
Turbina a gás
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1- Introdução:
Motor Wankel - é um tipo de motor de combustão interna, inventado por Felix Wankel, que utiliza rotores com formato semelhante ao de um triângulo em vez dos pistões dos motores alternativos convencionais.
1-Motor Wankel
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1- Introdução (cont.)
Diferentemente dos motores com cilindro e pistão, o motor Wankel não utiliza o princípio da biela e manivela. Ele não produz nenhum movimento alternativo, por isso tem um funcionamento mais suave, com menos atrito, menos vibração e mais silencioso. O conjunto inclui também um número reduzido de peças. Estas vantagens o tornam uma atraente solução técnica que encontra uma vasta gama de aplicações em todas as áreas de transportes (carros, motocicletas e aeronaves). As maiores dificuldades em sua aplicação em larga escala são a vedação interna entre as câmaras, baixa durabilidade e alto consumo de combustível, porém vem sendo aprimorado devido aos recursos do controle eletrônico e novas tecnologias de fabricação. 
1-Motor Wankel
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1.2- História:
Wankel concebeu seu motor rotativo por volta de 1924 e obtém sua primeira patente em 1933. Durante a década de 1940, dedicou-se a melhorar o seu projeto. Houve um esforço considerável no desenvolvimento de motores rotativos nas décadas de 1950 e 1960. Eram particularmente interessantes por funcionar de um modo suave e silencioso, devido à simplicidade de seu motor e a um número reduzido de peças, comparado com os motores a pistão.
Em 2009, no setor automobilístico, a Mazda era o único fabricante que ainda incorporava esses motores em seus veículos.
Em 22 de junho de 2012, a Mazda fabricou seu último motor Wankel.
1-Motor Wankel
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1-Motor Wankel
1.3- Funcionamento:
Esse motor consiste essencialmente em uma câmara cujo formato interno se aproxima da forma de um oito. Dentro dela, um rotor mais ou menos triangular - o pistão do motor - gira excentricamente com relação ao eixo principal, que equivale ao virabrequim dos motores a pistões. As formas destes dois elementos são tais que enquanto os cantos do pistão estão sempre equidistantes das paredes da câmara - e muito próximos a elas, formando uma vedação - eles sucessivamente aumentam e diminuem o espaço entre os lados convexos do triângulo - o rotor - e as paredes da câmara.
Intake
Compression
Exhaust
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1-Motor Wankel
1.3- Funcionamento (cont.):
Assim, se uma mistura for injetada numa das câmaras, quando está aumentando de tamanho, será comprimida na redução subsequente de volume, enquanto o rotor, ou pistão, gira. Deste modo, o ciclo clássico de quatro tempos - admissão, compressão, explosão e exaustão - é produzido e, além disso, as três faces do rotor estão em três fases diferentes do ciclo, ao mesmo tempo.
Intake
Ciclo Wankel:
Intake (admissão)
Compression (compressão)
Ignition (ignição)
Exhaust (exaustão).
Compression
Exhaust
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1-Motor Wankel
1.3- Funcionamento (cont.):
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1-Motor Wankel
1.4-Consumo de Combustível:
Assim como a forma das câmaras de combustão do motor Wankel previnem a pré-detonação, ela também leva à combustão incompleta da mistura ar-combustível, fazendo com que os hidrocarbonetos não queimados sejam liberados no escape. No caso de motores de pistão, uma solução cara foi adotada, a de usar catalisadores para oxidar completamente os hidrocarbonetos não queimados. 
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1-Motor Wankel
1.4-Consumo de Combustível (cont.):
A Mazda conseguiu evitar esse custo enriquecendo a mistura ar-combustível e aumentando o número de hidrocarbonetos não queimados no escape até que uma combustão completa pudesse acontecer em um "reator térmico" (uma câmara expandida aberta na tubulação de escape) sem a necessidade de um catalisador, produzindo assim um escape limpo com o custo de um ligeiro aumento no consumo de combustível.
O preço mundial da gasolina aumentou severamente na mesma época em que a Mazda introduziu seu motor Wankel, fazendo com que o escape limpo à custa do aumento de consumo de combustível se tornasse uma troca não muito bem vinda.
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1-Motor Wankel
1.5-Vantagens:
As vantagens do motor Wankel sobre os motores a pistão convencional são muitas. Em primeiro lugar, não existem vibrações devido ao fato de que só há um movimento rotativo, isso significa ainda menor desgaste e vida mais longa. O motor Wankel não tem nada de complicado, pelo contrário, tem poucos componentes e é bem menor. Além disso ele gera mais potência e mais torque que um motor "convencional" de mesma cilindrada. Isso porque cada lado de seu rotor encontra-se em uma fase do ciclo, gerando mais explosões por volta do eixo virabrequim do que um motor a pistão.
