COMO FUNCIONA O FREIO ABS

ntrodução

Parar um automóvel repentinamente em uma rua escorregadia pode ser desafiador. Os sistemas de freios antitravamento (ABS, anti-lock braking system) diminuem o desafio dessa situação muitas vezes enervante. Em superfícies escorregadias, mesmo motoristas profissionais não conseguem parar tão rapidamente sem o sistema ABS se comparado a um motorista comum que conta com esse sistema.

Localização dos componentes do freio antibloqueio

Neste artigo, aprenderemos tudo sobre sistemas de freios antitravamento: por que você precisa deles, o que há neles, como funcionam, alguns tipos comuns e alguns problemas associados a ele.
Entendendo o conceito ABSEntender a teoria dos freios antitravamento é simples. Uma roda que desliza (a área da pegada do pneu escorrega em relação à estrada) tem menos aderência que uma roda que não está deslizando. Se você já ficou imobilizado no gelo ou na lama, sabe que se as rodas estão girando em falso, você não tem tração, o carro não sai do lugar. Isso acontece porque a área de contato está deslizando em relação ao solo (veja Como funcionam os freios para maiores detalhes). Ao evitar o deslizamento das rodas durante a frenagem, os freios antitravamento beneficiam você de duas maneiras: você irá parar mais rápido e será capaz de mudar a trajetória do carro enquanto freia.
Existem quatro componentes principais em um sistema ABS:

• sensores de velocidade
• bomba
• válvulas
• unidade controladora

Bomba do freio antitravamento e válvulas

Sensores de rotação
O sistema de frenagem antitravamento precisa saber, de alguma maneira, quando uma roda está prestes a travar. Os sensores de rotação, que estão localizados em cada roda ou, em alguns casos, no diferencial, fornecem essa informação.
Válvulas
Existe uma válvula na tubulação de cada freio controlado pelo ABS. Em alguns sistemas, as válvulas têm três posições:

• a posição um, a válvula está aberta; a pressão do cilindro-mestre é passada direto até o freio;
• na posição dois, a válvula bloqueia o tubo, isolando o freio do cilindro-mestre. Isso previne que a pressão suba mais caso o motorista pressione o pedal do freio com mais força;
• na posição três, a válvula libera um pouco da pressão do freio.

Bomba
Uma vez que a válvula libera a pressão dos freios, deve haver uma maneira de repor aquela pressão. É isso que a bomba faz: quando a válvula reduz a pressão num tubo, a bomba repõe a pressão.
Unidade controladora
A unidade controladora é um computador no automóvel. Ela monitora os sensores de rotação e controla as válvulas.
ABS em ação
Existem muitas variações e algoritmos de controle para sistemas ABS. Veremos aqui como funciona um dos sistemas mais simples.
A unidade controladora monitora os sensores de rotação o tempo todo. Ela procura por desacelerações das rodas que não são comuns. Logo antes de uma roda travar, ela passa por uma rápida desaceleração. Se a unidade controladora não percebesse essa desaceleração, a roda poderia parar de girar muito mais rapidamente do que qualquer carro pararia. Levaria cinco segundos para um carro parar, sob condições ideais a uma velocidade de 100 km/h, mas quando uma roda trava, ela pode parar de girar em menos de um segundo.
A unidade controladora do ABS sabe que uma aceleração tão rápida é impossível, por isso, ela reduz a pressão naquele freio até que perceba uma aceleração, então aumenta a pressão até que veja uma nova desaceleração. Isto pode acontecer bem rapidamente, antes que o pneu possa mudar de rotação de forma significativa. O resultado disso é que aquele pneu desacelera na mesma relação com o carro e os freios mantêm os pneus muito próximos do ponto onde eles começam a travar. Isso oferece ao sistema o máximo poder de frenagem.
Quando o sistema ABS estiver em operação você sentirá uma pulsação no pedal de freio; isso se deve à rápida abertura e fechamento das válvulas. Alguns sistemas ABS podem operar em períodos de até 15 ciclos por segundo.
Tipos de freios antitravamento
Os sistemas de frenagem antitravamento usam diferentes métodos, dependendo do tipo de freios em uso. Iremos nos referir a eles pelo número de canais - isto é, quantas válvulas são individualmente controladas - e o número de sensores de velocidade.

• Quatro canais, quatro sensores ABS - este é o melhor método. Há um sensor em todas as rodas e uma válvula separada para cada uma. Com essa configuração, a unidade controladora monitora cada roda individualmente para assegurar a máxima potência de frenagem.
• Três canais, três sensores ABS - este método, comumente encontrado em caminhonetes com ABS nas quatro rodas, tem um sensor de velocidade e uma válvula para cada roda dianteira, com uma válvula e um sensor para as duas rodas traseiras. O sensor de rotação para as rodas traseiras está localizado no eixo traseiro. Este sistema fornece controle individual das rodas dianteiras, assim ambas podem alcançar a potência máxima de frenagem. As rodas traseiras, entretanto, são monitoradas juntas; elas precisam começar a travar antes que o ABS seja ativado na traseira. Com este sistema, é possível que uma das rodas traseiras trave durante uma parada, reduzindo a eficiência da freada.
  
