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WO2020024034A1 - Motor de combustão interna integrado formado por uma unidade principal de ciclo diesel e uma unidade secundária a pistões e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor - Google Patents

Motor de combustão interna integrado formado por uma unidade principal de ciclo diesel e uma unidade secundária a pistões e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor Download PDF

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WO2020024034A1
WO2020024034A1 PCT/BR2019/050317 BR2019050317W WO2020024034A1 WO 2020024034 A1 WO2020024034 A1 WO 2020024034A1 BR 2019050317 W BR2019050317 W BR 2019050317W WO 2020024034 A1 WO2020024034 A1 WO 2020024034A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
gas
internal combustion
piston
cycle
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/BR2019/050317
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Saulo Finco
Vitor Hugo IOCKHECK
Marno Iockheck
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2020024034A1 publication Critical patent/WO2020024034A1/pt
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • 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
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/12—Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
    • 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
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • 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 refers to an internal combustion engine with a diesel cycle, integrated with a secondary closed circuit unit with pistons, forming a mechanically and thermodynamically integrated unit, with energy input by internal combustion in an isobaric process. , and heat rejection by an isothermal compression process. It is a concept of an internal combustion engine with a diesel cycle, whose theoretical efficiency is approximately 80%, compared to the theoretical efficiency of approximately 60% of the conventional diesel cycle engine.
  • 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 19th century at the beginning of the creation of the laws of thermodynamics and underpin all the 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 engines.
  • the open thermodynamic system is defined as a system thermodynamic in which energy and matter can enter and leave this system.
  • Examples of open thermodynamic systems are the internal combustion engines of the Otto cycle, of the Atkinson cycle, similar to the Otto cycle, of the Diesel cycle, of the Sabathe cycle, similar to the Diesel cycle, of the Brayton cycle of internal combustion.
  • the materials that enter these systems are fuels and oxygen or working fluid or working gas.
  • the energy that enters these systems is heat.
  • the materials that come out of these systems are the exhaustion of combustion or the working fluid, gases and waste, the energies that come out of these systems are the mechanical energy of the work and part of the dissipated heat.
  • the closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and exit this system.
  • closed thermodynamic systems are external combustion engines such as the Stirling cycle, from Ericsson Ericsson, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat or external combustion cycle, Carnot cycle.
  • the energy that enters this system is heat.
  • the energies that come out of this system are the mechanical energy of work and part of the dissipated heat, but no matter comes out of these systems, as occurs in the open system.
  • the engines currently known are basically the oldest Rankine cycle engines, Stirling cycle, Otto cycle, Brayton cycle and Diesel cycle. There are others, but they are basically versions of these. Most of them were invented in the 19th century and since their invention they have been improved. In the 20th century, some combined cycles emerged.
  • the combined cycle engines known to date have been invented and designed by joining two engine concepts idealized in the 19th century, based on open thermodynamic systems, or closed thermodynamic systems, the best known being the combined cycles of an engine Brayton cycle with a Rankine cycle engine and the combined cycle of a Diesel cycle engine with a Rankine or Organic Rankine cycle engine and combined cycles of the Otto cycle with Rankine already occur
  • the basic concept of a combined cycle is a system composed of an engine operating by means of a high temperature source, so that the heat rejection of this engine is the energy that drives a second engine that requires a lower temperature of operation, both forming a combined system of converting thermal energy into mechanical energy for the same common purpose or not
  • the current state of the art reveals combined cycles formed by a main Brayton cycle engine that works with a main source with a temperature above 1000 ° C and with exhaust gases in the range between 600 ° C and 700 ° C and these gases in turn, they are channeled to power another Rankine cycle engine or “Organic Rankine” (ORC).
  • ORC Organic Rankine
  • 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 projects with the conventional Rankine cycle, so they are normally used in some of the combined cycles.
  • the objective of the invention focuses on eliminating some of the existing problems, minimizing other problems and offering new possibilities, to achieve these objectives, objectives of improving efficiency, a new concept of thermal engines started to show substantial advantages.
  • a new concept a step that has evolved from the combined cycle to the integrated cycle, that is, we will no longer have a cycle of a unit whose heat rejects from it starts to feed another independent unit, now we have a cycle fully integrated with another where the process of energy transfer starts to be conceptualized as regeneration that interconnects two units forming a new unit integrated mechanically and thermodynamically in order to have a single resulting cycle.
  • the objective is to present a concept of a new thermal engine technology that offers more efficiency in the conversion to mechanical strength and energy generation compared to conventional technologies from thermal sources.
  • the integrated cycle engines are characterized by constituting a single engine formed by two units and with a single resulting thermodynamic cycle.
  • the present concept considers an internal combustion unit of Diesel cycle integrated to a secondary unit of closed circuit with pistons, forming a mechanically integrated unit, whose process between the units is of total energy regeneration and with energy input by combustion internal in an isobaric process in the main cycle unit Diesel, and the heat rejection occurs only in the secondary unit by pistons by an isothermal compression process.
  • FIG. 3 shows the detail of the total regeneration between the main unit and the secondary unit, with all incoming energy entering the main unit and all the heat being discharged, theoretically and integrally by the secondary unit.
  • Figure 9 shows how the main unit is connected to the secondary unit by a regenerative process and figure 11 shows the thermodynamic cycle resulting from this integration.
  • Figure 17 shows a complete construction model of the fully integrated engine.
  • Some of the main advantages of the invention of this integrated internal combustion engine that can be verified are the lack of elements for changing the physical phase of the working fluid and its associated losses, the lack of condensation and vaporization elements, therefore the inexistence of losses associated with the latent heat of the working fluid, the inexistence of circuits, pumps, control elements intended for the processes of changing the physical phase of the fluid and its associated losses, items present in the combined cycles of the act! state of the art. Therefore, the innovation presented with this invention is significant.
  • the internal combustion thermal engine with a main diesel cycle internal combustion unit integrated with a piston closed circuit secondary unit can be built with materials and techniques similar to conventional combined cycle engines and with widely known techniques, offering viability for its development, construction and practical application. DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • the attached figures demonstrate the main characteristics and properties of the new concept of an internal combustion engine with a diesel cycle integrated into a secondary gas unit with piston closed circuit, forming a mechanically and thermodynamically integrated unit with a resulting thermodynamic cycle.
