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WO2018195629A1 - Motor de ciclo combinado diesel e binário-isobárico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado - Google Patents

Motor de ciclo combinado diesel e binário-isobárico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado Download PDF

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WO2018195629A1
WO2018195629A1 PCT/BR2018/050125 BR2018050125W WO2018195629A1 WO 2018195629 A1 WO2018195629 A1 WO 2018195629A1 BR 2018050125 W BR2018050125 W BR 2018050125W WO 2018195629 A1 WO2018195629 A1 WO 2018195629A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cycle
isobaric
binary
diesel
adiabatic
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/BR2018/050125
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marno Iockheck
Saulo Finco
LUIS Mauro MOURA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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Original Assignee
ASSOCIACAO PARANAENSE DE CULTURA - APC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B73/00—Combinations of two or more engines, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a combined cycle thermal motor formed by one unit operating with the interconnected diesel cycle and integrated with the other unit operating the binary cycle of three isobaric processes and four adiabatic processes.
  • thermodynamics defines three concepts of thermodynamic systems, the open thermodynamic system, the closed thermodynamic system and the isolated thermodynamic system. These three concepts of thermodynamic systems were conceptualized in the nineteenth century in the early days of the creation of the laws of thermodynamics and underlie all motor cycles known to date.
  • thermodynamic system is defined as a system in which neither matter nor energy passes through it. Therefore, this concept of thermodynamic system does not offer properties that allow the development of motors.
  • the open thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which energy and matter can enter and leave this system.
  • Examples of an open thermodynamic system are the Otkins cycle Atkinson cycle internal combustion engines, Sabathe cycle Otto cycle diesel cycle, Brayton diesel cycle internal combustion engine, Rankine exhaust cycle from steam to the environment.
  • the materials that come into these systems are fuels and oxygen or fluid working gas or working gas.
  • the energy that enters these systems is heat.
  • the materials that come out of these systems are the combustion or working fluid exhaust, gases, waste, the energies that come out of these systems are the mechanical working energy and part of the heat dissipated.
  • the closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and leave this system.
  • Examples of closed thermodynamic systems are external combustion engines such as Stirling cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat cycle or external combustion, Carnot cycle.
  • the energy that enters this system is heat.
  • the energies that come out of this system are the working mechanical energy and part of the heat dissipated, but no matter comes out of these systems, as they do in the open system.
  • Combined-cycle motors known to date have been invented and designed by uniting in the same system two motor concepts conceived in the nineteenth century, based on open thermodynamic systems or closed thermodynamic systems, the best known are the combined cycles of a Brayton cycle engine with a Rankine cycle engine and the combined cycle of a Diesel cycle engine with a Rankine cycle engine.
  • the basic concept of a combined cycle is a system composed of a motor operating by means of a high temperature source so that the heat waste of this motor is the energy that drives a second motor that requires a lower temperature of operation, both forming a combined system of converting thermal energy into mechanical energy for the same common purpose.
  • the current state of the art reveals combined cycles formed by a Brayton or Diesel cycle main engine running on a main source with a temperature of over 1000 ° C and exhaust gases in the range between 600 ° C and 700 ° C and these gases are in turn piped to power another Rankine cycle engine, usually "organic Rankine" (ORC).
  • ORC Rankine cycle engine
  • the conventional Rankine cycle has water as its working fluid, the organic Rankine cycle uses organic fluids, these are more suitable for projects at lower temperatures than those with the conventional Rankine cycle, so they are usually used in combined cycles.
  • thermodynamic system the so-called hybrid thermodynamic system
  • this new system concept has become the basis of support for new motor cycles, motors.
  • differential cycle motors and non-differential binary cycle motors so that these new motor cycles have significant advantages for the creation of new combined cycles.
  • Combined cycles of a Brayton cycle engine with a differential cycle motor, Brayton cycle engine with a binary cycle engine, Diesel cycle engine with a differential cycle engine, Diesel cycle engine with a binary cycle motor can be exemplified.
  • Otto cycle motor with a differential cycle motor Otto cycle motor with a binary cycle motor and some other variations.
  • the aim of the invention is to eliminate some of the existing problems, minimize other problems and offer new possibilities.
  • a new concept of thermal motors has become indispensable and the creation of new motor motors is necessary. engine efficiency would no longer be dependent solely on temperatures.
  • Combined cycle motors are characterized by having two separate thermodynamic units integrated forming a system such that the energy disposed of by the main unit is the power source of the secondary unit and both have an integration of the final mechanical work.
  • thermodynamic unit formed by a diesel cycle engine 31 which performs a four-process diesel cycle and a binary-isobaric-adiabatic cycle turbine engine 320 which performs a three-process isobaric cycle. and four adiabatic processes, and so that the input energy by combustion performs an isobaric expansion process in the Diesel cycle unit, an isochoric cooling process when the exhaust goes straight to the environment or isobaric or adiabatic when using heat exchangers.
  • other purposes which provides energy for the isobaric process of expansion of the binary cycle unit, this in turn performs an isobaric cooling process giving to the environment the energy that the system together has not converted to work and so that both cycles have a conversion to common final work.
  • the present invention brings important developments for the conversion of thermal energy to mechanics by the concept of the combination of two distinct thermodynamic cycles.
  • the vast majority of combined cycles have as their secondary engine a Rankine or organic Rankine cycle steam turbine engine.
  • Figure 1 shows that the Rankine cycle has losses inherent in the concept of the processes that form its cycle, not allowing a significant portion of energy to be converted into work.
  • the Rankine and Organic Rankine cycles require the exchange of the physical phase of the working gas, that is, there is a liquid process phase requiring condensing elements, evaporation and auxiliary pump systems, and all these elements and processes impose losses and impossibility. to utilize the energies of these phases in conversion.
