Os projectos de motores mais invulgares

Os construtores de automóveis modernos não nos estragam com refinamentos técnicos em termos de conceção e configuração de motores. Os clássicos motores de combustão interna e os turbodieséis são atualmente os grandes protagonistas. Mas ainda há experimentadores que oferecem soluções originais. E, no passado, havia ainda mais projectos deste tipo. Hoje, a Drom fala-nos dos motores mais invulgares para automóveis e motociclos.

Regra geral, sob o capot de todos os automóveis actuais estão instalados motores a gasolina a quatro tempos que funcionam de acordo com o chamado ciclo Otto – injeção, compressão, curso, escape. Trata-se de motores térmicos típicos de combustão interna com ignição da mistura combustível através de uma vela, em que as válvulas de escape abrem depois de as válvulas de admissão fecharem. A principal desvantagem deste tipo de motores é a sua baixa eficiência (até 28%).

Mais de um terço dos automóveis modernos estão equipados com turbodiesel com um mecanismo de manivela semelhante, mas com uma taxa de compressão mais elevada e com ignição da mistura de trabalho a partir da compressão e da temperatura elevada no cilindro. A eficiência dos motores a gasóleo é mais elevada, mas ainda não é assim tão grande – até 50%.

Estes dois tipos de motores são utilizados na grande maioria dos automóveis actuais e há muito que tudo se sabe e se diz sobre eles. A nossa tarefa é falar sobre esquemas não tão comuns, que têm algumas diferenças sérias em comparação com os motores Otto e Diesel “clássicos”, ou são construídos com base num princípio diferente.

Motor de pistão rotativo Wankel

Empresas – NSU, Mazda, Citroen, VAZ
Alguns modelos de automóveis – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 e 21079, Citroen GS.

Para começar, é claro, devemos começar com o design de pistão rotativo, que foi introduzido pela primeira vez pelos engenheiros Walter Freude e Felix Wankel não há muito tempo – em 1957. É lógico que este motor tenha recebido o nome de um dos seus criadores – Wankel. A particularidade desta central eléctrica é um pistão de três lados (rotor), acionado pela força da pressão do gás. O movimento do rotor em relação ao cilindro “oval” com o perfil original (estator) é efectuado através de duas engrenagens: uma – na superfície interior do rotor, a segunda – rigidamente fixada à superfície interior da tampa lateral do motor. A sua interação proporciona um movimento excêntrico circular em que o rotor entra em contacto com a superfície interior da câmara de combustão com as suas faces. O movimento rotativo é transmitido para um veio especial e deste para a transmissão. Um par mecânico regula o movimento do rotor e o segundo converte-o em rotação do veio excêntrico. Para uma volta completa do veio, o rotor tem tempo para rodar 120° e, em cada uma das três cavidades isoladas, é reproduzido o ciclo completo de quatro tempos de um motor de combustão interna – injeção, compressão, curso e escape. As vantagens óbvias deste tipo de motor são a sua compacidade, leveza, menos peças (sem pistões, bielas, cambota), sistema de lubrificação simplificado, baixo nível de vibração e elevada capacidade de litros. As principais desvantagens são a fraca eficiência dos vedantes da folga entre o rotor e a parede do cilindro, o elevado consumo de óleo especial, a tendência para o sobreaquecimento, as velas exigentes e a elevada potência a um regime de rotações relativamente elevado.

O primeiro automóvel de série com RPM foi o alemão NSU Ro 80, em 1967, mas a verdadeira popularidade dos motores de pistão rotativo foi trazida, naturalmente, pela empresa japonesa Mazda, famosa não só pelos seus lendários modelos RX, mas também pela única vitória em Le Mans do protótipo “757”. A propósito, a Mazda planeia regressar ao tema dos rotativos ainda este ano. Vários fabricantes fizeram experiências com RPMs em diferentes alturas. Até o AvtoVAZ, nos anos 80, foi marcado pelos rotativos “cinco” e “sete”, que eram utilizados na polícia de trânsito ou por “agentes da lei”.