• Um canal, um sensor ABS - este sistema é bastante comum em caminhonetes com ABS nas rodas traseiras. Possui apenas uma válvula, a qual controla ambas as rodas traseiras, e um sensor de rotação situado no eixo traseiro. Este sistema opera na parte traseira da mesma maneira que um sistema de três canais. As rodas traseiras são monitoradas juntas e ambas precisam começar a travar para poder ativar o sistema ABS. Neste sistema também é possível que uma das rodas traseiras trave, reduzindo a eficiência da freada.
  Este sistema é fácil de identificar. Geralmente há uma tubulação de freio correndo ao longo de uma peça em "T" ajustada para ambas as rodas traseiras. Você pode localizar o sensor de rotação procurando por uma conexão elétrica próxima ao diferencial na carcaça do eixo traseiro.

Perguntas sobre ABS

• Eu devo bombear o pedal de freio quando estiver freando em pistas escorregadias?
  Você não deve, em absoluto, bombear o pedal de freio num automóvel com freios ABS. Bombear o freio é uma técnica usada, às vezes, em condições escorregadias para permitir que as rodas destravem, de forma que o carro permaneça relativamente reto durante uma freada. Em primeiro lugar, em um carro com ABS as rodas nunca devem travar, então bombear os freios iria apenas fazer com que você levasse mais tempo para parar. Em uma freada de emergência num carro com ABS, você deve pressionar o pedal de freio firmemente e segurá-lo enquanto o ABS faz todo o trabalho. Você sentirá uma trepidação no pedal que pode ser bastante violenta, mas isso é normal, portanto, não libere o freio.
  
• Os freios antitravamento realmente funcionam?
  Os freios antitravamento ajudam a parar melhor. Eles previnem o travamento das rodas e proporcionam uma distância de frenagem mais curta em superfícies escorregadias. Mas eles realmente previnem acidentes?  O Instituto de Seguros para Segurança no Trânsito (em inglês) ou IIHS (Insurance Institute for Highway Safety) conduziu diversos estudos tentando determinar se os automóveis equipados com ABS estão envolvidos em mais ou menos acidentes fatais. Ocorreu que em um estudo de 1996, carros equipados com ABS mostraram ter igual probabilidade de carros sem ABS se envolverem em acidentes fatais. O estudo revelou que mesmo que seja pouco provável carros com ABS se envolverem em acidentes que sejam fatais para os ocupantes do outro carro, há maior probabilidade de ser fatal para os ocupantes do carro com ABS, especialmente em acidentes de um carro só.
  Há muita especulação sobre as razões disso. Algumas pessoas acham que os motoristas de carros equipados com ABS usam os freios incorretamente, tanto por bombear os freios quanto por liberá-los quando sentem a pulsação do sistema. Alguns acham que, uma vez que o ABS permite ao motorista mudar a trajetória do automóvel durante a freada de emergência, muitos saem da estrada e batem com o carro.
  Algumas informações mais recentes podem indicar que a taxa de acidentes para automóveis com ABS está mais baixa, mas ainda não há evidência de que os ABS realmente melhorem a segurança.

Para mais informações a respeito de freios antitravamento e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.

FAZENDO A MANUTENÇAO DO SEU FREIO

Fazendo manutenção em seus freios

O tipo de necessidade mais comum na manutenção de freios é a troca das pastilhas. As pastilhas do freio a disco normalmente têm uma peça de metal chamada indicador de desgaste.

Foto: cortesia de uma loja Autozone Pastilha de freio a disco

Quando muito material de atrito está gasto, o indicador de desgaste vai contatar o disco e produzir um som agudo. Isso significa que é hora de pôr pastilhas novas.
Também há uma abertura para inspeção na pinça para que você possa ver quanto material de atrito resta nas pastilhas de freio.

A abertura para inspeção do freio a disco

Às vezes, aparecem riscos profundos nos discos do freio. Isso pode acontecer se uma pastilha de freio gasta demais é deixada por muito tempo no carro. Os discos do freio podem também perder sua planicidade. Se isto acontecer, os freios podem trepidar ou vibrar quando você freia. Os problemas podem ser resolvidos por retífica (também chamada de usinagem ou torneamento) dos discos. Um pouco de material de ambos os lados dos discos é removido para restaurar a lisura e a planicidade da superfície.
A retífica não é exigida cada vez que as pastilhas são substituídas. Você só precisa fazê-lo se as superfícies estiverem empenadas ou muito riscadas. Retificar os discos mais freqüentemente que o necessário reduzirá sua duração. Isto acontece porque o processo remove material dos discos de freio, que ficam mais finos a cada vez que são usinados. Todos os discos de freio têm uma especificação de espessura mínima permitida antes de precisarem ser substituídos. Esta especificação pode ser encontrada no manual da reparação de cada veículo.
Para mais informações sobre freios a disco e tópicos relacionados, veja os links na próxima página.