  • torque-isobaric-adiabatic combined cycle diesel which can be seen are the absence of physical phase shift elements of the working fluid and its associated losses, the absence of condensation and vaporization elements, therefore the no losses associated with latent heat of the working fluid, no circuits, pumps, control elements for fluid phase change processes and their associated losses, and consequently no volume, materials and mass , weight, of the elements that make up such projects. Therefore, the innovation presented by the combined cycle Diesel with torque is significant.
  • Combined cycle motors based on the integration of a motor Diesel cycle engines with a torque-cycle engine may be constructed of materials and techniques similar to conventional combined-cycle engines, such as the secondary, torque-cycle unit consists of a closed-loop gas engine, considering the complete system, this Closed-circuit concept of working gas with respect to the external environment indicates that the system must be sealed, or in some cases leaks may be allowed provided they are compensated. Suitable materials for this technology should be noted, which are similar in this respect to Brayton, Stirling or Ericsson cycle engine design technologies, all with external combustion.
  • the working gas depends on the project, its application and the parameters used, the choice of gas may be diversified, each one will provide specific characteristics, as an example may be suggested the gases: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others. others.
  • Figure 1 demonstrates in block diagram a current combined cycle system consisting of a Diesel cycle unit with a Rankine cycle unit. Plants designed with this philosophy today are used to improve mechanical and energy efficiency in traction systems, vehicles such as trucks, machines, ships.
  • Figure 2 demonstrates in block diagram a combined cycle system designed based on the new thermodynamic system concept formed by a known Diesel cycle unit with a binary-isobaric-adiabatic cycle unit.
  • Figure 3 is a diagram of a system consisting of a 31 diesel cycle engine with a binary-isobaric-adiabatic cycle turbine engine 320 forming the combined diesel and torque cycle.
  • Figure 4 shows the curves of the diesel cycle pressure and volumetric displacement graph 41 respectively and the pressure-volumetric displacement graph curves of the binary-isobaric-adiabatic cycle 45.
  • Figure 5 shows the conventional diesel cycle with one isobaric process, two adiabatic processes and one isochoric process.
  • the diesel-isobaric-adiabatic combined-cycle engine is a system composed of an open thermodynamic system-based engine concept, a diesel-cycle internal combustion engine, designed in the 19th century, with a system-based engine.
  • thermodynamic hybrid the non-differential binary-isobaric-adiabatic cycle, idealized in the 21st century, so that the energy discarded by the first, the diesel-cycle internal combustion engine, is the energy that drives the second, the binary-cycle engine.
  • Figure 3 shows the system featuring a combined diesel and torque-isobaric-adiabatic engine. This system consists of a machine that operates the integrated diesel cycle, interconnected to another machine that operates by a binary cycle and so that its thermodynamic cycles are also integrated as shown in Figure 4.
  • the system of Figure 3 shows a 31-cycle Diesel internal combustion engine coupled to a binary-isobaric-adiabatic cycle turbine engine 320
  • the diesel cycle engine has its discharge manifold 331, hot exhaust, connected to a heat exchanger 319, in this exchanger there is a binary cycle working gas circulation line that enters the point (a) being heated in the inside the exchanger and exits through point (b) into the proportional three-way control valve 326, and this valve directs part of the gas to the turbine rotor of power conversion unit 321 and part of the gas to turbine rotor from the energy conservation unit 322, the turbine rotor of the conservation unit 322 conducts the working gas to the thermally insulated chamber 323, entering the point (c ') where the process is performed.
  • the gas exiting the point (d ') following the compressor rotor of the energy conservation unit 324 which in turn conducts the gas with its associated energy conserved back to the isobaric expansion chamber 319.
  • the turbine rotor of the power conversion unit 321 conducts its fraction of the working gas from the control valve 326 to the cooling chamber 328, is separated from the other cooling and cooling systems and situated at the far end. cooling of the forced air flow of the fan, that is, at the outermost point of the engine bordering the environment, and the gas entering point (c) inside the chamber 328, where the isobaric compression and cooling process is performed.
  • the mechanical unit of the binary cycle engine there is also a 315 turbine rotor, where an adiabatic process is performed, through which the exhaust gases of the diesel engine pass, immediately after passing through the heat exchanger 319, the gas leaving the changer, enters the turbine rotor 315, it is connected to the main shaft of the binary cycle motor, with the function of driving the compressor rotor 314, and from the turbine rotor 315, the gas goes to a exhaust gas circulation control type 312 (EGR) with the function of directing part of the 315 turbine rotor outlet gases to the combustion chambers of the diesel engine via mixer 39, reducing emissions of nitrous oxides, NOx, another part of the gases, leaving the unit 312, goes to the environment 316.
  • EGR exhaust gas circulation control type 312
  • a compressor rotor 314 which pressurizes air from the environment to the combustion chambers From the diesel engine, air 317 first passes through filter 313, enters compressor rotor 314, passes through a cooler 36 and from there to mixer 39 which mixes pressurized air with part of the combustion gases and injects them. for the combustion chambers of the diesel engine 31.
  • FIG. 3 also shows the main elements that configure a diesel engine, at 318 the engine cooling air intake and all systems requiring cooling, the heat exchanger 328 is the outermost element and is the chamber isobaric compression of the binary cycle unit is the most external because the efficiency of the binary cycle unit increases the lower the temperature of the isobaric process that occurs in the changer 328, unlike other diesel engine needs.
  • Heat exchanger 36 is used for cooling pressurized air by compressor 314.
  • Another heat exchanger, radiator 35 is the main cooling element of the diesel engine, hydraulic and electrical units.
  • a 329 fan is used to force ventilation and improve heat exchange, cooling.
  • a coolant, typically water, pump 37 circulates the fluid within the internal combustion engine to keep it in safe thermal conditions, aided by a thermostat-type sensor 38 for temperature control.