Motor com taxa de compressão variável

Empresas – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
Modelo de automóvel – Infiniti QX50

Uma tecnologia que atualmente só é utilizada num veículo, o crossover Infiniti QX50 que chega em 2019. A Nissan tem vindo a fazê-lo há mais de 20 anos e agora, finalmente, o motor turbo VC-T (Variable Compression Turbocharged) de 2,0 litros é capaz de ajustar automaticamente a taxa de compressão (de 8 na potência máxima para 14 em cargas baixas), ajustando o comprimento dos pistões em 6 mm. De acordo com os engenheiros japoneses, isto permite não só esquecer quase por completo os modos suboptimizados e, consequentemente, a ocorrência de detonação, mas também aumentar a eficiência e poupar até 27% de combustível em comparação com os “seis” em forma de V. Este truque é realizado da seguinte forma: existe uma articulação móvel da biela com o seu pescoço inferior, que funciona através de um sistema de alavancas acionado por um motor elétrico. Ao mesmo tempo, a potência da central eléctrica é de uns impressionantes 270 cv e o binário é de 390 Nm (na Rússia, o motor é deformado para 249 cv e 380 Nm). As principais desvantagens do projeto são consideradas a sua complexidade e o peso superior (cerca de 10 kg) da unidade de potência.

Engenheiros da Ford, Mercedes-Benz, Peugeot e Volkswagen experimentaram motores com taxas de compressão variáveis em várias ocasiões, mas nunca ninguém obteve uma patente. Houve também sistemas iniciais com um pistão adicional que alterava o volume da câmara de combustão. Foram também efectuadas experiências com pistões de altura variável, que se revelaram muito pesados. Em 2000, a empresa FEV Motorentechnik instalou no motor turbo 1.8T da Volkswagen um sistema com… cambota elevatória, cujo movimento era efectuado com a ajuda de embraiagens excêntricas. No mesmo ano, os suecos da Saab demonstraram a sua visão. O motor turbo SVC (Saab Variable Compression) de 5 cilindros e 1,6 litros podia levantar a parte superior do bloco de cilindros dividido. Na mesma altura, os franceses da MCE-5 Development demonstraram um motor com bielas bipartidas únicas com balancins dentados. Mas nenhuma destas soluções chegou a ser aplicada em carros de produção.

Motor de Válvulas de Manga Knight

Empresas – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
Alguns modelos de automóveis – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Vamos agora viajar até à viragem dos séculos XIX e XX, quando Charles Knight teve a ideia de criar um motor sem válvulas clássicas. Em 1908, patenteou a sua ideia, que estava equipada com os chamados “distribuidores”: tratava-se de uma espécie de acoplamento, acionado por um eixo de engrenagem especial, que deslizava à volta do pistão, abrindo assim as portas de entrada e saída nas paredes do cilindro. Este sistema provou não só funcionar, mas também ser bastante silencioso, durável, com bom rendimento e sem o problema de “colagem” das válvulas de disco convencionais. Para além destas vantagens óbvias, existiam outras: boa depuração dos gases de escape, forma inalterada da câmara de combustão (logo, sem detonação), sem cabeça de bloco convencional e colocação ideal das velas de ignição. A principal desvantagem foi considerada o aumento do consumo de óleo.

No entanto, estes motores foram equipados com vários modelos de marcas de automóveis famosas como Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys e outras até aos anos 40 do século passado. Posteriormente – após um aumento significativo da velocidade do motor e a introdução do arrefecimento por sódio para as válvulas de disco convencionais – o sistema tornou-se praticamente obsoleto.

O motor Lanchester Twin-Crank Twin

Empresas – Lanchester, Ford
Alguns modelos de automóveis – Lanchester 12HP, Ford A/C/F

Em 1896, Karl Benz patenteou um “motor de oposição” de dois cilindros, três anos mais tarde foi fundada a empresa Lanchester e um ano depois apresentou o seu primeiro automóvel, o Lanchester Phaeton, equipado com um motor com duas cambotas. Este motor em particular é considerado o primeiro Flat-Twin de produção. Esta unidade atmosférica de 4,0 litros, arrefecida a ar, produzia até 10,5 cv às 1250 rpm. Uma cambota estava por cima da outra e cada pistão tinha três (!) bielas – uma central grossa e duas mais leves nos lados. A mais grossa ia para um eixo e as mais finas para o outro. Assim, os veios rodavam em direcções opostas.

No início da indústria automóvel, estes motores equipavam não só os carros Lanchester, mas também os primeiros modelos Ford – “A”, “C” e “F”.