COMO FUNCIONA O FREIO A DISCO

Introdução

A maioria dos carros modernos tem freios a disco nas rodas dianteiras, podendo também ser encontrados nas rodas traseiras. Esta é a parte do sistema de freios que realmente faz o carro parar.

Freio a disco

O tipo mais comum de freio a disco nos carros modernos é o de pinça flutuante de um pistão. Neste artigo, vamos aprender tudo sobre o desenho deste modelo de freio a disco.

Fundamentos do freio a disco

Eis a localização dos freios a disco em um carro:

Localização dos freios a disco

Os principais componentes de um freio a disco são:

• As pastilhas de freio
• A pinça, que contém um pistão
• O disco, que é montado no cubo

Partes de um freio a disco

O freio a disco é muito parecido com o freio de uma bicicleta. Os freios de uma bicicleta têm um pinça, que comprime as sapatas de freio contra o aro de roda. Em um freio a disco, as pastilhas de freio comprimem o disco, em vez da roda, e a força é transmitida hidraulicamente em vez de através de um cabo. O atrito entre as pastilhas e o disco reduzem a velocidade deste último.
Um carro em movimento tem uma certa quantidade de energia cinética e os freios têm que remover esta energia do carro para que possam fazê-lo parar. Como é que os freios fazem isso? Cada vez que você freia o carro, os  freios convertem a energia cinética em calor, gerado pelo atrito entre as pastilhas e o disco.  Por isso, na maioria dos freios a disco dos carros, os discos são ventilados.

Ventilação dos freios a disco

Os freios a disco ventilados têm um conjunto de palhetas, entre os dois lados do disco, que bombeiam o ar pelo interior do disco para prover o resfriamento.

Freios auto-ajustáveis

O freio a disco de pinça flutuante de um pistão é auto-centrante e auto-ajustável. A pinça é capaz de deslizar de um lado para o outro e se move para o centro cada vez que os freios são usados. Considerando ainda que não há mola para afastar as pastilhas do disco, elas sempre ficam em leve contato com ele (a vedação de borracha do pistão e qualquer empeno no disco podem afastar as pastilhas a uma pequena distância do disco). Isto é importante porque os pistões nos freios têm diâmetro muito maior do que os do cilindro-mestre. Se os pistões de freio se retraem para dentro dos seus cilindros, isso pode exigir diversas aplicações do pedal do freio para bombear fluido suficiente ao cilindro de freio, de modo que as pastilhas de freio readquiram contato com o disco.

Auto-ajuste do freio de disco Os carros mais antigos tinham pinças com dois ou quatro pistões. Um pistão (ou dois) em cada lado do disco empurrava a pastilha naquela direção. Este sistema foi amplamente eliminado porque os carros projetados com apenas um pistão são mais baratos e mais duráveis.

Freios de estacionamento

Em carros com freios a disco nas quatro rodas, um freio de estacionamento tem de ser acionado por um mecanismo separado, em caso de falha total dos freios primários. A maior parte dos carros usa um cabo para ativar o freio de estacionamento.

Freio a disco com freio de estacionamento

Alguns carros com freios de disco nas quatro rodas têm um freio a tambor separado, integrado ao cubo das rodas traseiras. Este freio de tambor é apenas para o sistema de emergência do freio e é ativado  pelo cabo; ele não possui mecanismos hidráulicos.
Outros carros têm uma alavanca que gira um parafuso, ou ativa um ressalto, que pressiona o pistão do freio a disco.

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COMO FUNCIONA A DIREÇÃO DO CARROS

COMO FUNCIONA A DIREÇÃO DO CARROS

Você sabe que ao virar o volante do seu carro, as rodas mudam de direção. É só uma questão de causa e efeito, certo? Mas uma série de coisas interessantes acontecem entre o volante e os pneus para que isso ocorra.

Neste artigo, veremos como funcionam os dois sistemas de direção mais comuns dos carros:  pinhão e cremalheira e esferas recirculantes. Em seguida, examinaremos a direção assistida descobrindo futuros desenvolvimentos interessantes nos sistemas de direção, resultantes, em sua maioria, da necessidade de reduzir o consumo de combustível dos carros. Mas primeiro veremos o que faz um carro mudar de direção. Não é tão simples quanto você imagina!

Mudando de direção

Você ficará surpreso ao saber que, ao virar o volante de seu carro, as rodas dianteiras não apontam na mesma direção.