  • Mixing pressurized air with part of the exhaust gas occurs in mixer 39 and proceeds to a distributor 32 which injects into the combustion chambers of the diesel engine.
  • Line 330 is an engine coolant return pipe.
  • Line 310 is a duct which conducts part of the combustion gases from the regulator (EGR) to the mixer 39.
  • the combustion waste gases are driven by line 31 1 from the manifold 331, through the heat exchanger 319 and going to the turbine rotor 315 inlet.
  • the diesel engine power shaft 33 is the main element for bringing the mechanical force to the gearbox 34.
  • Figure 4 shows the graphs of pressure and volumetric displacement that in their union form the combined cycle, a process composed by the combination of two cycles, one Diesel and the other isobaric-adiabatic, where the first cycle, the cycle Diesel is formed by four processes, or also called thermodynamic transformations, being an isobaric process or transformation, two adiabatic processes and an isochoric process, which occur one by one sequentially, but with the integration with other mechanical elements, the processes may vary as in the case of this invention.
  • the introduction of a turbine rotor alters the isocoric process, making it, in short, adiabatic and the final step of the adiabatic expansion process (4-5), can gain isobaric characteristics by describing the energy input to the
  • the combustion system 42 performs an isobaric expansion process (3-4), following which the expansion proceeds with an adiabatic process (4-5 '), from this point heat transfer to exchanger 319 occurs generating the isobaric segment (5'-5) or depending on the design or regulation parameters, this may be isothermal or adiabatic, or variable, ending the expansion with another adiabatic process (5-2) next to the 315 turbine rotor, followed by another adiabatic but compression process (2-3) ending the diesel cycle.
  • the piped energy for the binary cycle turbine engine is defined by process (5'-5) indicated by 43
  • the piped energy for turbine rotor 315 is defined by process (5-2) indicated by 44.
  • Binary cycle 45 is coupled, integrated with Diesel cycle 41, so that the energy disposal process (5'-5) of the Diesel cycle is the binary cycle input energy, and all processes that form the binary cycle occur simultaneously.
  • the energy discharged by the diesel cycle forms the isobaric expansion process (ab), starting from point (b) of the binary cycle two processes occur, an adiabatic expansion process (bc) of the binary cycle engine conversion unit and an adiabatic process.
  • expansion cycle (b-c ') of the binary cycle engine conservation unit the adiabatic expansion processes are completed two isobaric compression processes, starting from point (c) of the binary cycle an isobaric (cd) compression process occurs.
  • a torque engine energy conversion unit starts an isobaric compression process (c'-d') of the energy conservation unit, ending the isobaric compression processes two adiabatic compression processes occur, starting from From point (d) of the binary cycle, an adiabatic process of compression (da) of the torque converter motor energy conversion unit and an adiabatic process of pressure (d'-a) of the torque-cycle engine servicing unit completing torque-cycle 45.
  • Table 2 shows the seven processes (ab, bc, b-c ', cd, c'-d', da, d'a) that form the non-differential binary-isobaric-adiabatic cycle shown step by step. step, with three isobaric processes and four adiabatic processes.
  • Figure 5 shows the ideal diesel cycle pressure and volume graph, considering an engine without accessories, is a cycle formed by an isobaric combustion heating process (3-4), an adiabatic expansion process (4-5), an isocoric cooling process (5-2), and an adiabatic regenerative compression process (2-3).
  • an isobaric combustion heating process (3-4)
  • an adiabatic expansion process 4-5
  • an isocoric cooling process 5-2
  • an adiabatic regenerative compression process 2-3.
  • the combined diesel-isobaric-adiabatic cycle is the junction of a cycle called Diesel, whose cycle is formed by one-to-one processes sequentially, with a seven-process binary-isobaric-adiabatic cycle. all perform simultaneously and this system has the energy input by combustion of Diesel, an isobaric process (3-4), according to Figure 4, indicated at 41, for expansion and heating represented by the expression (a).
  • (Q ; ) represents the total system input energy, in "Joule”
  • (n) represents the mol number belonging to the Diesel cycle unit
  • (R) represents the universal gas constant.
  • (T q ) represents the maximum Kelvin gas temperature at process point (4), figure 4, indicated by 42
  • (T 3 ) represents the temperature at isobaric process starting point (3)
  • figure 4 represents the adiabatic expansion coefficient.
  • the turbine 315 of the input power (Q f) is an adiabatic process and is represented by expression (d).
  • Cycle engines combined by the integration of a Diesel cycle unit with a hybrid-based engine for example a binary-isobaric-adiabatic cycle turbine engine, have some important applications, the most obvious being their application in transport vehicles using diesel as a fuel, whether on land or sea.
  • Hybrid-based engine technology brings numerous properties that are especially interesting to these designs, the flexibility when operating temperatures, the absence of a number of elements that are required in motors based on open and closed systems, providing reduced volume and weight, and controllability, ie the ability to operate over a wide range of rotation and torque. Therefore torque-combined diesel-cycle technology applies to cargo vehicles, trucks, vessels, boats, ships and rail.

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Abstract

Refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Diesel interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.

Description

"MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
[001 ] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Diesel interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente.
[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.
[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigénio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. As matérias que saem destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos, as energias que saem destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.
[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot. A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.
[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, toda a massa do gás de trabalho é exposta à energia de entrada, calor ou combustão e toda ela também, é exposta ao resfriamento ou arrefecimento, isto é, a massa do gás de trabalho é constante em seus processos e a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa de gás de trabalho atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa permanece no sistema.