Oposição” de dois cilindros num único bloco (Panhard Flat-Twin)

Empresa – Panhard
Alguns modelos de automóveis – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

De 1945 a 1967, a empresa francesa Panhard produziu uma série de modelos equipados com o chamado motor Flat-Twin. René Panhard não foi pioneiro na utilização de dois cilindros “opostos”, mas pela primeira vez combinou o bloco de cilindros e a cabeça numa caixa de alumínio. Para além desta solução técnica única no motor Flat-Twin, houve outras descobertas interessantes. Por exemplo, em vez de molas de válvulas, foram utilizadas pela primeira vez molas de torção e o arrefecimento foi efectuado por ar duplo.

O volume destes motores era pequeno – de 0,61 a 0,85 litros, e a potência era de 42 a 60 cv. No entanto, este facto não impediu o modelo X84 de participar em corridas em Le Mans e até de obter bons resultados na sua classe até 750 cm³. O coupé Panhard 24 era também um carro muito bonito.

Motores de ciclo Atkinson e Miller

Empresas – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
Alguns modelos de automóveis – Toyota Prius, Lexus híbridos, Ford Escape, Nissan Altima

Como dissemos no início deste artigo, a maioria dos motores de automóveis modernos funciona com o ciclo Otto. Mas existem ainda outras variantes: os nomes dos engenheiros James Atkinson e Ralph Miller estão para sempre associados à luta para melhorar a eficiência e aumentar a eficácia.

O que é que Atkinson propôs? Em primeiro lugar, ao complicar o mecanismo da manivela, alterou a relação dos tempos de curso: os cursos do pistão durante a compressão e os tempos de curso tornaram-se mais curtos do que durante a admissão e o escape, devido a uma cambota única. As válvulas de admissão no ciclo de Atkinson fecham-se completamente a meio caminho do ponto morto superior. Em segundo lugar, os quatro ciclos de Atkinson ocorrem numa só rotação da cambota, enquanto um motor Otto convencional necessita de duas. As vantagens deste tipo de motor são a elevada eficiência e o respeito pelo ambiente. As desvantagens são a complexidade da conceção e o baixo binário nos “baixos”. É por isso que estas unidades de potência são utilizadas em híbridos, onde esta caraterística é compensada pela tração eléctrica.

Ralph Miller também trabalhou com a taxa de compressão, mas seguiu (em 1947) um caminho diferente. Em vez de reduzir mecanicamente a taxa de compressão com uma taxa de curso constante, propôs reduzi-la à custa da taxa de admissão, mantendo a mesma cilindrada para todos os pistões, como no motor Otto. Existem duas variantes desta solução, mas ambas se baseiam no fecho tardio das válvulas de admissão: “admissão encurtada” (em que as válvulas de admissão fecham antes do fim do curso de admissão) e ‘compressão encurtada’ (as válvulas de admissão fecham mais tarde do que o curso de admissão). Mas ambos são concebidos para reduzir a taxa de compressão da mistura de trabalho e, assim, quando o combustível é inflamado no TDC, tem um grau de expansão muito maior do que num motor Otto. Isto permite um melhor aproveitamento da energia dos gases em expansão no cilindro, o que aumenta a eficiência térmica do projeto e, consequentemente, melhora a economia e a elasticidade. Além disso, as perdas por bombagem são reduzidas no curso de compressão porque é mais fácil comprimir o combustível num motor de ciclo Miller. As desvantagens deste esquema são a redução da potência (especialmente a altas velocidades) devido a um pior enchimento dos cilindros.

Diesel “oposição” com cambota oscilante (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

Empresa – Rootes
Alguns modelos de automóveis – Commer Q25, C-Series, Karrier

O único motor a diesel na nossa análise de hoje, mas que motor a diesel: “oposição” TS3 a dois tempos (não é por acaso que foi apelidado de “Knocker”) com uma cambota oscilante única desenvolvida pela Tilling-Stevens! No entanto, foi instalado de 1954 a 1968 apenas em barcos, autocarros e camiões da empresa britânica Rootes, pouco conhecida de um vasto círculo. Este motor não só se encontrava debaixo do banco do condutor, como também tinha uma série de caraterísticas interessantes: cada cilindro tinha dois pistões “contra”, que transmitiam o binário a uma única cambota através de um balancim especial e duas bielas em cada pistão, e havia um compressor mecânico com transmissão por corrente! O motor TS3 tinha três cilindros, uma cilindrada de 3,25 litros e produzia uns substanciais 105 cv e 366 Nm a apenas 1200 rpm. Dizia-se que era uma unidade muito compacta e fiável, cujo único inconveniente era considerado o elevado nível de ruído.