Para um carro realizar uma curva suavemente, cada roda deve seguir um círculo diferente. Como a roda interna segue um círculo com raio menor, na verdade ela faz uma curva mais fechada do que a roda externa. Se você desenhar uma linha perpendicular a cada roda, as linhas irão se interceptar no ponto central da curva. A geometria dos elementos de transmissão de movimento da direção faz com que a roda interna esterce mais do que a roda externa.

Há tipos diferentes de mecanismos de direção. O mais comum são o tipo pinhão e cremalheira e a de esferas recirculantes.

Direção de pinhão e cremalheira

A direção de pinhão e cremalheira está se tornando rapidamente o tipo mais comum de direção nos carros, caminhonetes e utilitários esportivos. Ela é realmente um mecanismo bastante simples. Um conjunto de engrenagens de pinhão e cremalheira é encerrado em um tubo metálico, com cada extremidade da cremalheira saindo do tubo. Uma haste, chamada barra de direção, se conecta a cada extremidade da cremalheira.

O pinhão é fixado à árvore de direção. Quando você vira o volante, o pinhão gira e movimenta a cremalheira. A barra de direção em cada extremidade da cremalheira se conecta ao braço de direção na manga de eixo (veja o diagrama acima).

O conjunto de engrenagens de pinhão e cremalheira faz duas coisas:

• converte o movimento de rotação do volante de direção no movimento linear necessário para girar as rodas;
• proporciona uma redução por engrenagens, o que facilita virar as rodas.

Na maioria dos carros, são necessárias três ou quatro voltas completas do volante para fazer com que as rodas se movam de batente a batente (de totalmente à esquerda para totalmente à direita).

A relação de direção é a relação entre o tanto que você gira o volante e o tanto que as rodas giram. Por exemplo, se uma volta completa (360 graus) do volante resulta em um giro das rodas do carro em 20 graus, então a relação de direção corresponde a 360 dividido por 20, ou 18:1. Uma relação mais alta significa que você tem de girar o volante mais vezes para que as rodas girem um determinado número de graus. No entanto, será necessário um menor esforço por causa da relação de transmissão das engrenagens mais alta.

Geralmente, carros esportivos mais leves têm relações de direção mais baixas do que as de carros maiores e caminhões. A relação mais baixa proporciona uma resposta mais rápida (você não tem de girar tanto o volante para que as rodas girem um determinado número de graus), o que é desejável em carros esportivos. Esses carros menores são leves o suficiente para que o esforço requerido para girar o volante seja adequado, mesmo com relação de direção mais baixa.

Alguns carros têm direção de relação variável, que usa um conjunto de pinhão e cremalheira com dentes de passo (número de dentes por centímetro) diferente no centro e nas extremidades. Isso torna a resposta do carro mais rápida ao iniciar uma curva (a cremalheira está próxima ao centro) e também reduz o esforço necessário nas proximidades dos limites de esterçamento das rodas.

Direção hidráulica de pinhão e cremalheira

Quando pinhão e cremalheira se encontram em um sistema de direção assistida hidráulica, o desenho da cremalheira é um pouco diferente.

Parte da cremalheira contém um cilindro com um pistão na porção intermediária. O pistão está conectado à cremalheira. Há duas entradas de fluido, uma de cada lado do pistão. O fornecimento de fluido sob alta pressão força o movimento do pistão a um lado, o que por sua vez movimenta a cremalheira, proporcionando assistência hidráulica.

Vamos conferir neste artigo os componentes que fornecem fluido sob alta pressão, assim como aqueles que decidem para qual lado da cremalheira devem fornecê-lo. Primeiro, vamos dar uma olhada em outro tipo de direção.

Direção de esferas recirculantes

A direção de esferas recirculantes é usada em muitos caminhões e utilitários esportivos atualmente. A articulação que gira as rodas é ligeiramente diferente do sistema de pinhão e cremalheira.

O mecanismo de direção por esferas recirculantes contém uma engrenagem sem-fim. Você pode imaginar a engrenagem em duas partes. A primeira parte é um bloco de metal com furo rosqueado. Esse bloco possui dentes de engrenagem em seu lado externo, os quais se acoplam na engrenagem que movimenta o braço pitman (veja o diagrama acima). O volante de direção se conecta a uma haste com rosca similar a um parafuso que se encaixa no furo do bloco. Quando o volante gira, o sem-fim gira com ele. Em vez de girar e penetrar ainda mais no bloco, como faria um parafuso comum, este é mantido fixo de modo que, quando ele gira, move o bloco, o qual movimenta a engrenagem que gira as rodas.

Em vez de o parafuso fazer contato direto com a rosca no bloco, todos os filetes são preenchidos com esferas que recirculam através da engrenagem enquanto ela gira. Na verdade, as esferas atendem a duas finalidades: primeiro, elas reduzem o atrito e o desgaste da engrenagem, em segundo lugar, elas reduzem a folga de engrenamento. Essa folga seria sentida quando você mudasse a direção do volante. Sem as esferas, os dentes perderiam o contato uns com os outros por um momento, dando a impressão que o volante estivesse solto.

