BR102012013088A2 - COMBINED CYCLE ENGINE - Google Patents
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Abstract
MOTOR DE CICLO COMBINADO. É um motor de combustão interna que combina o ciclo Otto ou Diesel com o ciclo Rankine no mesmo dispositivo. O vapor gerado com a potência térmica de arrefecimento do próprio motor e com a potência térmica disponíveis nos gases de escape é injetado nos cilindros prioritariamente na fase de expansão dos gases de combustão. Balanços de massa e energia do ciclo Otto e Rankine indicam que este procedimento, de reitroduzir calor rejeitado pelo sistema novamente no ciclo termodinâmico, propicia ganho no consumo de combustível de até 36%. Abre também a possibilidade de aplicação de outras tecnologias para melhorar ainda mais a eficiência em relação aos casos apresentados, diminuindo consideravelmente tanto a poluição térmica como a de emissão de particulados e gases poluentes pelo motores de combustão interna.COMBINED CYCLE ENGINE. It is an internal combustion engine that combines the Otto or Diesel cycle with the Rankine cycle on the same device. The steam generated with the engine's own cooling thermal power and with the thermal power available in the exhaust gases is injected into the cylinders primarily in the flue gas expansion phase. Mass and energy balances of the Otto and Rankine cycle indicate that this procedure, of re-producing heat rejected by the system again in the thermodynamic cycle, provides fuel consumption gains of up to 36%. It also opens up the possibility of applying other technologies to further improve efficiency in relation to the cases presented, considerably reducing both thermal pollution and the emission of particulate and polluting gases by internal combustion engines.
Description
MOTOR DE CICLO COMBINADOCOMBINED CYCLE ENGINE
A presente patente refere-se à aplicação do conceito de ciclo combinado de centrais termelétricas em motores de combustão interna, combinando o ciclo Otto/Diesel com o ciclo Rankine, com vistas a melhorar o rendimento térmico e consequentemente reduzir o consumo de combustíveis.The present patent relates to the application of the combined cycle concept of thermoelectric power stations to internal combustion engines, combining the Otto / Diesel cycle with the Rankine cycle, with a view to improving thermal efficiency and consequently reducing fuel consumption.
Desde a década de 1980, tem-se utilizado o conceito de ciclo combinado em termelétricas com o qual o combustível fóssil tem sido queimado em turbinas a gás com eficiência em tomo de 30%, e o rejeito térmico, cerca de 70%, tem sido utilizado na geração de vapor para acionar turbinas a vapor. As termelétricas 10 anteriores embasados somente no ciclo Rankine tinham um rendimento aproximado de 35%, e com a concepção do ciclo combinado apresentam rendimento térmico de até 60%.Since the 1980s, the combined cycle concept in thermoelectric plants has been used with which fossil fuel has been burned in gas turbines with efficiency around 30%, and thermal waste, around 70%, has been used. used in steam generation to drive steam turbines. The previous 10 thermal plants based only on the Rankine cycle had an approximate efficiency of 35%, and with the combined cycle design have a thermal efficiency of up to 60%.
A utilização da combinação ciclo Otto e Diesel com o ciclo de vapor Rankine é feita com sistema de recuperação calor residual (Waste Heat Recovery) rejeitado pelos gases de exaustão para gerar vapor e utilizar este vapor como fluído motriz de uma turbina. No conceito apresentado, o calor do sistema de arrefecimento do motor também é totalmente reaproveitado.The use of the Otto and Diesel cycle combined with the Rankine steam cycle is made with a waste heat recovery system rejected by the exhaust gases to generate steam and use this steam as the driving fluid of a turbine. In the concept presented, the heat of the engine cooling system is also fully reused.
Messingger, EP0076885, propôs a injeção do vapor no motor de quatro tempos, transformado em motor de seis tempos, quatro tempos para o ciclo Otto ou Diesel, intercalado por dois tempos do motor a vapor (injeção e exaustão de vapor).Messingger, EP0076885, proposed the injection of steam into the four-stroke engine, transformed into a six-stroke, four-stroke engine for the Otto or Diesel cycle, interspersed with two-stroke steam engine (steam injection and exhaust).
O motor de ciclo combinado é um motor que combina o ciclo Otto ou Diesel com o ciclo Rankine sem a necessidade de turbina assim como na concepção de Messinger, mas as injeções ocorrem no final do segundo tempo (compressão) e/ou no início do terceiro tempo (combustão/expansão) em alta pressão, e o motor continua sendo de 4 tempos.The combined cycle engine is an engine that combines the Otto or Diesel cycle with the Rankine cycle without the need for a turbine as in the Messinger design, but injections occur at the end of the second half (compression) and / or at the beginning of the third. time (combustion / expansion) at high pressure, and the engine remains 4 stroke.