No final da década de 1960, surgiu um protótipo de uma unidade semelhante de 4 cilindros, e a “mula” equipada com ele até passou nos testes com um comprimento de quase 2 milhões de quilómetros, mas o assunto não foi mais longe: em 1968, a Chrysler Corporation comprou a empresa Rootes e o desenvolvimento foi reduzido.

Gobron Brillie Opposed Piston

Dois tempos de dois cilindros “opostos” (Gobron Brillie Opposed Piston).

A empresa é a Gobron-Brillie
Alguns modelos de automóveis – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

Recuemos ao século XIX, mais precisamente a 1898, quando o francês Gustave Charles-Alexis Gobron e o seu compatriota Eugène Brillieu fundaram a empresa automóvel Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Apenas seis meses mais tarde surgiu o seu primeiro filho – o Gobron-Brillie 8CV, que utilizava um motor de conceção única – com um volume de 1,6 litros e dois cilindros dispostos verticalmente, tinha quatro pistões, que se moviam um em direção ao outro. Os inferiores estavam ligados à cambota pelas bielas habituais, e os superiores (o seu curso era mais curto) – com a ajuda de um sistema original de bielas, balancins e excêntricos. Havia apenas uma árvore de cames e todo o mecanismo estava totalmente sincronizado. A meio do curso dos pistões superiores – esta era a área onde a mistura era inflamada – foram instaladas velas de ignição, bem como válvulas de admissão e de escape acionadas por hastes. A ignição do combustível ocorria entre os pistões, mais ou menos a meio do curso dos pistões superiores.

Para além de um sistema tão complexo, mas, segundo os contemporâneos, bastante fiável e com excelente suavidade de funcionamento, o carro tinha um sistema de alimentação invulgar, em que, em vez de um carburador tradicional, se utilizava um conjunto de êmbolos, capazes de introduzir qualquer tipo de combustível na câmara. Diz-se que o Gobron-Brillie podia mesmo conduzir com álcool ou bebidas alcoólicas fortes, como o whisky e o conhaque!

Motor rotativo – cambota fixa, cilindros e pistões rotativos (Adams-Farwell)

Empresa – Adams-Farwell
Alguns modelos de automóveis – Adams-Farwell Modelos 5, 6, 7 e Série 6

A esta ideia chama-se “do oposto”: se num motor de combustão interna convencional a cambota roda e o bloco de cilindros fica parado, no motor inventado em 1895 pelo engenheiro Fay Oliver Farwell, a cambota fica sempre no mesmo sítio. Reza a lenda que Farwell, que trabalhava para a empresa americana The Adams Co., foi levado a conceber um motor de 3 cilindros e 4 tempos em que os cilindros rodam em rolamentos originais em torno de uma cambota montada rigidamente ao ver… um moinho vulgar!

Nove anos mais tarde, em 1904, sob o nome Adams-Farwell Model 5, entrou em produção um automóvel com este motor único e bastante potente (25 cv) para os padrões da época. A propósito, tinha algumas caraterísticas invulgares: em vez de um carburador, o combustível entrava nas câmaras através de orifícios especiais, e o motor não tinha silenciadores (era bastante silencioso). A principal desvantagem era o consumo excessivo de óleo, mas apesar deste facto, em 1906 Adams-Farwell apresentou o Modelo 6 com um motor de 5 cilindros e 8,0 litros. E em 1910, os motores da empresa foram utilizados até nos primeiros helicópteros concebidos por Emil Berliner.