A direção assistida hidráulica em um sistema de esferas recirculantes funciona de modo similar ao sistema de pinhão e cremalheira. A assistência se dá através do fornecimento de fluido sob alta pressão a um lado do bloco.

Agora vamos dar uma olhada nos outros componentes que compõem um sistema de assistência de direção.

A assistência hidráulica

Há alguns componentes fundamentais da assistência de direção hidráulica, além do mecanismo de pinhão e cremalheira ou de esferas recirculantes.

Bomba

A energia hidráulica para a direção é fornecida por uma bomba rotativa de palhetas (veja o diagrama abaixo). Essa bomba é acionada pelo motor do carro por meio de uma polia e correia. Ela contém um conjunto de palhetas retráteis que giram no interior de uma câmara oval.

À medida que as palhetas giram, elas sugam o fluido hidráulico sob baixa pressão da linha de retorno e o forçam para a saída sob alta pressão. A vazão fornecida pela bomba depende da rotação do motor do carro. A bomba deve ser projetada para fornecer uma vazão adequada quando o motor estiver em marcha lenta. Como resultado, a bomba movimenta muito mais fluido do que o necessário quando o motor funciona em rotações mais elevadas.

A bomba contém uma válvula de alívio de pressão para assegurar que a pressão não se eleve em excesso, especialmente em altas rotações do motor quando muito fluido é bombeado.

Válvula rotativa

Um sistema de direção hidráulica deve fornecer assistência ao motorista somente quando ele exerce uma força sobre o volante (como quando inicia uma curva). Quando o motorista não faz força (como quando ele dirige em linha reta), o sistema não deve fornecer nenhuma assistência. O dispositivo que monitora a força exercida no volante de direção chama-se válvula rotativa.

O fundamental na válvula rotativa é a barra de torção. A barra de torção é uma fina haste metálica que se torce quando um torque é aplicado a ela. A parte superior da barra está conectada ao volante e a parte inferior é conectado ao pinhão ou à engrenagem sem-fim (que vira as rodas), de modo que a quantidade de torque que atua na barra de torção é igual à quantidade de torque que o motorista utiliza para virar as rodas. Quanto mais torque o motorista usa para girar as rodas, maior será a torção da barra.

A entrada a partir da árvore de direção forma a parte interna de um conjunto de válvula-carretel. Ela também se conecta à extremidade superior da barra de torção. A parte inferior da barra de torção se conecta à parte externa da válvula-carretel. A barra de torção também gira a saída da engrenagem de direção, se conectando ao pinhão ou a engrenagem sem-fim, dependendo do tipo de direção do carro.

À medida que a barra se torce, ela gira o interior da válvula-carretel em relação ao lado externo. Como a parte interna da válvula carretel também está conectada á arvore de direção (e portanto ao volante de direção), a quantidade de rotação entre as partes interna e externa da válvula-carretel depende de quanto torque o motorista aplica ao volante.

Quando o volante não está sendo virado, ambas as linhas hidráulicas fornecem a mesma quantidade de pressão à engrenagem da direção. Mas se a válvula-carretel é virada em um sentido ou outro, as passagens se abrem para fornecer fluido sob alta pressão à linha apropriada.

Acontece que esse tipo de sistema de direção assistida é bastante ineficiente. Vamos dar uma olhada em alguns avanços dos próximos anos que ajudarão a melhorar a eficiência.

O futuro da direção assistida

Como a bomba da direção assistida na maioria dos carros atuais funciona constantemente, bombeando fluido o tempo todo, ela desperdiça potência. Essa potência desperdiçada se traduz em desperdício de combustível.

Você verá diversas inovações que reduzirão o consumo de combustível. Uma das idéias mais legais na prancheta dos projetistas é o sistema "steer-by-wire" ou "drive-by-wire". Esses sistemas eliminarão completamente a conexão mecânica entre o volante e a caixa de direção, substituindo-a por um sistema de controle puramente eletrônico. Essencialmente, o volante funcionaria como aquele que você utiliza para jogar em seu computador. Ele conteria diversos sensores que informariam ao carro o que o motorista está fazendo ao volante, e alguns motores elétricos embutidos proporcionariam o retorno de informações ao motorista sobre o que o carro está fazendo. A saída desses sensores seria usada para controlar um sistema de direção motorizado. Isso eliminaria a árvore de direção e livraria espaço no compartimento do motor, além de reduzir a vibração no interior do carro.

Nos últimos cinqüenta anos, os sistemas de direção dos carros não mudaram muito. Mas na próxima década, veremos avanços na direção dos carros que resultarão em carros mais eficientes e em rodar mais confortável.

como funciona um motor

Fundamentos dos motores
Para ver como funciona um motor quasiturbine, precisamos entender alguns princípios básicos dos motores.