  • five main processes and two others an exhaust and an aspiration process, an isobaric energy input process, an adiabatic expansion process, an isochoretic regenerative process, an isothermal compression and heat rejection process and an isochorical regenerative process, represented as follows:
  • Figure 1 shows the thermodynamic cycle of the main diesel cycle internal combustion unit
  • FIG. 2 shows the detail of the isothermal line 15 between points (1) and (3) of the thermodynamic cycle of the main unit, which is necessary to generate the regeneration that allows the formation of the thermodynamic cycle of five processes;
  • FIG. 3 shows the energy flow 22 from the regeneration of the isochoric process of the main diesel cycle unit to the isochoric process of the piston secondary unit;
  • Figure 4 shows in the crosshatched area the work added to the main cycle of the Diesel cycle engine by the secondary engine with pistons
  • Figures 5 and 6 show how the mechanical units and the thermodynamic cycle begin to be integrated
  • FIGS 7 and 8 show how the piston secondary unit's thermodynamic cycle fits into the main unit's thermodynamic cycle. Diesel cycle to form the integrated engine;
  • Figure 9 shows the complete diagram of the integrated engine composed of a main internal combustion unit with a diesel cycle and a secondary unit with pistons connected by a regenerator;
  • Figure 10 shows clearly the integration of the thermodynamic cycle of the main internal combustion unit of the Diesel cycle with a net work shown by region 63 of the graph, integrated with the net work shown by region 64 of the piston secondary unit forming a new cycle. result shown in figure 11 with a net work shown by region 67 of the graph;
  • Figure 11 shows the thermodynamic cycle resulting from the integrated engine formed by the main internal combustion unit of Diesel cycle with the secondary unit by pistons;
  • Figure 12 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit with the piston secondary unit with the detail of the energy and gas flow of the isochoric process of the piston secondary unit indicating the performance of the valve (V1) in the isochoric process heating by regeneration;
  • Figure 13 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit of Diesel cycle with the secondary piston unit with the detail of the energy and gas flow of the adiabatic expansion process of the secondary piston unit indicating that the working gas remains adiabatically confined by the valve blockages (V1), (V2) and (V3) in the adiabatic expansion and work process;
  • Figure 14 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit with the secondary piston unit, with the detail of the energy and gas flow of the isothermal compression process of the secondary unit with pistons indicating the performance of the valve (V2), (V3) and the turbocharger 47 in the isothermal process of compression and heat rejection;
  • Figure 15 shows the diagram of the integrated engine, formed by the main internal combustion unit with the secondary piston unit, again in the initial state of its respective regenerated energy input cycle;
  • Figure 16 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit of Diesel cycle with the secondary piston unit with the detail of the coupling of the mechanical forces of both units by means of a single shaft or common crankshaft 113;
  • Figure 17 shows a drawing of a constructive model of an integrated engine, consisting of a main unit of internal combustion of Diesel cycle with a unit secondary to pistons;
  • Figure 4 shows the result of the integration of the cycle of the main unit with the cycle of the secondary unit by pistons and two distinct cycles, one of four thermodynamic processes and the other of three thermodynamic processes. single cycle of five processes, an isobaric expansion (1 -2) of energy input, an adiabatic expansion (2-3), a regenerative isochoric (3-4), a compression isotherm and heat rejection (4- 5) and a regenerative isochoric (5-1).
  • FIGS 5 and 6 show the thermodynamic cycle and the mechanical model of the main diesel cycle unit, respectively.
  • the internal combustion energy 31 performs the isobaric process (1 -2) and the combustion takes place inside the combustion chamber 34.
  • the adiabatic expansion process occurs through the movement of the piston 36 inside the cylinder 35, this piston by means of a connecting rod acts by rotating the shaft or crankshaft 37.
  • the isochoric process (3-4) occurs, when the gas 32 flows out of the cylinder and proceeds to the regenerator.
  • the adiabatic compression process (4-1) occurs shortly after the gas 33 is aspirated by the process (a-4) from the environment and compressed by piston 36 to the combustion chamber 34.
  • FIGS 7 and 8 show the thermodynamic cycle and the mechanical model of the secondary unit respectively by pistons with closed circuit gas.
  • the energy indicated by 41 of the regenerator 43 promotes the isochoric heating process (5-1) with the constant volume movement of the pistons of cylinders 45 and 46.
  • the adiabatic expansion (1 -4) with the expansion of the gas by moving the piston of the cylinder 46, generating mechanical force in the driving force elements 412.
  • the isothermal process of compression and heat rejection (4-5) with the gas being compressed by the piston of cylinder 46 forcing the gas to pass through the isothermal exchanger 44 by moving the piston of cylinder 45 and this process occurs with the aid of the turbocharger 47 moved electrically by the electric motor
  • FIG. 9 shows the integrated internal combustion engine, formed by a main unit of Diesel cycle 53 powered by internal combustion with another unit with pistons with closed loop gas 54 powered by a regenerative process, the main unit being Diesel cycle is fed by internal combustion 31 containing a combustion chamber 34 which expands the combustion gas in an isobaric process and in the adiabatic sequence acting on the piston 36 inside the cylinder 35 acting by means of a connecting rod or shaft 37 which in turn instead produces useful work, and part of the kinetic energy of the shaft acts on piston 36 making an isochorical process with exhaust of the still hot gas through valve 39, feeding, transferring the energy to the regenerator which is an isochoric heat exchanger 43, and the exchanger of isochoric heat 43, responsible for regeneration, feeds the secondary unit to pistons with closed circuit gas 54, by means of u m isochorical process, acting on the gas displacement cylinder 45 which is an aid to the isochoric and isothermal processes, and on the mechanical force cylinder 46, responsible for useful work, which through a
  • FIGs 10 and 11 show graphically all the processes that form the thermodynamic cycle of the internal combustion engine integrated with its mechanical model shown in figure 9, formed by a main internal combustion unit of Diesel cycle 53 and a secondary unit by pistons with closed circuit gas 54
  • the engine has a thermodynamic cycle, the phenomena of which are generated from a combustion thermal source 61, which produces the expansion of the gas in the combustion chamber 34 of the main internal combustion unit of Diesel cycle 53 , which generates the energy input process of the thermodynamic cycle with an isobaric expansion (1 -2), where the gas increases the temperature with a constant pressure (Ph) from (T1) to (Tq), after the expansion process isobaric (1-2), the adiabatic expansion process (2-3) occurs, with the expansion of the gas inside the cylinder 35 by the movement of the piston 36, where the gas reduces the temperature from (Tq) to (T3) and reduces the pressure from (Ph) to (P3), after the adiabatic expansion process (2- 3), the isochoric regenerative process (3-4) occurs, with
  • thermodynamic cycle of the internal combustion engine integrated by a main unit of internal combustion of Diesel cycle and a secondary unit with pistons with gas in closed circuit, in order to characterize a new complex machine with two integrated units that in the set operates through a cycle 611 formed essentially by five thermodynamic processes, by an isobaric energy input process (1 -2) by internal combustion 65, an adiabatic expansion process (2-3) with work 68, an isochoric process (3-4) regenerative 69, a heat rejection process by isothermal compression (4-5), 66, an isochoric heating process (5-1), 610 regenerated by the isobaric process (3-4) and still a process exhaust and suction system (4-a, a-4), so that the engine internal combustion engine performs the liquid work 67 resulting from the sum of all the processes that form the thermodynamic cycle
  • Table 1 shows the four processes (1 -2, 2-3, 3-4, 4-1) that form the sparrow cycle of the diesel cycle internal combustion engine, and the processes (4-a , a-4) of exhaustion and aspiration, shown step by step, with an isobaric process, two adiabatic processes and an isochoric process.