O motor de ciclo combinado apresenta as seguintes vantagens em relação ao conceito de Messinger ou outro de múltiplos cilindros que dedicam um ou mais ciclos somente com vapor:The combined-cycle engine has the following advantages over the Messinger or multi-cylinder concept that dedicates one or more steam-only cycles:
1. Não há mudança significativa do motor de combustão para o1. There is no significant change from the combustion engine to the
motor de ciclo combinado.combined cycle motor.
2. A dinâmica da compressão / expansão do motor a vapor e do motor de combustão é diferente. No motor de ciclo combinado, o ciclo Otto ou Diesel ocorre simultaneamente no mesmo volume de controle.2. The dynamics of compression / expansion of the steam engine and the combustion engine are different. In the combined cycle engine, the Otto or Diesel cycle occurs simultaneously at the same control volume.
3. Possibilidade de aumento da taxa de compressão.3. Possibility of increased compression ratio.
4. Possibilidade de preaquecer o ar de combustão.4. Possibility to preheat combustion air.
O ganho de potência do motor de ciclo combinado depende de inúmeros fatores. Para exemplificar os efeitos destes fatores, são apresentados dois casos de balanço de massa e energia: o Caso Maria Fumaça caracterizado por modificações mínimas em relação aos motores convencionais, e o Caso 10 Avançado no qual é mostrado a possibilidade de aumentar o rendimento com algumas melhorias. Os dois casos referem-se a um motor a gasolina que desenvolve 50 kW (70 HP), consumindo 14,9 l/h de gasolina no ciclo Otto.The power gain of the combined cycle motor depends on a number of factors. To illustrate the effects of these factors, two cases of mass and energy balance are presented: the Maria Fumaça Case, characterized by minimal modifications compared to conventional engines, and the Advanced Case 10, which shows the possibility of increasing performance with some improvements. . Both cases refer to a gasoline engine that develops 50 kW (70 HP), consuming 14.9 l / h of gasoline in the Otto cycle.
O Caso Maria Fumaça é mostrado esquematicamente na figura 1 cuja legenda dos principais equipamentos é:The Maria Fumaça Case is shown schematically in Figure 1, whose main equipment legend is:
1. Reservatório de água1. Water reservoir
2. Bomba de água de Alimentação2. Feed water pump
3. Coletor (semelhante ao vaso do sistema de arrefecimento selado)3. Collector (similar to sealed cooling system vessel)
4. Bomba de água de recirculação, a mesma do sistema de4. Recirculating water pump, the same as the recirculating water
arrefecimento.cooling.
5. Descarga do sistema de arrefecimento. Escoamento bifásico5. Cooling system discharge. Biphasic flow
condensado e vaporcondensate and steam
6. Bomba de condensado, para não depender da circulação natural6. Condensate pump, not depend on natural circulation
7. Coletor de descarga do motor com gases quentes7. Engine exhaust manifold with hot gases
8. Evaporador8. Evaporator
9. Descarga de vapor9. Steam Discharge
10. Escapamento - Exaustão10. Exhaust - Exhaust
11. Injeção de vapor11. Steam Injection
A água de reposição é bombeada do reservatório, item 1 da fig. 1 para a sucção bomba de água de circulação, item 4 da fig. 1. A vazão de reposição que é igual à vazão de vapor injetado, é muito menor que a vazão de arrefecimento, e a potência da bomba de água de alimentação, item 2 da fig. 1 é baixa. Cerca de 50% da vazão da água de alimentação é evaporada no bloco do motor e é descarregada, item 5 da fig. 1, no vaso coletor, item 3 da fig. 1.Replacement water is pumped from the reservoir, item 1 of fig. 1 for the suction circulating water pump, item 4 of fig. 1. The replacement flow that is equal to the injected steam flow, is much smaller than the cooling flow, and the feed water pump power, item 2 of fig. 1 is low. About 50% of the feed water flow rate is evaporated in the engine block and discharged, item 5 of fig. 1, in the collecting vessel, item 3 of fig. 1.