O princípio básico de qualquer motor de combustão interna é simples: se colocarmos em um espaço confinado uma pequena quantidade de ar e um combustível altamente energético, como a gasolina, a ignição da mistura fará o gás se expandir rapidamente e liberará uma quantidade de energia incrível.

A meta de um motor é converter a energia desse gás em expansão em um movimento rotativo (giratório). No caso dos motores dos carros, a meta específica é fazer com que um virabrequim, também chamado árvore de manivelas, gire rapidamente. O virabrequim é conectado a vários componentes que transmitem o movimento rotativo para as rodas do automóvel.

Para controlar a energia do gás que se expande é necessário fazer o motor passar por um ciclo de eventos que provocam muitas explosões pequenas. Nesse ciclo de combustão, o motor deve:

• deixar a mistura de combustível e ar em uma câmara
• comprimir a mistura do combustível com o ar
• fazer a ignição do combustível para criar uma explosão
• liberar o escapamento (que pode ser visto como um subproduto da explosão).

O ciclo é, então, reiniciado.

Como funciona os motores explica detalhadamente este funcionamento para um motor convencional a pistão. Essencialmente, o ciclo de combustão força um pistão para cima e para baixo fazendo o virabrequim girar.

Enquanto um motor de pistão é o tipo mais comum usado pelos carros, o motor quasiturbine opera mais como um motor rotativo. Em vez de usar o pistão como um típico motor de carro, um motor rotativo usa um rotor triangular para chegar ao ciclo de combustão. A pressão de combustão é contida em uma câmara formada de um lado pela parte da carcaça e, do outro, pela face do rotor triangular.

O rotor, ao se movimentar, conserva cada uma de suas três arestas em contato com a carcaça, criando três volumes de gás separados. Quando o rotor se move em torno da câmara, cada um dos três volumes de gás, alternadamente, expande e contrai. Esta expansão e contração é que aspira ar e combustível para dentro do motor, faz a compressão da mistura e produz potência útil à medida que os gases se expandem, para depois serem expelidos (veja Como funcionam os motores rotativos para mais informação).

Fundamentos do quasiturbine
O quasiturbine foi patenteado em 1996 pela família Saint-Hilaire. O conceito do motor quasiturbine foi o resultado de uma pesquisa que começou com uma avaliação intensa de todos os conceitos de motor visando descobrir as vantagens, desvantagens e oportunidades de melhoria de cada modelo. Durante esse processo exploratório, a equipe da Saint-Hilaire chegou à conclusão de que a solução especial procurada deveria ser capaz de melhorar o motor Wankel normal, ou rotativo.

Como os motores rotativos, o motor quasiturbine é baseado em um projeto de rotor e carcaça. Mas em vez de três lâminas, o rotor quasiturbine tem quatro elementos interligados, com câmaras de combustão localizadas entre cada elemento e as paredes da carcaça.

Foto cortesia quasiturbine.com Projeto simples do quasiturbine

O rotor de quatro faces é a característica que distingue o quasiturbine do Wankel. Na realidade, existem duas maneiras diferentes de configurar esse projeto, um com patins e outro sem patins. Como veremos, neste caso o patim é apenas uma simples peça do maquinário.

Primeiramente, olhemos os componentes de um modelo mais simples de quasiturbine, a versão sem patins.

Quasiturbine simples
O modelo quasiturbine mais simples é bastante semelhante ao motor rotativo tradicional. Um rotor gira dentro de uma carcaça de forma quase oval. Entretanto, observe que o rotor quasiturbine tem quatro elementos em vez de três. Os lados do rotor fazem a vedação dos lados da carcaça e os cantos do rotor vedam sua periferia interna, criando nela quatro câmaras.

Em um motor a pistão, um ciclo completo de quatro tempos produz duas voltas completas do virabrequim (ver Como funciona o motor de carros). Isto significa que a potência produzida por um motor a pistão de apenas um dos quatro cursos do ciclo.

Um motor quasiturbine, por outro lado, não precisa de pistões. Em vez disso, os quatro tempos do motor de pistão típico são arranjados seqüencialmente em torno da carcaça oval. Não há necessidade de virabrequim para executar a conversão rotativa.

Este gráfico animado identifica cada ciclo. Observe que nessa ilustração a vela de ignição é localizada em uma das janelas da carcaça.

Neste modelo básico é muito fácil ver os quatro ciclos de combustão interna.

• Admissão, que aspira a mistura de combustível e ar.
• Compressão, que comprime a mistura de combustível e ar em um volume menor.
• Combustão, que usa a centelha da vela de ignição para inflamar o combustível.
• Escapamento, que expele os gases queimados (subprodutos da combustão) do motor.

Os motores quasiturbine com patins funcionam mediante a mesma idéia básica desse projeto simples, tendo modificações de projeto que tornam possível a ocorrência da fotodetonação. A fotodetonação é um modo de combustão superior, que exige mais compressão e robustez daquelas que podem ser fornecidas por motores de pistão ou rotativos.