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1-Motor Wankel
1.5-Vantagens (cont):
A Mazda atualmente conta com uma nova geração de motores rotativos, chamado de Wankel Renesis pela marca, que apresentam um consumo muito semelhante a carros concorrentes. Devido ao seu princípio de funcionamento, em que não existem mudanças bruscas de componentes (alteração no sentido de movimento dos pistões), as vibrações produzidas pelo motor são bem menores, assim como o nível de ruído. Outro aspecto importante, fica por conta do torque, que é disponibilizado de forma mais homogênea e constante. Como se não bastasse, são muito mais compactos e leves, possibilitando cofres de motor também menores, centro de gravidade do carro mais baixo, frentes menores e com melhor aerodinâmica (carros com motor dianteiro).
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1-Motor Wankel
1.6-Desvantagens :
Entre suas desvantagens incluem-se uma curva de potência não muito elástica e os problemas em manter uma vedação ideal entre os cantos do rotor e as paredes da câmara de combustão devido à dilatação térmica, o que causa algumas dificuldades devido ao rigor das especificações do projeto e às tolerâncias mínimas na produção.
Além disso o motor Wankel aquece muito mais que o motor a pistões, devido às altas rotações, trabalhando sempre no "limite", por assim dizer. Outra desvantagem é a alta taxa de emissão de gases poluentes.
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1-Motor Wankel
1.6-Desvantagens (cont.):
Necessidade de lubrificante misturado com o combustível, como no motor 2T;
Desgaste prematuro das lâminas de vedação dos vértices do rotor;
Grande diferença de temperaturas entre o lado quente e o lado frio, provocando deformação da pista do estator sobre a qual gira o rotor.
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações :
Motores para Carros
O Mazda RX-8 é o único automóvel produzido em série atualmente, impulsionado pelo motor Wankel Renesis, dianteiro, longitudinal, com 2 rotores. O Renesis é um aspirado de apenas 1308 cm³ totais a uma taxa de compressão de 10:1, capaz de gerar impressionantes 238 cavalos de potência a 8500 rpm e 22 kgfm a 5000 rpm, números impossíveis para qualquer aspirado convencional com igual capacidade volumétrica. Esse motor foi desenvolvido visando reduzir o consumo de combustível e a emissão de poluentes com a utilização daquilo que os técnicos chamaram de múltiplas "luzes" na admissão e no escapamento. Nesse motor, o uso de uma única janela para a admissão e outra para o escapamento foi substituído pelo uso de múltiplas janelas na parede do estator.
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações (cont.):
Motores para Carros (cont.)
Recentemente no salão de automóveis de Genebra 2010 a Audi apresentou um carro conceito, o Audi A1 E-tron, com propulsão elétrica em sua concepção. Este utiliza um motor Wankel que serve para recarregar as baterias quando não se pode conectar o veículo a uma fonte externa, como ao fazer um percurso mais longo. O motor rotativo vem montado na traseira, atrás do jogo de baterias de lítio e é capaz de uma autonomia de 50 km.
Quando a carga está no fim, o compacto motor de apenas um rotor de 254 cm³ de cilindrada é acionado para recarregá-lo, trabalhando a 5.000 rpm constantes para estender a autonomia do carro para 210 km, porém o carro continua sendo impulsionado pelo motor elétrico montado na frente.
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações (cont.):
Motores para Motos 
De 1974 a 1977 Hércules produziu um número limitado de motos equipados com motores Wankel.[3] Mais tarde este motor foi usado pela Norton para produzir o modelo Norton Commander no início de 1980.
O RE5 Suzuki foi uma motocicleta equipada com motor Wankel produzida em 1975 e 1976. Anunciada como o futuro do motociclismo, o motor de pequeno deslocamento produzia uma impressionante potência.No entanto, outros problemas e falta de peças intercambiáveis resultou em vendas baixas.
Van Veen da Holanda, importador e fabricante de motocicletas, projetou o OCR 1000, motocicleta com o motor Wankel duplo rotor da companhia Comotor SA. Sua empresa fabricou 38 destas motos, entre 1974 e 1978.
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações (cont.):
Motores para Motos 
Contudo, a partir da década de 1980, os motores rotativos não tiveram tanto sucesso equipando motocicletas. Eles não têm sido usados em corridas de motos, que é inteiramente dominada pelos motores alternativos multi-cilindros. Nem têm sido produzidos para venda ao público em geral para utilização nas ruas. Até agora, motocicletas atuais com motores rotativos foram confinadas a protótipos e demonstrações conceituais. Norton tem usado motor Wankel em vários modelos, notavelmente com o piloto Steve Hislop onde obteve várias vitórias na F1 Norton no TT em 1992. Norton faz agora um modelo de 588cc rotor duplo chamado NRV588 e está em processo de projetar uma versão de 700cc chamada NRV700.