  • Table 2 shows the three processes (5-1, 1-4, 4-5) that form the cycle of the secondary unit with closed circuit pistons shown step by step, with an isochoric energy input process, a adiabatic process of useful work and an isothermal process of compression and heat rejection.
  • Table 3 shows the five processes (1 -2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-1) that form the thermodynamic cycle resulting from the internal combustion engine integrated, plus the processes of exhaustion and suction (4-a, a-4), formed by an internal combustion unit of diesel cement integrated to a secondary closed circuit unit with pistons, forming a mechanically and thermodynamically integrated unit, with input of energy by internal combustion, in an isobaric expansion process and heat rejection by an isothermal compression process.
  • thermodynamic cycle of the integrated motor can be demonstrated by means of mathematical equations.
  • (Qi) represents the total energy entering the system by combustion, in “Joule”
  • (n) represents the number of moles belonging to the main unit of the Diesel cycle
  • (R) represents the constant of perfect gases
  • (T q ) represents the maximum gas temperature in “Kelvin” at point (2) of the process
  • figure 10 represents the temperature at point (1) starts! of the isobaric process
  • figure 10 represents the coefficient of adiabatic expansion.
  • the temperature (Ti) at point (1) is the same! at the temperature (T3) of the point (3).
  • the subsequent process of the cycle is an isochoric regenerative process (3-4), figure 10, where the gas of the Diesel cycle internal combustion unit transfers its energy to a regenerator, isochoric heat exchanger 43 and is represented by expression (c).
  • Equation (c) (Q reg ) represents the total energy transferred to the regenerator by the isochoric process (3-4), in “Joule”, this energy will supply the secondary unit with closed circuit gas pistons.
  • the heat rejection process of the piston secondary unit is an isothermal process (4-5), this isothermal compression process and heat rejection will be represented by the expression (h).
  • each unit, the Diesel cycle unit and the closed circuit unit, closed system do not necessarily need to be the same, that is, the volumes (V1), (V3), the number of moles ( n), type of gas, etc., these need not be the same, such parameters do not alter the theoretical efficiency of the engine.
  • Various parameters can be changed offering new features, such as power density, rotation of the units, without changing efficiency and the main concept.
  • FIG. 17 A constructive model of the integrated engine, formed by a main unit of internal combustion of Diesel cycle and a piston unit with gas in closed circuit and its main elements is shown in figure 17.
  • Integrated engines formed by an inferno combustion unit of Diesel cycle and a secondary piston unit with gas in closed circuit have numerous applications, one of which can be intended for vehicles, as an alternative to the combined cycles of the Diesel engine with Organic Rankine, another application would be in power generation plants, as it has the direct benefit of its ability to convert a greater amount of energy into work compared to traditional technologies and the current technologies of combined cycles.
  • This integrated engine has a theoretical efficiency superior to the well-known Diesel cycle engines, Brayton, Rankine cycle and their combined cycles, as shown by the presented equations and by the efficiency equation (j).

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Abstract

Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel, integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico, e rejeito de calor por um processo isotérmico de compressão. Trata-se de um conceito de um motor de combustão interna de ciclo Diesel, integrado, cuja eficiência teórica é de aproximadamente 80%, comparando-se à eficiência teórica de aproximadamente 60% do motor de ciclo Diesel convencional.

Description

"MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel, integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico, e rejeito de calor por um processo isotérmico de compressão. Trata-se de um conceito de um motor de combustão interna de ciclo Diesel, integrado, cuja eficiência teórica é de aproximadamente 80%, comparando-se à eficiência teórica de aproximadamente 60% do motor de ciclo Diesel convencional.
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 sistemas termodinâmicos 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. 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 fluído de trabalho, gases e 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 cicio 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 ocorre 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 conhecidos atualmente são basicamente os motores de ciclo Rankine o mais antigo, ciclo Stirling, ciclo Otto, ciclo Brayton e ciclo Diesel. Existem outros, mas são basicamente versões destes. Foram inventados a maioria deles no século XIX e a partir do seu invento vem sendo aprimorados. No século XX surgiram alguns ciclos combinados. 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 abertos, ou sistemas termodinâmicos fechados, 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 ou Rankine Orgânico e já ocorrem ciclos combinados do ciclo Otto com o Rankine
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[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 ou não
[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton 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 ou“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 em alguns dos 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 fluído no estado líquido, válvulas de controle dos processos de estado líquido e gasoso, múltiplos estágios e recuperadores para melhorar a eficiência. 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.
[011] Não são conhecidos até o presente um motor integrado com um cicio resultante único.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos conhecidos, sistemas de cogeração e ciclos combinados se encontram na eficiência limitada. A tecnologia mais próxima à deste invento, o ciclo combinado de uma turbina Brayton com uma máquina Rankine ou um motor de cicio Diesel também com uma máquina Rankine impõem muitas perdas com condensação, troca do estado físico do fluido de trabalho, bombeamento do líquido para o tanque de vapor, nova troca de estado físico, calor latente, estas propriedades exigem energia que não se converterá em energia mecânica.
[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, objetivos de melhorar a eficiência, um novo conceito de motores térmicos passou a mostrar vantagens substanciais. Um novo conceito, um passo que evoluiu do ciclo combinado para o ciclo integrado, isto é, não teremos mais um ciclo de uma unidade cujo rejeito de calor deste passa a alimentar outra unidade independente, agora temos um ciclo plenamente integrado a outro onde o processo de transferência de energia passa a ser conceituado como regeneração que interliga duas unidades formando uma nova unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente de forma a termos um ciclo resultante único.
[014] Este novo conceito apresenta comprovadamente melhor eficiência teórica que qualquer outro ciclo conhecido, seja ele independente, como o Otto, Diesel, Stirling, Brayton e Rankine, como também qualquer outro ciclo combinado conhecido, como o Diesel com o Rankine, e Brayton com o Rankine ou Rankine orgânico. As demonstrações destas vantagens se encontram nas equações apresentadas no texto desta patente.