Fotodetonação
Os motores de combustão interna são classificados em quatro categorias, que se baseiam em como o ar e o combustível são misturados na câmara de combustão e em como o combustível entra em ignição.

Quatro tipos de motores de combustão interna

Tipo de ignição Mistura ar-combustível homogênea Mistura ar-combustível heterogênea Ignição por centelha Tipo I Motor a gasolina Tipo II Motor a gasolina de injeção direta (GDI) Ignição por aquecimento Tipo IV Motor de Fotodetonação Tipo III Motor a diesel

Tipo I - abrange os motores nos quais o ar e o combustível se misturam plenamente para formar uma mistura homogênea. Quando a cetelha inflama o combustível, uma chama de alta temperatura passa pela mistura e queima o combustível que encontra pelo caminho. Este, claro, é o motor a gasolina.

Tipo II - o motor de injeção direta de gasolina usa parcialmente uma mistura de combustível e ar (uma mistura heterogênea), em que a gasolina é injetada diretamente no cilindro em vez de no duto de admissão. Uma vela de ignição inicia então a queima da mistura que, quanto mais queima, menos resíduos gera.

No Tipo III, o ar e o combustível são misturados parcialmente na câmara de combustão. Essa mistura heterogênea é formada pela injeção de combustível depois que o ar está bem aquecido por efeito de compressão, que faz com que a auto-ignição ocorra. O motor Diesel opera desta forma.

Finalmente, no Tipo IV, as melhores qualidades dos motores à gasolina e diesel são combinadas. Uma pré-mistura de ar e combustível passa por uma grande compressão até que o combustível entre em auto-ignição. Isso é o que ocorre em um motor de foto-detonação. Pelo fato dele usar carga homogênea e ignição por compressão, muitas vezes é descrito como um motor HCCI . A combustão por HCCI (ignição por compressão de carga homogênea) resulta em combustão teoricamente sem emissões e em eficiência superior no consumo de combustível. Isso é conseqüência dos motores de foto-detonação queimarem completamente o combustível: ou não deixam resíduos de hidrocarbonetos para serem tratados por um catalisador, ou expelem simplesmente no ar.

Fonte: Green Car Congress

Naturalmente, a alta pressão exigida pela fotodetonação impõe um esforço significativo no motor propriamente dito. Os motores a pistão não podem resisitir ao violento esforço da detonação. E os motores rotativos tradicionais como o Wankel, que possuem longas câmaras de combustível que limitam a compressão a ser obtida, são incapazes de produzir o ambiente de alta pressão necessário para que a fotodetonação ocorra.

Surge assim o quasiturbine com patins. Somente este projeto é suficientemente forte e compacto o bastante para resistir ao esforço da fotodetonação e permitir a taxa de compressão mais alta, necessária para que ocorra a auto-ignição pelo ar aquecido.

Na seqüência, veremos os principais componentes desse projeto.

Quasiturbine com patins

Apesar de sua maior complexidade, o motor quasiturbine com patins ainda tem projeto relativamente simples. A seguir são descritas suas peças. 

A carcaça (estator), praticamente oval e conhecida como "rinque de patinação de Saint-Hilaire," constitui a cavidade na qual gira o rotor. A carcaça contém quatro janelas:

• uma janela onde a vela de ignição fica normalmente (a vela de ignição pode ser colocada na cobertura da carcaça - veja abaixo);
• uma janela que é fechada com um tampão removível;
• uma janela para a admissão de ar;
• uma janela para escapamento dos gases de combustão.

Cada lado da carcaça é fechado por duas tampas. As tampas têm três janelas próprias que permitem flexibilidade máxima pela forma em que o motor é configurado. Por exemplo, uma das janelas serve como admissão para um carburador convencional, ou para receber a conexão de injetor de gasolina ou diesel, enquanto uma outra pode servir como localização alternativa para a vela de ignição. Uma das três janelas é uma grande saída para os gases de escapamento.

Como as várias janelas serão usadas dependerá do engenheiro automobilístico, que pode optar ou por um motor de combustão interna, ou por um que proporcione a superelevada compressão exigida pela fotodetonação.

O rotor, composto por quatro lâminas, substitui os pistões de um motor de combustão interna típico. Cada lâmina tem uma ponta de enchimento e entalhes de tração para receber os braços de acoplamento. A extremidade de cada lâmina termina com um pivô. A função do pivô é unir uma lâmina com a seguinte, formando uma conexão entre a lâmina e os patins que se movimentam em balanço. Para cada lâmina existem quatro patins. Cada transportador é livre para girar em torno do mesmo pivô, de modo que ele permaneça em contato com a parede interna da carcaça o tempo todo.