Norton F1 rotary
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações (cont.):
Motores para uso Aeronáutico:
Aeronaves Wankel estão cada vez mais sendo encontradas em papéis em que o tamanho compacto e operação silenciosa é importante, notadamente em Veículo Aéreo Não Tripulado (UAV). 
Muitas empresas e pessoas por hobby adaptam motores rotativos Mazda (retirado de automóveis) para uso aeronáutico, enquanto outros, incluindo Wankel GmbH, fabrica motores rotativos Wankel dedicada propriamente para este uso.
Motores Wankel também estão se tornando cada vez mais popular em aeronaves experimentais homebuilt, devido a uma série de fatores. A maioria são motores para automóveis Mazda 12A e 13B, convertidos para uso em aviação. 
Diamond-Katana-DA20
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações (cont.):
Motores para uso Aeronáutico (cont.):
Os entusiastas do motor rotativo ironicamente se referem a motores de pistão de aeronaves como "reciprosaurs", e recordam que seus projetos têm permanecido praticamente inalterado desde 1930, com apenas pequenas diferenças nos processos de fabricação e variação de deslocamento do motor.
Peter Garrison, editor de contribuição para a revista Flying, afirmou que "o motor mais promissor para uso aeronático é o rotativo Mazda." Mazda tem realmente funcionado bem quando convertido para uso em aeronaves homebuilt. 
Diamond-Katana-DA20
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações (cont.)
Outras Aplicações:
Pequenos motores Wankel estão cada vez mais sendo encontradas em outras funções, como em Karts, jet ski e unidades auxiliar de potência para as aeronaves.
O Graupner/O.S. 49-PI é um motor Wankel de 1,27 hp (947 W) 5 cc para aeromodelos que está em produção desde 1970 essencialmente inalterado, e mesmo com um silenciador grande, todo o conjunto pesa apenas 380 gramas.
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1-Motor Wankel
1.7-Aplicações (cont.)
Outras Aplicações (cont.):
A simplicidade do Wankel torna-o adequado para mini, micro e micro-mini projetos de motores. Os sistemas microeletromecânicos (MEMS) do Laboratório de motores rotativos da Universidade da Califórnia, Berkeley, têm desenvolvidos motores Wankel de até 1 mm de diâmetro, com deslocamentos de menos de 0,1 cc. O objetivo final é desenvolver um motor de combustão interna que irá entregar 100 miliwatts de energia elétrica, o motor em si vai servir como o rotor do gerador, com ímãs construído no rotor do próprio motor.
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1-Motor Wankel
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1-Motor Wankel
1.9a- Motor Wankel com 2 rotores.
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1-Motor Wankel
1.9b- Motor Wankel com 4 rotores em série que venceu as 24 Horas de Le Mans.
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http://www.youtube.com/watch?v=4-0BVCcl9J0 
Motor Wankel
Videos Interessantes
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2-Motor Quasiturbine 
2.1-Introdução:
Quasiturbine - é um motor rotativo patenteado em 1996. É uma evolução do motor Wankel. Foi desenvolvido por uma equipe formada pela família Saint-Hilaire de Quebec no Canadá chefiada pelo físico Dr. Gilles Saint-Hilaire. Ao contrário de bombas de palhetas, cuja extensão palheta é geralmente importante e contra a qual atua a pressão para gerar a rotação, as vedações de contorno do quasiturbine têm uma extensão mínima, a rotação não é resultado da pressão contra as vedações.
Este motor corrige deficiências dos motores de pistões.
Recebeu este nome pelo fato de seu funcionamento ser quase igual ao de uma turbina.
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2-Motor Quasiturbine 
2.2-Funcionamento:
Quasiturbine e a descrição das quatro fases de seu ciclo:
1 (azul) - admissão.
2 (rosa) - compressão.
3 (vermelho) - combustão.
4 (preto) - escapamento.
Em verde: vela de ignição.
OBS: Este motor está na configuração mais recente: QT-SC 
(SC = sem "carruagens")
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2-Motor Quasiturbine 
2.3- Vantagens:
Menores níveis de vibrações e ruídos.
Nas baixas rotações proporciona maior torque.
Com menor número componentes móveis, reduz a possibilidade de quebras ou desgastes.
Requer menor lubrificação.
A possibilidade de operar em qualquer posição. Opera de cabeça para baixo e até submerso.
Versátil. Funciona com vários tipos de combustíveis: vapor, hidrogênio, diesel e até mesmo ar comprimido. Pode ser usado como compressor.
Ocupa menor espaço e é mais leve.
Menor emissão de poluentes.
Menor consumo de combustível.
Maior potência.
