Desde a segunda metade do século 19, a tecnologia de escolha para impulsionar o automóvel tem sido o pistão alternativo, motor de ciclo Otto de ignição por faísca, seguido pelo diesel de ignição por compressão.

Após mais de um século de serviço, esses motores passaram por um desenvolvimento que resultou em melhorias significativas na eficiência de combustível, emissões reduzidas e desempenho total aprimorado.

No entanto, as ineficiências inerentes do motor alternativo usando a arquitetura biela-cambota do pistão levaram pensadores inovadores a experimentar alternativas que contradizem a sabedoria popular. Não só as perdas mecânicas são altas, mas o processo de combustão também é extremamente ineficiente.

Um design do século 19 pode ser revivido no século 21

Em 1816, o inventor escocês Robert Stirling produziu um motor de ciclo fechado onde o meio de trabalho, neste caso o ar, permanece dentro do motor enquanto a fonte de calor para combustão é externa ao motor.

Utilizando pares de pistões que operam juntos para fornecer um ciclo completo, o ar em uma câmara é aquecido por meio de transferência de calor através da parede do cilindro que força o pistão deslocador, ligado a um segundo pistão de potência na câmara de expansão, a acelerar.

O ar aquecido continua a se expandir, deslocando o pistão de força, que por sua vez aciona um virabrequim. À medida que o ar esfria, ambos os pistões voltam às suas posições originais e o processo se repete.

Até recentemente, os motores Stirling eram usados ​​principalmente para aplicações estacionárias. No entanto, a capacidade de funcionar com combustíveis alternativos reavivou o interesse, especialmente como unidades de potência de extensão de alcance, onde a operação em velocidade constante e baixo ruído devido à combustão externa são de interesse.

Praticamente todos os motores operaram em um ciclo Otto de dois ou quatro tempos, onde todo o ciclo de combustão ocorre dentro de qualquer número de cilindros individuais. Durante este ciclo, cada cilindro passa pelas fases de admissão, compressão, potência e exaustão.

A ideia do ciclo dividido, em que a compressão ocorre em um cilindro enquanto um segundo lida com potência e exaustão, remonta ao final do século 19: embora com muito pouco sucesso.

100Kw por litro de um protótipo de motor de ciclo dividido Scuderi

O Scuderi Group levou quase US$ 65 milhões para desenvolver um protótipo que o presidente, Sal Scuderi, espera que reviva a sorte do ciclo dividido.

Cada módulo do motor consiste em dois cilindros e pistões unidos através de um virabrequim e passagem cruzada de alta pressão. Como apenas o ar está sendo comprimido no primeiro cilindro, uma taxa de compressão de 75:1 pode ser usada.

A válvula de saída do cilindro de compressão permite que o ar de alta pressão flua para a passagem cruzada, onde ocorre algum resfriamento.

À medida que a entrada do segundo cilindro se abre, o ar de alta pressão carrega o cilindro de potência onde o combustível é injetado e inflamado a cerca de 15 graus além do ponto morto superior. Esse tempo é crítico para garantir que o ar não seja recomprimido, melhorando significativamente a eficiência termodinâmica geral.

Scuderi afirma que uma versão normalmente aspirada do motor é capaz de produzir até 100 Kw por litro, proporcionando melhor densidade de potência e menor consumo de combustível do que um motor convencional. Uma versão híbrida de ar usando um acumulador de alta pressão que é carregado durante a desaceleração do veículo pode melhorar ainda mais a eficiência em mais 50%.

O conceito Scuderi é compatível com operação de ignição por centelha a gasolina e combustíveis alternativos ou ignição por compressão com óleo diesel. O primeiro motor Scuderi funcional começou a ser testado em um dinamômetro em meados de 2009, e a empresa espera fechar um acordo de produção com uma montadora em um futuro próximo.

Com a indústria se concentrando na redução de peso para atender à legislação de emissões cada vez mais rigorosa, o Duke Axial Engine da Nova Zelândia é mais leve, mais compacto e já um pouco mais potente do que o motor convencional equivalente típico.

Um motor axial revolucionário para liderar o caminho?

A Duke Engines desenvolveu um protótipo de motor axial que dispensa completamente as válvulas, ao mesmo tempo em que fornece excelente potência e torque de uma unidade significativamente menor, mais leve e mais simples do que os atuais motores de combustão interna.

A mula de teste de 3 litros e cinco cilindros da Duke Engines oferece 160 Kw e 340 Nm de torque a 4.500 rpm; já uma melhoria em relação aos dois motores de referência convencionais de 3 litros, que são 20 por cento mais pesados ​​e ocupam três vezes o volume de embalagem.

O design inovador da porta sem válvula parece estar no caminho certo para oferecer desempenho superior, maior compressão e maior eficiência em um pacote extremamente compacto e leve com muito menos peças móveis do que os motores convencionais.

Sendo um projeto axial, os cinco cilindros circundam o eixo de acionamento e correm paralelamente a ele, com os pistões acionando um reciprocador em forma de estrela. Isso atua em torno do eixo de acionamento, semelhante a uma moeda giratória parando sobre uma mesa.

O ponto central do reciprocador aciona o eixo de acionamento central, que gira na direção oposta ao reciprocador. “Essa contra-rotação mantém o equilíbrio”, diz o cofundador da Duke, John Garvey. “Se você colocar a mão sobre ele enquanto está funcionando, você mal consegue detectar qualquer movimento; é bastante notável.”

Com tantos golpes de potência por revolução quanto um motor de seis cilindros, o motor axial proporciona uma enorme economia de peso e uma redução notável no número de peças do motor. Em vez de válvulas de admissão e escape operadas mecanicamente ou pneumaticamente, os cilindros giram passando pelas portas de admissão e saída em um anel de cabeça estacionário.

Durante a operação, os cilindros deslizam por cada porta ou vela de ignição, que também são montadas no anel estacionário, no estágio do ciclo em que é necessário. Ao fazer isso, o Duke elimina toda a complexidade do controle de válvulas e consegue fazer funcionar um motor de cinco cilindros com apenas três velas de ignição e três injetores de combustível.

O motor mostrou excelente resistência à pré-ignição, em parte porque seus cilindros tendem a funcionar mais frios do que motores comparáveis: mesmo com taxas de compressão tão altas quanto 14:1 funcionando com gasolina comum de 91 octanas.

Este desempenho indica que os combustíveis alternativos podem trazer melhorias de desempenho adicionais. Em uma entrevista de 2012, Garvey disse que “nós o trocamos por querosene um dia e ele funcionou imediatamente; bem como, se não melhor, do que estava funcionando com gasolina”.

Tendo desenvolvido o motor a ponto de estar pronto para ser comercializado, a pequena empresa neozelandesa ainda está sem financiamento. Embora o mecanismo seja adequado para uma ampla gama de funções, a empresa precisa de um parceiro de financiamento para desenvolvê-lo para um nicho que possa maximizar as vantagens.

A maioria dos motores de automóveis hoje são bastante semelhantes. Mesmo os que chamaríamos de diferentes, como os seis chatos da Porsche ou os dois cilindros da Fiat, seguem princípios de engenharia testados e comprovados que dominaram a indústria nos últimos 150 anos. No entanto, alguns dos motores não-conformistas apresentam questões muito interessantes sobre os projetos e tecnologias existentes.