Motor de ciclo separado

Empresas – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
Alguns modelos de automóveis – não instalados

Como se sabe, num motor de combustão interna clássico, os quatro ciclos ocorrem num único cilindro. Mas, ao que parece, havia entusiastas no mundo – e num passado recente – que pregavam verdadeiros exotismos com a separação de ciclos. Por exemplo, em 2006, os americanos do Grupo Scuderi decidiram que o chamado cilindro “frio” seria responsável pelos ciclos de admissão e compressão, e outro cilindro, “quente”, seria responsável pelo curso e escape. Quando há expansão de gases no cilindro de trabalho, o relógio de admissão ocorre no cilindro “frio” do compressor. Quando há uma libertação no cilindro de trabalho, há uma compressão no cilindro frio. No final do curso de compressão, os pistões aproximam-se do seu TDC, a mistura “flui” do cilindro “frio” para o cilindro “quente” através da válvula de alívio e é inflamada. Além disso, diferentes cilindros podem ter diferentes diâmetros e cursos de pistão, permitindo uma afinação muito flexível. Em 2009, Scuderi apresentou um protótipo, mas este nunca foi avante: o motor é económico, mas muito complexo do ponto de vista estrutural.

A empresa croata Paut Motor também fez experiências com ciclos parciais. Em 2011, chegaram a apresentar um protótipo que, com uma capacidade de 7 litros, pesava apenas 135 kg, tinha muito menos peças, reduzia o atrito e o ruído do que o motor Scuderi. Mas este projeto também morreu.

Bem, o motor mais complexo com ciclos divididos é provavelmente o motor Bonner, no qual os cilindros estão dispostos transversalmente e a cambota faz um movimento planetário através de um sistema de engrenagens. A distribuição do gás é efectuada por válvulas especiais na parte inferior dos cilindros e por carretéis rotativos no bloco. Os pistões podem ser deslocados sob pressão de óleo, proporcionando uma taxa de compressão variável. Que confusão! Não é de admirar que este motor dificilmente chegue a entrar na “série”.

Motor de turbina a gás

Empresas – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
Alguns modelos de automóveis – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Embora nunca tenhamos visto motores de ciclo dividido em carros de produção, os carros com motores de turbina a gás existiram na natureza. Desde o início dos anos 50, os fabricantes de automóveis de passageiros decidiram jogar este jogo e continuaram até ao final dos anos 60. A era dos GTE não foi longa, mas deu-nos toda uma gama de modelos extraordinários: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

Uma turbina a gás é um motor mais simples e muito mais potente do que um motor de combustão interna clássico. Não é de estranhar que a indústria automóvel, que já antes dos anos 50 do século passado tomava ativamente de empréstimo uma série de soluções técnicas da indústria aeronáutica, não tenha ficado de fora e tenha decidido tentar utilizar motores deste tipo nos automóveis de passageiros. Além disso, o design do GTE em si não é complicado: eixos com rodas de compressor e turbina, o primeiro dos quais alimenta o ar comprimido na câmara de combustão com combustível. Ao arder e expandir-se, a mistura de trabalho faz girar a roda da turbina, que utiliza a energia para fazer girar o compressor e, naturalmente, a propulsão a jato.

Motor com acionamento desmodrómico de válvulas

Empresas – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
Alguns modelos – motociclos: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; automóveis: Mercedes-Benz SLR

Num motor de combustão interna convencional, as válvulas são abertas à força (por balancins especiais) e fechadas por molas potentes. É a velocidade destas mesmas molas e a sua força insuficiente que causam a chamada quebra de ligação cinemática, o “enforcamento” das válvulas e, consequentemente, a limitação da velocidade do motor. No caso de um atuador desmodrómico, as válvulas também são forçadas e fechadas.

A história deste know-how remonta ao início do século XX, quando, em 1910, um engenheiro inglês chamado Arnott recebeu uma patente para um sistema de temporização desmodrómico. Nessa altura, era particularmente relevante, uma vez que a qualidade das molas muitas vezes não conseguia suportar nem mesmo rotações e cargas muito baixas. Na prática, o “desmodrom” foi utilizado pela primeira vez no Peugeot L76 de corrida em 1912, e oito anos mais tarde apareceu no carro desportivo francês Bignan. Os primeiros motociclos que utilizaram a transmissão desmodrómica foram os modelos da empresa britânica Norton, em 1924. Desde então, este tipo foi também utilizado nos motociclos Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial e Honda. Mondial e Honda. No entanto, a empresa italiana de motociclos Ducati continua a ser a mais fiel adepta deste esquema até aos dias de hoje.