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2-Motor Quasiturbine 
2.4- Desvantagens:
Pode apresentar problemas devido a dilatação térmica. O motor Quasiturbine, geralmente é construído em alumínio e ferro fundido. Quando expostas ao calor suas peças podem expandir-se e contrair-se de formas diferentes, o que tende a provocar algumas fugas.
Problema semelhante existia na primeira geração de motores Wankel, mas com a evolução técnica, foi possível controlar estas dificuldades em ambos os casos.
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2-Motor Quasiturbine 
2.5- Aplicações:
Motosserras pneumáticas.
 	Seu baixo nível de vibrações pode prevenir o surgimento da doença de Raynaud(ou Síndrome da vibração) em seus operadores;
Motores movidos a ar comprimido impulsionaram um kart em Novembro de 2004 e um pequeno automóvel apresentado em uma feira de Montreal em 25 de setembro de 2005. 
«Brash Steam Car» em 2010 (Universidade de Connecticut ).
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3-Turbina à Gás 
3.1- Introdução:
O termo turbina a gás só funciona com sólidos, é mais comumente empregado em referência a um conjunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. 
Esta configuração forma um ciclo termodinâmico a gás, cujo modelo ideal denomina-se Ciclo Brayton, concebido por George Brayton em 1870.
Este conjunto opera em um ciclo aberto, ou seja, o fluido de trabalho (ar) é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são descarregados de volta na atmosfera sem que retornem à admissão.
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3-Turbina à Gás 
3.1- Introdução (cont):
A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. A palavra gás não se refere à queima de gases combustíveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da combustão. 
O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo
(GLP), gás de síntese ou líquido, como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados.
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3-Turbina à Gás 
3.2- Funcionamento:
O ciclo (Brayton) se constitui de quatro etapas. 
 O ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia.
 Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde mistura-se com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante. 
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3-Turbina à Gás 
3.2- Funcionamento:
Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. 
A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente.
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações:
Turbinas aeronáuticas:
Turbinas a gás são amplamente empregadas na propulsão de aviões e outros tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente a característica de alta densidade de potência, em relação a outras máquinas como motores de combustão interna. Ou seja, as turbinas a gás geram maiores potências comparadas a maquinas de mesmo peso, o que é vantajoso, uma vez que a redução do peso das aeronaves acarreta em maior eficiência e capacidade de carga.
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações (cont.):
Turbinas aeronáuticas (cont):
Existem diferentes configurações de turbina aeronáuticas. Por exemplo, em turbinas do tipo turbojato, o eixo, movimentado pela turbina propriamente dita, apenas aciona o compressor. Em última análise, através do bocal, o restante da potência útil é consumida na aceleração dos gases, responsável pelo empuxo gerado.
Outros tipos de propulsores (turbohélices ou turbofans) também baseados em ciclos a gás têm o eixo acoplado a hélices ou ventiladores que impelem parte do ar por by-pass, ou seja, sem que o mesmo passe através da turbina. Nestes casos, o empuxo se deve em parte aos gases de escape da turbina e em parte ao fluxo de ar externo.
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações (cont.):
Turbinas aeronáuticas (cont):
Compressor de 17 estágios
Câmaras de combustão
Turbina de 3 estágios
Componentes de um propulsor aeronáutico tipo turbojato, General Electric J79
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações (cont.):
Turbogeradores:
Turbinas a gás dedicadas à geração de energia elétrica são divididas em duas principais categorias, no que se refere à concepção:
Pesadas (Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para a geração de energia elétrica ou propulsão naval;
Aeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações (cont.):
Turbogeradores(cont.):
Com a exceção das micro-turbinas (dedicadas à geração descentralizada de energia elétrica) o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estágios de compressão. 
Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia cinética para compressão. 
O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300°C e 450°C. Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada que movimenta um gerador elétrico.
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações (cont.):
Turbogeradores (cont.):
Saindo da câmara de combustão, os gases têm temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 Celsius. Considerando isso, as termelétrica mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial através de um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado, de eficiência térmica frequentemente superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente 35%.
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações (cont.):
Turbogeradores(cont.):
Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm otimizada taxa de compressão. A taxa de compressão é a relação entre a pressão do ar à entrada e saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.
Turbinas a gás específicas para operar em ciclo combinado, são desenvolvidas de modo a maximizar a eficiência térmica do ciclo como um todo. Desta forma, a redução da temperatura dos gases de escape não é necessariamente o ponto mais crítico, em termos de eficiência, uma vez que os gases de saída da turbina ainda são utilizados para gerar potência.
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3-Turbina à Gás 
3.3- Aplicações (cont.):
Outras Aplicações:
Turbinas a gás também podem acionar diversos outros tipos de máquina movidas por eixo, tais como: navios, ônibus, helicópteros, locomotivas, tanques de guerra, bombas e compressores (externos ao próprio ciclo da turbina).
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