O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA
[007] Os motores de ciclo combinado conhecidos até o presente foram inventados e projetados unindo-se no mesmo sistema dois conceitos de motores idealizados no século XIX, fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, os mais conhecidos são os ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo Rankine e o ciclo combinado de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo Rankine. [008] O conceito básico de um ciclo combinado é um sistema composto por um motor operante por meio de uma fonte de temperatura alta de forma que o rejeito de calor deste motor é a energia que move um segundo motor que requeira uma temperatura mais baixa de operação, ambos formando um sistema combinado de conversão de energia térmica em energia mecânica para um mesmo fim comum.
[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton ou ciclo Diesel que funciona com uma fonte principal com temperatura superior a 1000 °C e com gases de exaustão na faixa entre 600 °C e 700 °C e estes gases por sua vez são canalizados para alimentar outro motor de ciclo Rankine, geralmente "Rankine orgânico" (ORC). O ciclo Rankine convencional tem como fluido de trabalho a água, o ciclo Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos, estes são mais adequados para projetos em temperaturas menores que os projetos com o ciclo Rankine convencional, portanto normalmente são utilizados nos ciclos combinados.
[010] Algumas das principais desvantagens dos ciclos combinados atuais, considerando a segunda máquina um motor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico são a troca do estado físico do fluido de trabalho, isto é, há uma fase líquida exigida pelos processos do ciclo termodinâmico que deve ser controlada, e a energia do aquecimento da fase líquida e da fase latente, de troca de estado, não podem ser convertidas em energia útil de trabalho, são perdas impostas pelo conceito Rankine. Este sistema exige itens do motor que implicam em mais processos, mais peso, mais controle e mais perdas, são necessários reservatórios do líquido, reservatório para geração de vapor, trocador do tipo resfriador para condensação, reservatório para condensação, bomba para vazão do fluido no estado líquido, válvulas de controle dos processos de estado líquido e gasoso. Este conjunto de particularidades implicam em peso adicional, volume adicional, perdas térmicas adicionais, redução da eficiência global e por consequência, índices de poluição maiores, custos de implementação maiores e menores índices de sustentabilidade nestes projetos.
[01 1 ] O estado atual da técnica, a partir de 201 1 , revelou um novo conceito de sistema termodinâmico, o chamado sistema termodinâmico híbrido, e este novo conceito de sistema passou a ser a base de sustentação para novos ciclos motores, os motores de ciclos diferenciais e os motores de ciclos binários não diferenciais de forma que estes novos ciclos motores possuem vantagens significativas para a criação de novos ciclos combinados. Podem ser exemplificados ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo binário e algumas outras variações.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos combinados se encontram justamente na segunda unidade que formam os sistemas, este, geralmente é uma máquina de ciclo Rankine, uma máquina antiga, cujos processos termodinâmicos impõe perdas através da necessidade de troca do estado físico do fluido de trabalho, do calor de aquecimento da fase líquida, do calor de transformação, calor latente, das unidades mecânicas, reservatórios, sistemas de válvulas, condensadores, bombas que agregam peso, volume, perdas e custos.
[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, um novo conceito de motores térmicos passou a ser indispensável e a criação de novos ciclos-motores são necessários de forma que a eficiência dos motores não ficasse mais dependente exclusivamente das temperaturas. O conceito de sistema híbrido e ciclos diferenciais e ciclos binários, característica própria que fundamenta este novo conceito de ciclo combinado, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura. A eliminação da necessidade da troca do estado físico dos fluidos de trabalho passa a ser representativo para reduzir volume, peso e custo das máquinas. Portanto o ciclo combinado formado por uma unidade de ciclo Diesel com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático constitui uma evolução importante, viável para o futuro dos sistemas formados por ciclos combinados.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[014] Os motores de ciclos combinados são caracterizados por possuírem duas unidades termodinâmicas distintas integradas formando um sistema de forma que a energia descartada pela unidade principal é a fonte de energia da unidade secundária e ambos possuem uma integração do trabalho mecânico final.
[015] O conceito presente considera uma unidade termodinâmica formada por um motor de ciclo Diesel 31 , o qual executa um ciclo Diesel de quatro processos e um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático 320, o qual executa um ciclo de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos, e de forma que a energia de entrada, por combustão executa um processo isobárico de expansão na unidade de ciclo Diesel, um processo de resfriamento isocórico quando a exaustão vai direto ao ambiente ou isobárico ou adiabático quando utiliza-se trocadores para outros fins o qual cede energia para o processo isobárico de expansão da unidade de ciclo binário, este por sua vez executa um processo de resfriamento isobárico cedendo para o ambiente a energia que o sistema em conjunto não tenha convertido em trabalho e de forma que ambos os ciclos tenham uma conversão em trabalho final comum. Portanto trata-se de motores de ciclos combinados completamente distintos dos motores e ciclos combinados atuais, os quais são baseados única e exclusivamente nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 3 é mostrado o conceito geral do invento e na figura 4 são mostrados os gráficos com a integração de ambos os ciclos termodinâmicos formando o ciclo combinado. Além da combinação do ciclo Diesel e binário, a presente invenção considera ainda o emprego de uma turbina auxiliar 315 para executar trabalho por meio de um processo adiabático com a energia residual e um compressor 314 para pressurização do ar nas câmaras de combustão do motor de combustão interna Diesel.