[015] Portanto o objetivo é apresentar um conceito de uma nova tecnologia de motor térmico que ofereça mais eficiência na conversão para força mecânica e geração de energia comparando-se às tecnologias convencionais a partir de fontes térmicas.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[016] Os motores de ciclos integrados, diferente dos combinados, são caracterizados por constituírem um único motor formado por duas unidades e com um único ciclo termodinâmico resultante.
[017] O conceito presente considera uma unidade de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente, cujo processo entre as unidades seja de regeneração total da energia e com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico na unidade principal de ciclo Diesel, e o rejeito de calor ocorre somente na unidade secundária por pistões por um processo isotérmico de compressão.
[018] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica pelo conceito da integração mecânica e termodinâmica formando um novo ciclo resultante. A figura 3 mostra o detalhe da regeneração total entre a unidade principal com a unidade secundária sendo que toda a energia de entrada entra na unidade principal e todo o calor descartado, é descartado teoricamente e integralmente pela unidade secundária. A figura 9 mostra como a unidade principal é conectada na unidade secundária por um processo regenerativo e a figura 11 mostra o ciclo termodinâmico resultante desta integração. A figura 17 mostra um modelo construtivo completo do motor plenamente integrado. Algumas das principais vantagens do invento deste motor de combustão interna integrado 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, itens estes presentes nos ciclos combinados do atua! estado da técnica. Portanto, a inovação apresentada com este invento é expressiva.
[019] O motor térmico de combustão interna com uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, pode ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais e com técnicas amplamente conhecidas, oferecendo viabilidades para seu desenvolvimento, construção e aplicação prática. DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[020] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito de um motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de gás a circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos principais e outros dois, um de exaustão e um de aspiração, um processo isobárico de entrada de energia, um processo adiabático de expansão, um processo isocórico regenerativo, um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor e um processo isocórico regenerativo, sendo representadas conforme segue abaixo:
A figura 1 mostra o ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel;
A figura 2 mostra o detalhe da linha isotérmica 15 entre os pontos (1 ) e (3) do ciclo termodinâmico da unidade principal a qual é necessária para gerar a regeneração que permite a formação do ciclo termodinâmico de cinco processos;
A figura 3 mostra o fluxo de energia 22 da regeneração do processo isocórico da unidade principal de ciclo Diesel para o processo isocórico da unidade secundária a pistões;
A figura 4 mostra na área hachurrada o trabalho acrescido ao ciclo do motor principal de ciclo Diesel pelo motor secundário a pistões;
As figuras 5 e 6 mostram como as unidades mecânicas e o ciclo termodinâmico começam a ser integrados;
As figuras 7 e 8 mostram como o ciclo termodinâmico da unidade secundária a pistões se encaixa no ciclo termodinâmico da unidade principal de ciclo Diesel para formar o motor integrado;
A figura 9 mostra o diagrama completo do motor integrado composto por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária a pistões interligados por um regenerador;
A figura 10 mostra de forma rnais clara a integração do ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com um trabalho líquido mostrado pela região 63 do gráfico, integrada ao trabalho líquido mostrado pela região 64 da unidade secundária a pistões formando um novo ciclo resultante mostrado na figura 11 com um trabalho líquido mostrado pela região 67 do gráfico;
A figura 11 mostra o ciclo termodinâmico resultante do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com a unidade secundária a pistões;
A figura 12 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isocórico da unidade secundária a pistões indicando a atuação da válvula (V1 ) no processo isocórico de aquecimento por regeneração;
A figura 13 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo adiabático de expansão da unidade secundária a pistões indicando que o gás de trabalho permanece confinado adiabaticamente pelos bloqueios das válvulas (V1 ), (V2) e (V3) no processo adiabático de expansão e trabalho;
A figura 14 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna com a unidade secundária a pistões, com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isotérmico de compressão da unidade secundária a pistões indicando a atuação da válvula (V2), (V3) e do turbocompressor 47 no processo isotérmico de compressão e rejeito de calor;
A figura 15 mostra o diagrama do motor integrado, formado pela unidade principal de combustão interna com a unidade secundária a pistões, novamente no estado iniciai do seu respectivo ciclo de entrada da energia regenerada;
A figura 16 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com a unidade secundária a pistões com o detalhe do acoplamento das forças mecânicas de ambas as unidades por meio de um único eixo ou virabrequim comum 113;
A figura 17 mostra um desenho de um modelo construtivo de um motor integrado, constituído por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com uma unidade secundária a pistões;
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVERTO
[021] O entendimento do conceito do motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária por pistões, exige a análise inicialmente do cicio da unidade principal mostrado na figura 1. Para configurar um motor integrado com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos é necessário que a unidade principal de ciclo Diesel seja configurada ou projetada com parâmetros tal que a temperatura { T4 ) seja igual à temperatura fria (Tf) e a temperatura (Tf) seja igual à temperatura final do processo de expansão adiabático (73), de forma a termos uma linha isotérmica entre a temperatura (73) e (Tf) mostrada por 15 na figura 2. Esta exigência fica bem evidente uma vez que desejamos regenerar teoricamente toda a energia indicada por 14 do processo isocórico (3-4), figura 2, para a unidade secundária a pistões, recuperando esta energia no processo isocórico (5-1 ) de aquecimento desta unidade secundária a pistões mostrado na figura 3 Então conforme mostrado na figura 3, teremos a energia 22 teoricamente totalmente regenerada da unidade principal para a unidade secundária a pistões onde a temperatura (T5) do processo isocórico da unidade secundária a pistões é igual a temperatura (Tf) do segmento de menor temperatura do regenerador e a temperatura (Tf) do processo isocórico da unidade secundária a pistões é igual a temperatura (T3) do segmento de maior temperatura do regenerador.
[022] A figura 4 mostra o resultado da integração do ciclo da unidade principal com o ciclo da unidade secundária por pistões e dois ciclos distintos, um de quatro processos termodinâmicos e outro de três processos termodinâmicos passam a ter uma configuração e um comportamento de um único ciclo de cinco processos, um isobárico de expansão (1 -2) de entrada de energia, um adiabático de expansão (2-3), um isocórico regenerativo (3-4), um isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) e um isocórico regenerativo (5-1 ).
