Nos últimos 130 anos a maioria dos carros e demais veículos motorizados usaram motores de pistões reciprocantes — primeiro baseados no ciclo Otto, depois no ciclo Diesel. Há uma boa razão para isso: dentre as dezenas de tipos de motores de combustão interna, estes foram os que melhor conseguiram equilibrar eficiência termodinâmica, confiabilidade/durabilidade e um conjunto relativamente compacto e prático. E embora um motor V8 biturbo com injeção direta seja muito diferente do motor monocilíndrico que Karl Benz instalou em seu Patent Motorwagen no século 19, eles funcionam exatamente da mesma forma: a mistura ar-combustível é admitida, comprimida, acendida por uma centelha, a explosão empurra o pistão, os gases resultantes saem pelo escape e tudo começa novamente. Todas as inovações foram apenas aperfeiçoamentos da receita básica — e o mesmo vale para os motores diesel, com a única diferença de detonar a mistura pela compressão.
Ao longo dos anos muitos engenheiros e inventores tentaram criar uma forma diferente de fazer um motor a combustão interna, e o mais bem-sucedido deles foi o alemão Felix Wankel, que idealizou um motor com um pistão triangular rotativo, para reduzir o número de peças móveis, otimizar a eficiência termodinâmica e funcionar com mais suavidade. Este motor rotativo chegou a ser usado em carros da extinta NSU e da Mazda, e até venceu as 24 Horas de Le Mans de 1991, provando suas qualidades. O motor Wankel só deixou de ser usado devido às normas mais rígidas em relação às emissões de gases adotadas nos últimos anos, mas tudo indica que a Mazda está trabalhando em uma modernização do conceito para torná-lo mais limpo. Mas ainda que seja substancialmente diferente do motores reciprocantes, o motor Wankel ainda é baseado no ciclo Otto, com ignição da mistura comprimida por centelha.
Motor Wankel em corte
Mas agora, depois de quase 70 anos desde a criação do motor Wankel, os engenheiros Nikolay Shkolnik e Alexander C. Shkolnik fundaram a Liquid Piston para desenvolver um motor baseado em um novo ciclo chamado high-efficiency hybrid cycle, ou “ciclo híbrido de alta eficiência, que combina elementos do ciclo Otto, do ciclo Diesel e Atkinson (uma variação do Otto), além do pistão rotativo do motor de Wankel. A ideia é chegar a um motor leve, de funcionamento suave e altamente eficiente que possa ser uma alternativa viável aos motores de pistões reciprocantes.
O desenvolvimento do motor começou em 2003, quando a dupla de engenheiros doutores desenvolveu o conceito do ciclo híbrido, mas o primeiro protótipo só ficou pronto em 2010, quando a Liquid Piston construiu um motor a diesel de 20 cv — possivelmente o primeiro motor rotativo a diesel. No ano seguinte eles chegaram ao design atual do motor e, em 2012, produziram um par de motores a diesel de 70 cv e 40 cv para testar a resistência e durabilidade do projeto. Agora, em 2016, eles acabaram de colocar à prova um motor de 70 cm³ a gasolina, capaz de produzir entre 3 cv e 5 cv a 10.000 rpm com vibração zero, segundo a empresa. O motor X-mini, como é batizado, foi instalado em um kart no lugar do motor convencional, de 18 kg e 6,5 cv, e sua principal vantagem está no seu porte: ele pesa apenas 1,8 kg — um décimo do peso do motor original. Veja ele em ação:
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A razão para o baixo peso deste motor está em sua construção com apenas três partes móveis — um rotor semi elíptico que integra janelas e “coletores” de escape e admissão, o eixo com coroa excêntrica que transfere o movimento do rotor, e um contra peso para eliminar a vibração do funcionamento. É nessa simplificação que está a grande sacada deste motor. Em vez de válvulas, comandos, polias, correias, virabrequim e coletores de admissão e escape, suas três partes móveis fazem todo o serviço por si só.
A versão a gasolina, usada no kart, é um pouco mais complexa que a versão a diesel, com mini coletores de escape e velas de ignição. Outra diferença também é a taxa de compressão, que precisa ser mais elevada no motor a diesel pela própria natureza do ciclo, que detona a mistura por compressão.
A admissão é feita por janelas na tampa do rotor: o ar passa por elas e preenche uma cavidade no próprio rotor, que tem uma segunda janela para levar o ar admitido à câmara de combustão. No motor a gasolina o combustível é injetado na própria câmara de combustão durante a compressão, (permitindo uma relação estequiométrica mais “magra” que os tradicionais 14,7:1 dos motores com injeção no coletor) e, em seguida, a vela de ignição dispara a centelha.
Por ser semi-elíptico, ao chegar próximo do ponto morto superior, o rotor mantém o volume da mistura praticamente constante. O formato do rotor também permite que o curso da explosão seja maior que o da compressão, uma característica do ciclo Atkinson para produzir mais movimento com menos ar-combustível.
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Após a expansão, os gases resultantes da queima entram por uma janela na cavidade de escape posicionada no lado oposto do rotor. Os gases então são expelidos pelas aberturas de escape semelhantes às da admissão, porém do lado oposto.
O vídeo abaixo mostra todo o processo de admissão, compressão, ignição e escape, porém com a ignição por compressão, usada na versão a diesel.
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A Liquid Piston diz que os protótipos a diesel se mostraram capazes de funcionar com cargas baixas por curtos intervalos de tempo com eficiência de 33%, muito próxima dos cerca de 30 a 40% dos motores diesel convencionais de mesmo porte. A empresa também não deixou claro como é feito o arrefecimento nem a lubrificação do motor — os protótipos a diesel foram feitos sem sistema de arrefecimento por questões de demonstração prática do sistema. Eles apenas mencionam que o ciclo híbrido permite o resfriamento das paredes do motor (veja as aletas no motor a gasolina, mais abaixo) e que é possível injetar água para resfriar os componentes internos. Além disso, no caso de injeção de água para arrefecimento, parte da energia é recuperada pelo vapor da água que aumenta a pressão na câmara de combustão.
Apesar do conceito do ciclo híbrido ter funcionado na prática, estes ainda são os primeiros passos. Por ora os motores compactos podem ser soluções para uso militar — como por exemplo um gerador de energia elétrica que pode ser levado na mochila de um soldado —, tanto que a DARPA já investiu US$ 1 milhão para o desenvolvimento do X-Mini (o motor do kart a gasolina). Mas a Liquid Piston acredita que é possível produzir motores de até 1.000 cv baseados em seu novo ciclo com a combinação de mais rotores, como nos motores Wankel dos esportivos da Mazda. Se tudo correr como planejado, esses motores podem se tornar a combinação perfeita para os motores elétricos dos híbridos do futuro.