[016] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica pelo conceito da combinação de dois ciclos termodinâmicos distintos. A imensa maioria de ciclos combinados tem como máquina secundária um motor turbina a vapor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico. A figura 1 mostra que o ciclo Rankine possui perdas próprias do conceito dos processos que formam seu ciclo, não permitindo que uma parcela significativa de energia seja convertida em trabalho. Os ciclos Rankine e Rankine orgânico exigem a troca da fase física do gás de trabalho, isto é, há uma fase do processo em estado líquido exigindo elementos de condensação, evaporação e sistemas de bombas auxiliares, e todos estes elementos e processos impõe perdas e impossibilidade de utilizar as energias destas fases na conversão. Algumas das principais vantagens do invento ciclo combinado Diesel com binário-isobárico-adiabático que podem ser constatadas são a inexistência de elementos de troca de fase física do fluido de trabalho e suas perdas associadas, a inexistência de elementos de condensação e de vaporização, portanto a inexistência também de perdas associadas ao calor latente do fluido de trabalho, a inexistência de circuitos, bombas, elementos de controle destinados aos processos de troca de fase física do fluido e suas perdas associadas e que por consequência, a inexistência do volume, materiais e massa, peso, dos elementos que compõe tais projetos. Portanto, a inovação apresentada pelo ciclo combinado Diesel com binário é expressiva.
[017] Os motores de ciclos combinados baseados na integração de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo binário poderão ser construídos com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais, como a unidade secundária, de ciclo binário consiste de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Brayton, Stirling ou Ericsson, todos de combustão externa. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, a escolha do gás poderá ser diversificada, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogénio, nitrogénio, ar seco, neon, entre outros.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[018] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito de ciclo combinado, mais especificamente a um sistema formado por uma unidade de ciclo Diesel com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático, sendo representadas conforme segue abaixo:
A figura 1 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado atual, formado por uma unidade de ciclo Diesel com uma unidade de ciclo Rankine. Plantas projetadas com esta filosofia na atualidade são utilizadas para melhorar a eficiência mecânica e energética em sistemas de tração, veículos, como caminhões, máquinas, navios.
A figura 2 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado idealizado com base no novo conceito de sistema termodinâmico, formado por uma unidade de ciclo Diesel conhecida, com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático. Teoricamente, sistemas projetados com esta filosofia para geração de força mecânica terá eficiência superior aos sistemas de ciclo combinado com Rankine ou Rankine orgânico baseado na análise teórica do ciclo da segunda máquina que forma o sistema, entre as perdas que deixam de existir, a inexistência de troca do estado físico do fluido de trabalho é item significativo, o processo de conservação de energia propiciado pelo subsistema de conservação pertencente ao ciclo binário, reforça as possibilidades do incremento da eficiência geral.
A figura 3 apresenta o diagrama de um sistema composto por um motor de ciclo Diesel 31 , com um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático, 320 formando o ciclo combinado Diesel e binário.
A figura 4 mostra respectivamente as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo Diesel 41 e as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo binário-isobárico-adiabático 45.
A figura 5 mostra o ciclo Diesel convencional com um processo isobárico, dois processos adiabáticos e um processo isocórico.
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO
[019] O motor de ciclo combinado Diesel e binário-isobárico-adiabático é um sistema composto por um conceito de motor baseado no sistema termodinâmico aberto, um motor de combustão interna de ciclo Diesel, idealizado no século XIX, com um motor baseado no sistema termodinâmico híbrido, o ciclo binário-isobárico-adiabático não diferencial, idealizado no século XXI, de forma que a energia descartada pelo primeiro, o motor de combustão interna de ciclo Diesel, é a energia que move o segundo, o motor de ciclo binário.
[020] A figura 3 apresenta o sistema que caracteriza um motor de ciclo combinado Diesel e binário-isobárico-adiabático. Este sistema é constituído por uma máquina que opera pelo ciclo Diesel, integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados conforme figura 4. O sistema da figura 3 mostra um motor de combustão interna de ciclo Diesel 31 , acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático 320. O motor de ciclo Diesel possui seu coletor de descarga 331 , exaustão dos gases quentes, conectado a um trocador de calor 319, neste trocador há uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário que entra pelo ponto (a) sendo aquecido no interior do trocador e sai pelo ponto (b), entrando na válvula proporcional de controle de três vias 326, e esta válvula direciona parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia 321 e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia 322, o rotor de turbina da unidade de conservação 322 conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente 323, entrando pelo ponto (c') onde é realizado o processo isobárico de compressão, saindo o gás pelo ponto (d') seguindo para o rotor do compressor da unidade de conservação de energia 324, e este por sua vez conduz o gás com sua energia associada, conservada, novamente para a câmara de expansão isobárica de aquecimento 319. O rotor de turbina da unidade de conversão de energia 321 conduz a sua fração do gás de trabalho vindo da válvula de controle 326 para a câmara de resfriamento 328, esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, isto é, no ponto mais externo do motor em fronteira com o ambiente, e o gás entrando no ponto (c), no interior da câmara 328, onde é realizado o processo isobárico de compressão e resfriamento, saindo o gás pelo ponto (d) seguindo para o rotor do compressor da unidade de conversão de energia 325, e este por sua vez, retornando o gás à entrada da câmara de expansão isobárica e aquecimento 319, completando o ciclo termodinâmico binário do sistema. A energia mecânica convertida pela unidade de ciclo binário no eixo 327, este eixo é acoplado direta ou indiretamente a todos os rotores de compressão e turbina, 314, 315, 321 , 322, 324 e 325, e é acoplada ao eixo mecânico principal 33, da unidade de ciclo Diesel por meio de uma caixa de engrenagens 34 para transmissão da força do eixo da unidade de ciclo binário somando com o eixo 33 do motor principal 31 . Fazendo parte da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra ainda um rotor de turbina 315, onde é executado um processo adiabático, por onde passam os gases da exaustão do motor Diesel, logo após sua passagem pelo trocador de calor 319, o gás saindo do trocador, entra no rotor de turbina 315, este é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor 314, e a partir do rotor de turbina 315, o gás segue para uma unidade de controle 312, tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina 315 às câmaras de combustão do motor Diesel via misturador 39, reduzindo as emissões de óxidos nitrosos, NOx, outra parte dos gases, ao sair da unidade 312, segue para o ambiente 316. Fazendo parte também da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra um rotor do compressor 314, o qual pressuriza ar do ambiente para as câmaras de combustão do motor Diesel, o ar 317 primeiramente passa pelo filtro 313, entra no rotor do compressor 314, passando por um resfriador 36 e deste para o misturador 39 o qual executa a mistura do ar pressurizado com parte dos gases da combustão, injetando-os para as câmaras de combustão do motor Diesel 31 .