[023] As figuras 5 e 6 mostram respectivamente o ciclo termodinâmico e o modelo mecânico da unidade principal de ciclo Diesel. A energia por combustão interna 31 executa o processo isobárico (1 -2) e a combustão ocorre no interior da câmara de combustão 34. Na sequência conforme o fluxo de energia, ocorre o processo de expansão adiabática pelo movimento do pistão 36 no interior do cilindro 35, este pistão por meio de uma biela atua girando o eixo ou virabrequim 37. Na sequência ocorre o processo isocórico (3-4), quando o gás 32 escoa para fora do cilindro seguindo para o regenerador. Na sequência ocorre o processo adiabático de compressão (4-1 ) logo após o gás 33 ser aspirado pelo processo (a-4) do ambiente e comprimido pelo pistão 36 para a câmara de combustão 34.
[024] As figuras 7 e 8 mostram respectivamente o ciclo termodinâmico e o modelo mecânico da unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado. A energia indicada por 41 do regenerador 43 promove o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) com o movimento a volume constante dos pistões dos cilindros 45 e 46. Na sequência ocorre o processo adiabático de expansão (1 -4) com a expansão do gás movimentando o pistão do cilindro 46 gerando força mecânica nos elementos de força motriz 412. Na sequência ocorre o processo isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) com o gás sendo comprimido pelo pistão do cilindro 46 forçando o gás a passar pelo trocador isotérmico 44 movendo o pistão do cilindro 45 e este processo ocorre com o auxílio do turbocompressor 47 movido eletricamente pelo motor elétrico
[025] A figura 9 mostra o motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade principal de ciclo Diesel 53 alimentado por combustão interna com outra unidade a pistões com gás em circuito fechado 54 alimentado por um processo regenerativo, sendo que a unidade principal de ciclo Diesel é alimentada por combustão interna 31 contendo uma câmara de combustão 34 a qual expande o gás da combustão em processo isobárico e na sequência adiabático atuando sobre o pistão 36 no interior do cilindro 35 acionando por meio de uma biela ou eixo 37 que por sua vez produz trabalho útil, e parte da energia cinética do eixo atua no pistão 36 fazendo um processo isocórico com exaustão do gás ainda quente através da válvula 39, alimentando, transferindo a energia ao regenerador que é um trocador de calor isocórico 43, e o trocador de calor isocórico 43, responsável pela regeneração, alimenta a unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado 54, por meio de um processo isocórico, atuando no cilindro de deslocamento de gás 45 o qual é auxiliar dos processos isocórico e isotérmico, e no cilindro de força mecânica 46, responsável pelo trabalho útil, que através de um sensor de posição angular dinâmico chamado de encoder 55 fixado no eixo dos elementos de força mecânica 412 e uma unidade de controle eletrónico ou mecânico 56, atua nas válvulas ou conjunto de válvulas (V1 ) 49, (V2) 410 e (V3) 411 e controlam os processos termodinâmicos da unidade secundária a pistões 54, e de forma que o processo isotérmico da unidade secundária a pistões ocorre pelo rejeito de calor em um trocador isotérmico 44 com o auxílio de um turbocompressor elétrico ou circulador de gás, formado por um rotor 47 e um motor elétrico 48, e o resultado do processo é a força mecânica no eixo que interliga os elementos de força 412, caracterlzando o motor Integrado por uma unidade principal de ciclo Diesel 53 alimentado por combustão interna com uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado 54, alimentado por um processo regenerativo.
[026] As figuras 10 e 11 mostram graficamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna integrado com seu modelo mecânico mostrado na figura 9, formado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel 53 e uma unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado 54 O motor possui um ciclo termodinâmico, cujos fenômenos são gerados a partir de uma fonte térmica a combustão 61 , a qual produz a expansão do gás na câmara de combustão 34 da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel 53, e que gera o processo de entrada de energia do ciclo termodinâmico com uma expansão isobárica (1 -2), onde o gás aumenta a temperatura com a pressão constante (Ph) de ( T1 ) para (Tq), após o processo de expansão isobárico (1 -2), ocorre o processo de expansão adiabático (2-3), com a expansão do gás no interior do cilindro 35 pelo movimento do pistão 36, onde o gás reduz a temperatura de (Tq) para ( T3 ) e reduz a pressão de (Ph) para (P3), após o processo de expansão adiabático (2- 3), ocorre o processo regenerativo isocórico (3-4), com a transferência de energia com volume constante ( V3 ) da unidade principal de ciclo Diesel 53 para o trocador de calor, regenerador isocórico 43, liberando o gás resultante da combustão 51 ao ambiente na temperatura fria (Tf), após o processo isocórico regenerativo (3-4) ocorre na unidade principal 53 o processo de exaustão e aspiração (4-a) e (a-4) respectivamente e sequencialmente, após o processo de exaustão e aspiração ocorre o processo de compressão adiabático (4-1 ) no interior do cilindro 35, pelo movimento de compressão do pistão 36 onde o gás aumenta a temperatura de (Tf) para (Tf) e pressão de ( PL ) para (Ph), finalizando os processos na unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel 53 e estes processos (1 -2), (2-3), (3-4), (4-a, a-4) e (4-1 ) ocorrem em uma ordem de acordo com o fluxo de energia e sequencialmente no domínio do tempo, e a partir do processo isocórico regenerativo (3-4) da unidade principal de ciclo Diesel 53, com o fluxo de gás quente 32 transferindo sua energia ao regenerador 43, ocorre simultaneamente a este o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) da unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado 54, onde o gás em volume constante (V1) com o movimento simultâneo dos pistões dos cilindros 45 e 48, passando o gás pelo regenerador 43 onde o gás aumenta a sua temperatura de (Tf) para ( T1 ) e aumenta a pressão de (P5) para {Ph), após o processo de aquecimento isocórico (5-1 ) ocorre o processo de expansão adiabático (1 -4) no cilindro de força mecânica 46, onde o pistão deste se move a partir do volume (VI) para o volume (V3) com a expansão do gás produzindo força mecânica nos elementos de força motriz 412, e neste processo o gás reduz a temperatura de ( T1 ) para (Tf) e reduz a pressão de (Ph) para ( PL ), após o processo de expansão adiabático (1 -
4), ocorre por meio da energia cinética armazenada nos eixos e elementos de força motriz 412, o processo de compressão e rejeito de calor 62 isotérmico (4-
5), finalizando os processos na unidade secundária a pistões 54 com gás em circuito fechado, e estes três processos (5-1 ), (1 -4), e (4-5) ocorrem em uma ordem sequencial no domínio do tempo finalizando os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna, integrado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária com pistões com gás em circuito fechado, de forma a caracterizar uma nova máquina complexa com duas unidades integradas que no conjunto opera mediante um ciclo 611 formado essencialmente por cinco processos termodinâmicos, por um processo de entrada de energia isobárico (1 -2) por combustão interna 65, um processo de expansão adiabático (2-3) com realização de trabalho 68, um processo isocórico (3-4) regenerativo 69, um processo de rejeito de calor por compressão isotérmica (4-5), 66, um processo de aquecimento isocórico (5-1 ), 610 regenerado pelo processo isobárico (3-4) e ainda um processo de exaustão e aspiração (4-a, a-4), de forma que o motor de combustão interna integrado realiza o trabalho líquido 67 resultante da soma de todos os processos que formam o ciclo termodinâmico.