Cada patim trabalha juntamente com duas rodas, o que significa oito rodas ao todo. As rodas possibilitam ao rotor rolar suavemente sobre o perfil da superfície da carcaça, sendo largas para reduzir a pressão no ponto de contato.

O motor quasiturbine não precisa de uma árvore central para operar mas é claro que um carro necessita uma árvore de saída que transfira a potência do motor para as rodas. A árvore de saída está conectada ao rotor por dois braços de acoplamento, que se encaixam nos entalhes de tração, e quatro braços de ligação.

Colocando todas as partes juntas, o motor acaba parecido com isso:

Foto cortesia quasiturbine.com Motor quasiturbine com patins

Observe que o motor quasiturbine não tem nenhuma das complicadas peças de um típico motor a pistão. Não tem virabrequim, nem válvulas, pistões, hastes, balancins ou comando de válvulas. Há pouco atrito porque as lâminas do rotor "viajam" sobre patins e rodas, significando que o óleo e o cárter são desnecessários.

Agora que já conhecemos os principais componentes de um quasiturbine com patins, vejamos como tudo funciona ao mesmo tempo. Esta animação ilustra o ciclo da combustão:

Foto cortesia quasiturbine.com

A primeira coisa a notar é como as lâminas do rotor, ao girarem, mudam o volume das câmaras. Primeiramente o volume aumenta, o que permite expansão da mistura ar-combustível. A seguir o volume diminui, comprimindo a mistura que passa a ocupar um menor volume.

Em seguida, deve-se reparar como um curso de combustão termina exatamente quando o próximo está prestes a ser iniciado. Mediante um pequeno canal ao longo da parede interna da carcaça, próximo da vela de ignição, uma pequena quantidade de gás quente flui de volta para a câmara de combustão vizinha prestes a entrar em combustão, no momento em que as vedações de cada patim passam sobre o canal. O resultado é combustão contínua, bem semelhante ao que ocorre em uma turbina a gás de avião!

O resultado de tudo isso para o motor quasiturbine é o aumento da eficiência e do desempenho. As quatro câmaras produzem dois circuitos consecutivos. O primeiro é usado para compressão e expansão durante a combustão. O segundo serve para expelir os gases e captar o ar. Em uma volta do rotor, são criados os quatro tempos do motor. Isso é oito vezes mais o que se consegue com um típico motor a pistão! Nem mesmo um motor Wankel, que produz três tempos-motor para cada revolução do rotor, pode competir com o desempenho de um quasiturbine.

Vantagens e desvantagens
Obviamente, o aumento de produção de potência do motor quasiturbine o faz superior aos motores de pistão e Wankel, mas ele já resolveu muitos dos problemas apresentados pelo Wankel. Por exemplo, os motores Wankel levam a uma combustão incompleta da mistura ar-combustível e os hidrocarbonetos remanescentes são liberados pelo escapamento. O motor quasiturbine supera esse problema com sua câmara de combustão 30% mais curta. Isso significa que a mistura ar-combustível no quasiturbine passa por uma compressão maior e por uma queima mais completa. Também significa que, com menor quantidade de combustível não-queimado, o quasiturbine consome bem menos combustível.

Outras vantagens significativas do quasiturbine incluem:

• vibração zero porque o motor tem balanceamento perfeito;
• aceleração mais rápida sem a necessidade de um volante;
• maior torque em baixas rotações;
• operação praticamente sem lubrificação;
• menor nível de ruído;
• completa flexibilidade para operar totalmente submerso ou em qualquer direção, até de cabeça para baixo;
• poucas partes móveis, portanto, menos desgaste e quebras.

Finalmente, o quasiturbine pode funcionar com diversos combustíveis, incluindo o metanol, gasolina, querosene, gás natural e diesel. Pode até mesmo se adaptar ao hidrogênio como fonte de combustível, o que o torna em solução de transição ideal para carros evoluindo de combustão tradicional para combustíveis alternativos.

Aplicações no mundo real

Foto cortesia quasiturbine.com

Considerando que o moderno motor de combustão interna foi inventado por Karl Benz em 1886 e que passaram por quase 120 anos de aperfeiçoamentos de projeto, o motor quasiturbine ainda se encontra na infância. O motor não é usado em aplicações no mundo real que testariam sua adequação como substituto do motor a pistão (ou, a propósito, do motor rotativo). Ele ainda se encontra na fase de protótipo - só foi visto até hoje durante demonstração num kart em 2004. O quasiturbine pode levar décadas até ser uma tecnologia de motor competitiva.

No futuro, entretanto, é provável que vejamos o quasiturbine sendo usado para outros fins que não apenas o carro. Como a área central do motor é mais volumosa e não exige árvore central, ele pode acomodar geradores, hélices e outros equipamentos de potência, tornando-o ideal para equipar motosserras, pára-quedas motorizados, carros de neve, compressores de ar, sistemas de propulsão de navios e usinas geradoras de energia elétrica.

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