[021 ] A figura 3 apresenta também os principais elementos que configuram um motor Diesel, em 318 a entrada de ar de arrefecimento do motor e todos os sistemas que necessitam de resfriamento, o trocador de calor 328 é o elemento mais externo e é a câmara de compressão isobárica da unidade de ciclo binário, é o mais externo porque a eficiência da unidade de ciclo binário aumenta quanto menor for a temperatura do processo isobárico que ocorre no trocador 328, diferente de outras necessidades do motor Diesel. O trocador de calor 36 é usado para resfriamento do ar pressurizado pelo compressor 314. Outro trocador de calor, radiador 35 é o principal elemento de arrefecimento do motor Diesel, unidades hidráulicas e elétricas. Uma ventoinha 329 é usada para forçar a ventilação e melhorar a troca de calor, arrefecimento. Uma bomba 37, de fluido de arrefecimento, normalmente água, circula o fluido no interior do motor a combustão interna para mantê-lo em condições térmicas seguras, auxiliado por um sensor tipo termostato 38 para o controle da temperatura. A mistura do ar pressurizado com parte do gás da exaustão ocorre no misturador 39 e segue para um distribuidor 32 o qual injeta nas câmaras de combustão do motor Diesel. A linha 330 é um tubo de retorno do fluido de arrefecimento do motor. A linha 310 é um duto que conduz parte dos gases da combustão a partir do regulador (EGR) para o misturador 39. Os gases, resíduos da combustão são conduzidos pela linha 31 1 a partir do coletor 331 , passando pelo trocador de calor 319 e seguindo para a entrada do rotor de turbina 315. O eixo de força 33, do motor Diesel, é o principal elemento para levar a força mecânica à caixa de transmissão 34.
[022] Na figura 4 são mostrados os gráficos da pressão e deslocamento volumétrico que na união deles formam o ciclo combinado, um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Diesel e outro binário-isobárico- adiabático, onde o primeiro ciclo, o ciclo Diesel é formado por quatro processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo um processo ou transformação isobárica, dois processos adiabáticos e um processo isocórico, que ocorrem um a um sequencialmente, porém com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento. A introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, tornando-o, em síntese, adiabático e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), pode ganhar características isobáricas sendo descritas da seguinte forma, a energia de entrada no sistema pela combustão, 42, executa um processo de expansão isobárica (3-4), na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5'), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador 319 gerando o segmento isobárico (5'-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou ainda adiabático, ou variável, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina 315, em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Diesel. A energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5'-5) indicado por 43, a energia canalizada para o rotor de turbina 315 é definida pelo processo (5-2) indicado por 44.
[023] O ciclo binário 45 é acoplado, integrado ao ciclo Diesel 41 , de forma que o processo de descarte de energia (5'-5) do ciclo Diesel, é a energia de entrada do ciclo binário, e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente. A energia descartada pelo ciclo Diesel forma o processo isobárico de expansão (a-b), partindo do ponto (b) do ciclo binário ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b- c') da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos ocorrem dois processos isobáricos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário ocorre um processo de compressão isobárico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c') ocorre um processo de compressão isobárico (c'-d') da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isobáricos de compressão ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d'-a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário finalizando o ciclo binário 45. Portanto, em condições ideais, sem perdas, a energia entra por combustão no ciclo Diesel, indicado por 42, parte da energia descartada 44, alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, 315, parte restante da energia descartada 43 do ciclo Diesel alimenta o ciclo binário 45, a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por 46. [024] A tabela 1 mostra os processos (3-4, 4-5', 5'-5, 5-2, 2-3) que formam o ciclo Diesel quando o mesmo é integrado ao ciclo binário-isobárico-adiabático, mostrados passo a passo.
Tabela 1
Figure imgf000015_0001
[025] A tabela 2 mostra os sete processos (a-b, b-c, b-c', c-d, c'-d', d-a, d'-a) que formam o ciclo binário-isobárico-adiabático não diferencial, mostrados passo a passo, com três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.
Tabela 2
Subsistema de Subsistema de
Passo Processo
conversão conservação Isobárico de Isobárico de Entrada da energia
1 a-b
expansão expansão provinda do ciclo Diesel
Adiabático de Adiabático de
2 b-c / b-c'
expansão expansão
Isobárico de Isobárico de c-d descarte
3 c-d / c'-d'
compressão compressão c'-d' conservada
Adiabático de Adiabático de
4 d-a / d'-a
compressão compressão
A figura 5 mostra o gráfico da pressão e volume do ciclo Diesel ideal, considerando um motor sem acessórios, é um ciclo formado por um processo isobárico de aquecimento pela combustão (3-4), um processo adiabático de expansão (4-5), um processo isocórico de resfriamento (5-2), e um processo regenerativo adiabático de compressão (2-3). Ao implantar mudanças mecânicas no motor, o acréscimo de uma turbina 315 e um trocador de calor 319, ocorre também uma alteração no ciclo termodinâmico, o processo (5-2) deixa de ser isocórico, pois há uma turbina para movimentar que em conjunto com o trocador de calor 319 e um sistema de controle, produzirá mudanças nesta região do ciclo termodinâmico e esta mudança pode ser variável em função da operação em que o motor estará funcionando. O presente documento propõe uma aproximação considerando os itens essenciais mecânicos e de processos que caracterizam a ideia.