[027] A tabela 1 mostra os quatro processos (1 -2, 2-3, 3-4, 4-1 ) que formam o ciclo pardal do motor da unidade de combustão interna de ciclo Diesel, e os processos (4-a, a-4) de exaustão e aspiração, mostrados passo a passo, com um processo isobárico, dois processos adiabáticos e um processo isocórico.
Tabela 1
Figure imgf000016_0001
[028] A tabela 2 mostra os três processos (5-1 , 1-4, 4-5) que formam o ciclo da unidade secundária a pistões de circuito fechado mostrados passo a passo, com um processo isocórico de entrada de energia, um processo adiabático de trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor.
Tabela 2
Figure imgf000016_0002
[029] A tabela 3 mostra os cinco processos (1 -2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-1 ) que formam o ciclo termodinâmico resultante do motor de combustão interna integrado, mais os processos de exaustão e aspiração (4-a, a-4), formado por uma unidade a combustão interna de cicio Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna, em um processo de expansão isobárico e rejeito de calor por um processo de compressão isotérmico.
Tabela 3
Figure imgf000017_0001
[030] Todos os processos que formam o cicio termodinâmico do motor integrado, podem ser demonstrados por meio de equações matemáticas. A energia de entrada do motor térmico de combustão inferna de cicio Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, ocorre por meio de um processo isobárico, e a combustão na câmara de combustão 34 produz um acréscimo da energia a partir do ponto (1 ), figura 10, do processo isobárico (1 -2) de expansão e aquecimento representado pela expressão (a).
¾ = ¾ · (?., . G,) (a)
[031] Na equação (a), (Qi) representa a energia total de entrada no sistema por combustão, em“Joule”, (n) representa o número de mol pertencendo à unidade principal de ciclo Diesel, ( R ) representa a constante universal dos gases perfeitos, (Tq) representa a temperatura máxima do gás em“Kelvin” no ponto (2) do processo, figura 10, (T?) representa a temperatura no ponto (1 ) inicia! do processo isobárico, figura 10, e ( ) representa o coeficiente de expansão adiabática. A temperatura (Ti) no ponto (1 ) é igua! à temperatura (T3) do ponto (3).
[032] O processo subsequente ao processo isobárico (1 -2), do cicio, é um processo de expansão adiabático (2-3), é um processo de trabalho com o movimento do pistão 36 no interior do cilindro 35 e é representada pela expressão (b).
Figure imgf000018_0001
[033] O processo subsequente do ciclo é um processo isocórico regenerativo (3-4), figura 10, onde o gás da unidade de combustão interna de ciclo Diesel, transfere sua energia a um regenerador, trocador de calor isocórico 43 e é representada pela expressão (c).
Figure imgf000018_0002
[034] Na equação (c), (Qreg) representa a energia total transferida ao regenerador pelo processo isocórico (3-4), em“Joule”, esta energia alimentará a unidade secundária a pistões a gás de circuito fechado.
[035] O processo subsequente do ciclo é um processo de compressão adiabático (4-1 ), figura 10, onde o pistão 36 comprime o gás à pressão ( Ph ) e temperatura (Tf) e é representado pela expressão (d).
Figure imgf000018_0003
[036] Os processos da unidade a combustão interna de ciclo Diesel, ocorrem em uma ordem de fluxo de energia, e sequencialmente no domínio do tempo.
[037] O processo que alimenta a unidade secundária, é um processo isocórico (5-1 ) e é o processo regenerativo do processo isocórico (3-4) da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel, este processo foi definido pela expressão (c) por (Qreg). Na unidade secundária a pistões a gás de circuito fechado é representado pela expressão (e).
Figure imgf000019_0001
[038] Considerando que o número de mol de gás da unidade secundária a pistões seja definido como (np), para haver uma equaiízação da regeneração, as equações (c) e (e) devem ser iguais, desta forma o número de mol de gás da unidade secundária a pistões deverá ser {np=n), portanto a equação do processo isocórico compensado passará a ser definido pela expressão (f). n.R
Q 5- 1 0) - T. )
Figure imgf000019_0002
Cr- 1)
[039] O processo de expansão adiabático (1 -4) da unidade secundária a pistões será representado pela expressão (g).
Figure imgf000019_0003
[040] O processo de rejeito de calor da unidade secundária a pistões é um processo isotérmico (4-5), este processo de compressão isotérmico e rejeito de calor será representado pela expressão (h).
Figure imgf000019_0004
[041] O trabalho útil total, do motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, é representado graficamente pela área hachurada, indicada por 67 da figura 11 , considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado expressão (í) abaixo.
Figure imgf000020_0001
[042] Desta forma, a eficiência do motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, ideal, é representado pela expressão (j) ou (k), as quais revelam em condições ideais que o motor integrado de combustão interna por ciclo Diesel pode atingir eficiências na ordem de 80%.
Figure imgf000020_0002
[043] As equações de (a) a (k) demonstram matematicamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor, o trabalho útil e a eficiência. Estas equações demonstram matematicamente como os fenômenos ocorrem, sua origem por meio da combustão interna, cada um dos processos decorrentes, o trabalho útil resultante e a energia não utilizada na conversão do trabalho rejeitada ao ambiente.
[044] O motor integrado formado por uma unidade de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado, constitui uma única máquina plenamente integrada de forma que ambas as unidades possuem um único eixo comum, virabrequim, mostrado no desenho da figura 16 indicado por 113.
[045] Os parâmetros de cada uma das unidades, da unidade de ciclo Diesel e da unidade de circuito fechado, sistema fechado, não necessitam necessariamente serem iguais, isto é, os volumes (V1), (V3), o número de mol (n), tipo de gás, etc, estes não precisam ser iguais, tais parâmetros não alteram a eficiência teórica do motor. Vários parâmetros podem ser alterados oferecendo novas características, como por exemplo, a densidade de potência, rotação das unidades, sem alterar a eficiência e o conceito principal.
[048] Para o máximo aproveitamento térmico e eficiência do motor integrado, sugere-se que seja considerado o emprego de turbocompressores elétricos também na unidade Diesel, evitando a utilização dos gases quentes da exaustão, deixando este, o gás da exaustão, exclusivamente para a regeneração da unidade secundária.