[026] O ciclo combinado Diesel com binário-isobárico-adiabático é a junção de um ciclo chamado Diesel, cujo ciclo é formado por processos que se realizam um a um sequencialmente, com um ciclo binário-isobárico-adiabático de sete processos os quais se realizam todos simultaneamente e este sistema possui a entrada de energia pela combustão do Diesel, um processo isobárico (3-4), conforme figura 4, indicado em 41 , de expansão e aquecimento representado pela expressão (a).
(a)
[027] Na equação (a), (Q;) representa a energia total de entrada no sistema, em "Joule", (n) representa o número de mol pertencendo à unidade ciclo Diesel, {R) representa a constante universal dos gases perfeitos, ( Tq) representa a temperatura máxima do gás em "Kelvin" no ponto (4) do processo, figura 4, indicado por 42, ( T3) representa a temperatura no ponto (3), inicial do processo isobárico, figura 4, e (y) representa o coeficiente de expansão adiabática.
[028] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máqui na principal, o ciclo Diesel, é a energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário somada à energia de alimentação da turbina 31 5, e a expressão da energia descartada, fornecida às unidades posteriores é representada pela expressão (b), considerando o processo (5'-5) isobárico, dependendo do controle, este processo poderá ser isotérmico ou adiabático, neste caso foi considerado isobárico na equação a seguir.
Qoa = ^ . (T5, - T5 + ^ . (T5, - T2 (b)
[029] A energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário é representado pela expressão (c), e ( Tb = T5 e Ta = T5).
Qw = * - τα) = ¾ σ5, - r5) (c)
[030] A energia de entrada da turbina 315, ( Qf) é um processo adiabático e é representado pela expressão (d).
(d) [031 ] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina secundária, de ciclo binário, é representada pela expressão (e). Esta, no conceito ideal, é o total de energia descartada ao meio, a qual não realiza trabalho útil.
Figure imgf000018_0001
[032] O trabalho útil total do sistema ciclo combinado, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (f) abaixo.
[033] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo combinado Diesel e binário-isobárico-adiabático é dada pela expressão (g), caracterizando que os ciclos combinados de uma máquina fundamentada no sistema aberto ou fechado com uma máquina fundamentada no sistema híbrido possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa, característica herdada da máquina fundamentada no sistema híbrido, e portanto, não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas.
Figure imgf000018_0002
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
[034] Os motores de ciclos combinados pela integração de uma unidade de ciclo Diesel com um motor fundamentado no sistema híbrido, por exemplo um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático, possui algumas aplicações importantes, a mais óbvia é a sua aplicação em veículos de transportes que utilizam o Diesel como combustível, seja terrestre ou marítimo. A tecnologia de motores fundamentados no sistema híbrido trás inúmeras propriedades que são especialmente interessantes a estes projetos, a flexibilidade quando às temperaturas de operação, a inexistência de uma série de elementos que são obrigatórios nos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, propiciando volume e peso reduzidos, e a controlabilidade, isto é, a capacidade de operar em uma larga faixa de rotação e torque. Portanto a tecnologia de ciclo combinado Diesel com binário se aplica a veículos de carga, caminhões, embarcações, barcos, navios e ao transporte ferroviário.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 ) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", caracterizado por ser constituído pela integração de duas máquinas térmicas, dois ciclos termodinâmicos, formando um sistema combinado, sendo um deles uma máquina que opera pelo ciclo Diesel (31 ), integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320), e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados (41 ) e (45), um motor de combustão interna de ciclo Diesel (31 ), acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático (320), o motor de ciclo Diesel possui um coletor de descarga (331 ) conectado a um trocador de calor (319), o trocador (319) possui uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário que entra em uma válvula proporcional de controle de três vias (326), e esta válvula direciona parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia (322), o rotor de turbina da unidade de conservação (322) conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente (323), onde é realizado o processo isobárico de compressão, seguindo para o rotor do compressor da unidade de conservação de energia (324), conduzindo o gás com sua energia associada, conservada, para a câmara de expansão isobárica de aquecimento (319), o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) conduz a sua fração do gás de trabalho para a câmara de resfriamento (328), esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, e o gás entrando no ponto (c) no interior da câmara (328), onde é realizado o processo isobárico de compressão e resfriamento, seguindo para o rotor do compressor da unidade de conversão de energia (325), e este, retornando o gás à entrada da câmara de expansão isobárica e de aquecimento (319), completando o ciclo termodinâmico binário-isobárico-adiabático do sistema, a força mecânica do eixo (327), do motor turbina de ciclo binário, é acoplada ao eixo mecânico principal (33), da unidade de ciclo Diesel por meio de uma caixa de engrenagens de transmissão (34), do motor principal (31 ), um rotor de turbina (315) é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor (314), e a partir do rotor de turbina (315), o gás segue para uma unidade de controle (312), tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina (315) às câmaras de combustão do motor Diesel via misturador (39), um rotor de compressor (314) é conectado também ao eixo principal do motor de ciclo binário, o qual pressuriza ar do ambiente aspirado via filtro (313), e pressurizando às câmaras de combustão do motor Diesel (31 ), via resfriador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312), para as câmaras de combustão do motor Diesel (31 ), através do distribuidor (32).
2) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído pela integração de duas máquinas térmicas, dois ciclos termodinâmicos, formando um sistema combinado, sendo um deles uma máquina que opera pelo ciclo Diesel (31 ), integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320), e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados conforme figura 4, gráfico (41 ) e (45).
3) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser constituído por um motor de combustão interna de ciclo Diesel (31 ), acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático (320).
4) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um motor de ciclo Diesel com um coletor de descarga (331 ) conectado a um trocador de calor (319), e o trocador (319) possui uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário. 5) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizado por ser constituído por uma válvula proporcional de controle de três vias (326), conectada ao trocador de calor (319), e esta válvula direciona parte do gás vindo do trocador (319) para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia (322).
6) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina da unidade de conservação (322) o qual conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente (323), onde é realizado o processo isobárico de compressão.
7) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 , 4, 5 e 6, caracterizado por ser constituído por um rotor do compressor da unidade de conservação de energia (324) ligado à saída da câmara isolada (323), com a função de conduzir o gás com sua energia associada, conservada, para a câmara de expansão isobárica de aquecimento (319).
8) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) com a função de conduzir a sua fração do gás de trabalho para a câmara de resfriamento (328), esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, e o gás entrando no ponto (c) no interior da câmara (328), onde é realizado o processo isobárico de compressão e resfriamento.
9) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 , 4, 5 e 7, caracterizado por ser constituído por um rotor do compressor da unidade de conversão de energia (325), e este com a função de conduzir o gás à entrada da câmara de expansão isobárica e aquecimento (319), completando o ciclo termodinâmico binário-isobárico-adiabático do sistema.
10) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, caracterizado por ser constituído por um eixo de força mecânica (327), conectado direta ou indiretamente a todos os rotores de compressão e de turbina, (314), (315), (321 ), (322), (324) e (325), e este eixo é acoplado ao eixo mecânico principal (33), do motor principal (31 ), da unidade de ciclo Diesel por meio de uma caixa de engrenagens de transmissão (34).
1 1 ) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 e 10, caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina (315) conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor (314).
12) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 , 10, 1 1 , caracterizado por ser constituído por uma unidade de controle (312), tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina (315) às câmaras de combustão do motor Diesel via misturador (39).
13) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOBÁRICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 , 2, 3, 10, 1 1 , 12, caracterizado por ser constituído por um rotor de compressor (314) conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de pressurizar ar do ambiente aspirado via filtro (313), e pressurizando às câmaras de combustão do motor Diesel (31 ), via resfriador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312), para as câmaras de combustão do motor Diesel (31 ), através do distribuidor (32).
14) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Diesel e outro binário-isobárico-adiabático de forma que na união deles formam o ciclo combinado, onde o primeiro ciclo, o ciclo Diesel, com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento, a introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, tornando-o, em síntese, adiabático e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), pode ganhar características isobáricas sendo descritas da seguinte forma, a energia de entrada no sistema pela combustão (42), executa um processo de expansão isobárica (3-4), na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5'), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador (319) gerando o segmento isobárico (5'-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser adiabático, ou variável entre adiabático e isobárico, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315), em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Diesel a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5' -5) indicado por (43), a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo (5-2) indicado por (44), o ciclo binário 45 é acoplado, integrado ao ciclo Diesel (41 ), de forma que o processo de descarte de energia (5' -5) do ciclo Diesel, é a energia de entrada do ciclo binário, e este forma o processo isobárico de expansão (a-b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente, partindo do ponto (b) do ciclo binário ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b- c') da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos ocorrem dois processos isobáricos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário ocorre um processo de compressão isobárico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c') ocorre um processo de compressão isobárico (c'-d') da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isobáricos de compressão ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d'-a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizando o ciclo binário (45), portanto, em condições ideais, sem perdas, a energia (42) entra por combustão no ciclo Diesel (41 ), parte da energia descartada, (44), alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, (315), outra parte da energia descartada do ciclo Diesel (43), alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46).
15) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Diesel e outro binário-isobárico-adiabático e com a união deles formam o ciclo combinado, onde o primeiro ciclo, o ciclo Diesel, com a integração de elementos mecânicos, rotores de turbinas e trocadores de calor, os processos se modificam de forma que o processo isocórico ganha características adiabáticas (5-2) e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), obtém características isobáricas (5'-5).
16) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia de entrada no sistema pela combustão, (42), executa um processo de expansão isobárica (3-4).
17) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após a expansão isobárica (3-4), a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5'), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador (319) gerando o segmento isobárico (5'-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser adiabático, ou variável assumindo propriedades de ambos dinamicamente.
18) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática ou isobárica (5'-5), a expansão prossegue, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315).
19) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a as reivindicações 14, 15, 18, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática (5-2) junto ao rotor de turbina (315), ainda dentro do ciclo Diesel, ocorre outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Diesel.
20) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com as reivindicações 14, 15,
17, 18, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5'-5) do ciclo Diesel indicado por (43).
21 ) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com as reivindicações 14, 15,
18, 19, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo (5-2) indicado por (44).
22) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com as reivindicações 14, 15, 17, 18, 20, caracterizado por um processo tal que o ciclo binário (45) é acoplado, integrado ao ciclo Diesel, (41 ), de forma que o processo de descarte de energia (5'-5) do ciclo Diesel, é a energia de entrada do ciclo binário (45), e forma o processo isobárico de expansão (a-b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente.
23) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com as reivindicações 14, 22, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão isobárica (a-b), partindo do ponto (b) do ciclo binário, ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b-c') da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos.
24) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com as reivindicações 14, 22,
23, caracterizado por um processo onde após os processos (b-c) e (b-c'), ocorrem dois processos isobáricos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário, ocorre um processo de compressão isobárico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c'), ocorre um processo de compressão isobárico (c'-d') da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isobáricos de compressão.
25) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com as reivindicações 14, 22,
24, caracterizado por um processo onde após os processos (c-d) e (c'-d'), ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário, ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d'-a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizando o ciclo binário (45). 26) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com as reivindicações 14, 16, 18, 19, 20, 21 , 22, 25, caracterizado por um processo que em condições ideais, sem perdas, a energia (42) entra por combustão no ciclo Diesel (41 ), parte da energia descartada, (44), alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, (315), outra parte da energia (43), descartada do ciclo Diesel (41 ), alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46).
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