[047] Um modelo construtivo do motor integrado, formado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado e seus principais elementos é mostrado na figura 17. A unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel mostrado na figura 17, tem um misturador 1215 para a entrada de ar, os cilindros da unidade principal por combustão interna 121 , a unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado 122, um eixo, virabrequim comum 128, bomba d’água 1213, sensor tipo termostato 1214, ventoinha 1211 radiador para a unidade principal a combustão interna 129, radiador para o resfriamento do processo isotérmico de compressão 1210, regenerador 125, trocador resfriador do processo isotérmico 126, turbocompressor elétrico 123, coletor da saída do gás quente 124, saída final da exaustão 127.
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
[048] Motores integrados formado por uma unidade de combustão inferna de ciclo Diesel e uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado, possuem inúmeras aplicações, uma delas pode ser destinado a veículos, como uma alternativa frente aos ciclos combinado do motor Diesel com Rankine Orgânico, outra aplicação seria em plantas de geração de energia, pois tem como benefício direto, a sua capacidade de converter maior quantidade de energia em trabalho em se comparando com as tecnologias tradicionais e com as tecnologias atuais de ciclos combinados. Este motor integrado possui uma eficiência teórica superior aos conhecidos motores de ciclo Diesel, ciclo Brayton, ciclo Rankine e os ciclos combinados destes, conforme demonstrado pelas equações apresentadas e pela equação (j) da eficiência.

Claims

REiViNDiCACÕES
1 ) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", caracíerízado por ser constituído pela Integração de uma unidade principal de ciclo Diesel (53), alimentado por combustão interna com outra unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado (54), alimentado por um processo regenerativo, sendo que a unidade principal de ciclo Diesel é alimentada por combustão interna (31 ), contendo uma câmara de combustão (34), a qual expande o gás da combustão em processo isobárico e na sequência adiabático, atuando sobre o pistão (36) no interior do cilindro (35) acionando o eixo (37), que por sua vez produz trabalho útil, e parte da energia cinética do eixo, atua no pistão (36) fazendo um processo isocórico com exaustão do gás ainda quente através da válvula (39), alimentando, transferindo a energia ao regenerador que é um trocador de calor isocórico (43), e o trocador de calor isocórico (43) responsável pela regeneração, alimenta a unidade secundária a pistões (54) por meio de um processo isocórico, atuando nos cilindros de deslocamento de gás (45) o qual é auxiliar dos processos isocórico e isotérmico, e no cilindro de força mecânica (46), responsável pelo trabalho útil que através de um sensor de posição angular dinâmico chamado de encoder (55), fixado no eixo dos elementos de força mecânica (412) e uma unidade de controle eletrónico ou mecânico (56), atua nas válvulas ou conjunto de válvulas V1 (49), V2 (410) e V3 (411 ) e controlam os processos termodinâmicos da unidade secundária a pistões (54), e de forma que o processo isotérmico da unidade secundária a pistões, ocorre pelo rejeito de calor em um trocador isotérmico (44) com o auxilio de um turbocompressor elétrico ou circulador de gás, formado por um rotor (47) e um motor elétrico (48), e o resultado do processo é a força mecânica no eixo que interliga os elementos de força 412, caracterizando o motor integrado por uma unidade principal de ciclo Diesel (53), alimentado por combustão interna com uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado (54), alimentado por um processo regenerativo.
2) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído pela integração de uma unidade principal de ciclo Diesel (53), alimentado por combustão interna, com uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado (54), alimentado por um processo regenerativo.
3) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por uma câmara de combustão (34), a qual expande o gás da combustão em processo isobárico, e na sequência executa um processo de expansão adiabático e posteriormente os processos isocóricos de exaustão, isobáricos de aspiração e adiabático de compressão.
4) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um eixo (37) que por sua vez produz trabalho útil.
5) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por uma válvula (39), que alimenta, transferindo a energia com a massa de gás para o regenerador (43).
6) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um regenerador que é um trocador de calor Isocórico (43), e o trocador de calor isocórico (43), responsável pela regeneração, alimenta o processo isocórlco da unidade secundária a pistões (54).
7) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por um cilindro de deslocamento de gás (45) auxiliar dos processos isocórico e isotérmico.
8) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracíerizado por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por um cilindro de força mecânica (46) responsável pelo trabalho útil.
9) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por um sensor de posição angular dinâmico chamado de encoder (55), fixado no eixo dos elementos de força mecânica (412).
10) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracferízado por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por uma unidade de controle eletrónico ou mecânico (56), a qual atua nas válvulas ou conjunto de válvulas de controle dos processos.
11 ) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizad© por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por um conjunto de válvulas V1 (49), V2 (410) e V3 (411 ) e controlam os processos termodinâmicos da unidade secundária a pistões (54)
12) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizad© por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por um turbocompressor elétrico ou circulador de gás, formado por um rotor (47) e um motor elétrico (48) que auxilia no processo de compressão e rejeito de calor isotérmico
13) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR
UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE
SECUNDÁRIA A PISTÕES”, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizad© por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por um trocador de calor isotérmico (44) de resfriamento para o rejeito de calor.
14) " MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR
UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE
SECUNDÁRIA A PISTÕES", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizad© por ser constituído de uma unidade secundária a pistões (54) a gás de circuito fechado, composto por elementos de força mecânica (412) responsável por transmitir a potência para a realização de trabalho útil.
15) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", caracterizad© por processos termodinâmicos que geram um ciclo termodinâmico, cujos fenômenos são gerados a partir de uma fonte térmica a combustão (61 ), a qual produz a expansão do gás na câmara de combustão (34) da unidade principal de ciclo Diesel de combustão interna (53), e que gera o processo de entrada de energia do ciclo termodinâmico com uma expansão isobárica (1-2), onde o gás aumenta a temperatura com a pressão constante Ph de Tf para Tq, após o processo de expansão isobárico (1 -2) ocorre o processo de expansão adiabático (2-3) com a expansão do gás no interior do cilindro (35) pelo movimento do pistão (36), onde o gás reduz a temperatura de Tq para T3 e reduz a pressão de Ph para P3, após o processo de expansão adiabático (2-3), ocorre o processo regenerativo isocórico (3-4), com a transferência de energia com volume constante ¾/3 da unidade principal de ciclo Diesel (53) para o trocador de calor, regenerador isocórico (43), liberando o gás resultante da combustão (51 ) ao ambiente na temperatura fria Tf, após o processo isocórico regenerativo (3-4), ocorre na unidade principal (53), o processo de exaustão e aspiração (4-a) e (a-4) respectivamente e sequencialmente, após o processo de exaustão e aspiração ocorre o processo de compressão adiabático (4-1 ), no interior do cilindro (35), pelo movimento de compressão do pistão (36), onde o gás aumenta a temperatura de Tf para Tf e pressão de PL para Ph, finalizando os processos na unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel (53), e estes processos (1-2), (2-3), (3-4), (4- a, a-4) e (4-1 ) ocorrem em uma ordem de acordo com o fluxo de energia e sequencialmente no domínio do tempo, e a partir do processo isocórico regenerativo (3-4) da unidade principal de ciclo Diesel (53) com o fluxo de gás quente (32), transferindo sua energia ao regenerador (43), ocorre simultaneamente a este o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) da unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado (54), onde o gás, em volume constante V1 com o movimento simultâneo dos pistões dos cilindros (45) e (46), passando o gás pelo regenerador (43), onde o gás aumenta a sua temperatura de Tf para Tf e aumenta a pressão de P5 para Ph, após o processo de aquecimento isocórico (5-1 ), ocorre o processo de expansão adiabático (1 -4) no cilindro de força mecânica (46), onde o pistão deste se move a partir do volume V1 para o volume V3 com a expansão do gás, produzindo força mecânica nos elementos de força motriz 412, e neste processo o gás reduz a temperatura de Tf para Tf e reduz a pressão de Ph para PL , após o processo de expansão adiabãtico (1 -4), ocorre por meio da energia cinética armazenada nos eixos e elementos de força motriz 412, o processo de compressão e rejeito de calor (62) isotérmico (4-5), finalizando os processos na unidade secundária a pistões (54) com gás em circuito fechado, e estes três processos (5-1 ), (1 -4), e (4-5) ocorrem em uma ordem sequencial no domínio do tempo, finalizando os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna integrado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade com pistões com gás em circuito fechado, de forma a caracterizar uma nova máquina complexa com duas unidades integradas, que no conjunto opera mediante um ciclo (611 ) formado essencialmente por cinco processos termodinâmicos, por um processo de entrada de energia isobárico (1 -2) por combustão inferna (65), um processo de expansão adiabátíco (2-3) com realização de trabalho (68), um processo isocórico (3-4) regenerativo (69), um processo de rejeito de calor por compressão isotérmica (4-5), (66), um processo de aquecimento isocórico (5- 1 ), (610) regenerado pelo processo isobárico (3-4) e ainda um processo de exaustão e aspiração (4-a, a-4), de forma que o motor de combustão interna integrado realiza o trabalho líquido (67), resultante da soma de todos os processos que formam o ciclo termodinâmico.
16) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com a reivindicação 15, caracterízado por processos cujos fenômenos são gerados a partir de uma fonte térmica a combustão (61 ), a qual produz a expansão do gás na câmara de combustão (34) da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel (53), e que gera o processo de entrada de energia do ciclo termodinâmico com uma expansão isobárica (1 -2), onde o gás aumenta a temperatura com a pressão constante Ph de T1 para Tq.
17) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO”, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão isobárico (1 -2) ocorre o processo de expansão adiabático (2-3), com a expansão do gás no interior do cilindro (35) pelo movimento do pistão (36), onde o gás reduz a temperatura de Tq para T3 e reduz a pressão de Ph para P3.
18) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabático (2-3) ocorre o processo regenerativo isocórico (3-4), com a transferência de energia com volume constante V3 da unidade principal (53) para o trocador de calor, regenerador isocórico (43), liberando o gás resultante da combustão (51 ) ao ambiente na temperatura fria Tf.
19) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por um processo onde após o processo isocórico regenerativo (3-4), ocorre na unidade principal (53) o processo de exaustão e aspiração (4-a) e (a-4) respectivamente e sequencialmente
20) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por um processo onde após o processo de exaustão e aspiração, ocorre o processo de compressão adiabático (4-1 ) no interior do cilindro (35) pelo movimento de compressão do pistão (36), onde o gás aumenta a temperatura de Tf para T1 e pressão de PL para Ph, finalizando os processos na unidade principal de combustão interna por pistão (53), e estes processos (1 -2), (2-3), (3-4), (4-a, a-4) e (4-1 ) ocorrem em uma ordem de acordo com o fluxo de energia e sequencialmente no domínio do tempo.
21 ) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por um processo, onde a partir do processo isocórico regenerativo (3-4) da unidade principal (53) com o fluxo de gás quente (32), transferindo sua energia ao regenerador (43), ocorre simultaneamente a este o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) da unidade a pistões com gás em circuito fechado (54), onde o gás em volume constante V1 com o movimento simultâneo dos pistões dos cilindros (45) e (46) passando o gás pelo regenerador (43), onde o gás aumenta a sua temperatura de Tf para T1 e aumenta a pressão de P5 para Ph.
22) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com a reivindicação 15, caracterlzado por um processo onde após o processo de aquecimento isocórico (5-1 ), ocorre o processo de expansão adiabáíico (1 -4) no cilindro de força mecânica (46), onde este se move a partir do volume VI para o volume V3 com a expansão do gás, produzindo força mecânica nos elementos de força motriz 412, e neste processo, o gás reduz a temperatura de Tf para Tf e reduz a pressão de Ph para PL.
23) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com a reivindicação 15, caracterlzado por um processo onde após o processo de expansão adiabático (1 -4), ocorre por meio da energia cinética armazenada nos eixos e elementos de força motriz 412, o processo de compressão e rejeito de calor (62) isotérmico (4-5), finalizando os processos na unidade secundária a pistões (54) com gás em circuito fechado, e estes três processos (5-1 ), (1 -4), e (4-5) ocorrem em uma ordem sequencial no domínio do tempo, finalizando os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna integrado por uma unidade de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária com pistões com gás em circuito fechado
24) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO", de acordo com as reivindicações de 15 a 23, caracterlzado de forma integrada por um ciclo (611 ) formado essencialmente por cinco processos termodinâmicos, por um processo de entrada de energia isobárico (1 -2) por combustão interna (65), um processo de expansão adiabático (2-3) com realização de trabalho (68), um processo isocórico (3-4) regenerativo (69), um processo de rejeito de calor por compressão isotérmica (4-5), (66), um processo de aquecimento isocórico (5-1 ), (610) regenerado pelo processo isobárico (3-4) e ainda um processo de exaustão e aspiração (4-a, a- 4), de forma que o motor de combustão interna integrado realiza o trabalho líquido (67) resultante da soma de todos os processos que formam o ciclo termodinâmico.
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