Aproximadamente 50% da vazão da água de alimentação é bombeada pela bomba de condensado, item 6 da fig. 1, para o evaporador, item 8 da fig. 1, que envia o vapor para o vaso coletor, item 9 da fig. 1. O item 10 da fig. 1 representa a exaustão pelo escapamento do gás de combustão mais vapor.Approximately 50% of the feed water flow is pumped by the condensate pump, item 6 of fig. 1 for the evaporator, item 8 of fig. 1, which sends steam to the collecting vessel, item 9 of fig. 1. Item 10 of fig. 1 represents the exhaust from the flue gas exhaust plus steam.
No balanço de massa e energia resumido na Tabela 1 abaixo, é mostrada que o consumo de 14,9 l/h de gasolina produz uma potência térmica de 147,6 kW no ciclo Otto (linha 1 coluna B da tabela 1), desta 30% são rejeitadas pelo radiador (linha 2), 30% pelos gases de escape (linha 3) e 6,1 % por radiação eIn the mass and energy balance summarized in Table 1 below, it is shown that consumption of 14.9 l / h of gasoline produces a thermal power of 147.6 kW in the Otto cycle (row 1 column B of table 1). % are rejected by the radiator (line 2), 30% by the exhaust gases (line 3) and 6.1% by radiation and
convecção do bloco do motor (linha 5), restando 33,9% que são transformadas em potência de eixo (linha 6).motor block convection (line 5), leaving 33.9% which are transformed into shaft power (line 6).
No ciclo combinado toda a potência térmica do arrefecimento do motor é utilizada para preaquecer a água de alimentação e gerar vapor e, portanto os valores da linha 2 colunas DeE são zeros.In the combined cycle all the thermal power of the engine cooling is used to preheat the supply water and generate steam and therefore the values of row 2 columns DeE are zero.
Em termelétricas de grande porte, a perda pela exaustão dos gases deIn large thermoelectric plants, the loss of exhaust gases from
combustão representa menos de 10% da potência de combustão. O valor típico para o ciclo Otto é 30% e para o Caso Maria Fumaça, foi considerada a recuperação de 15%, através de um do trocador de calor compacto, e simples item 8 da fig. 1.combustion represents less than 10% of combustion power. The typical value for the Otto cycle is 30% and for the Maria Fumaça case, 15% recovery was considered through a compact heat exchanger, and simple item 8 of fig. 1.
Na combustão é gerado vapor que é considerado como um componenteIn combustion steam is generated which is considered as a component
do gás de combustão. O vapor injetado é tratado separadamente do vapor de combustão para os cálculos do balanço de massa e energia do ciclo Rankine. O vapor do coletor item 3 da fig. 1 é injetado diretamente nos cilindros do motor, item 11 da fig.1..of flue gas. Injected steam is treated separately from combustion steam for Rankine cycle energy and mass balance calculations. The steam from the manifold item 3 of fig. 1 is injected directly into the engine cylinders, item 11 of fig.1.
A figura 2 mostra esquematicamente a posição do pistão no motor de 4Figure 2 shows schematically the position of the piston in the 4-stroke engine.
tempos:times:
a) Final da admissão,(a) end of admission,
b) Compressão,b) compression,
c) Início da Expansão, após a ignição e,c) Beginning of Expansion after ignition and,
d) Exaustãod) Exhaustion
Na posição a) da fig. 2, mostra o final da admissão quando a válvula 1 de admissão de ar é fechada iniciando a compressão; na b) mostra a compressão, no final este processo ocorre a ignição; na c) o início da expansão, com a injeção de vapor pela válvula 2 (ocorre após a ignição e início da expansão). Na posição d) o gás de combustão e o vapor injetado são descarregados para o coletor, item 7 da figura 1, pela válvula 3 da fig. 2.In position a) of fig. 2 shows the end of the intake when the air intake valve 1 is closed initiating compression; in b) shows the compression, in the end this process occurs the ignition; na c) the start of expansion, with steam injection through valve 2 (occurs after ignition and start of expansion). In position d) the flue gas and the injected vapor are discharged to the manifold, item 7 of figure 1, by valve 3 of fig. 2.
A linha 3 da tabela 1 mostra que 22,1 kW da potência de combustão éRow 3 of Table 1 shows that 22.1 kW of combustion power is
rejeitada pelo gás de combustão.rejected by the flue gas.
O balanço de massa e energia do ciclo Rankine mostra que a descarga do vapor injetado rejeita 55,3 kW, 38% da potência de combustão (linha 4 da tabela 1) pelo escapamento, item 10 da fig. 1.The mass and energy balance of the Rankine cycle shows that the injected vapor discharge rejects 55.3 kW, 38% of the combustion power (row 4 of table 1) by the exhaust, item 10 of fig. 1.
A perda de calor por convecção e radiação foi mantida igual para os doisThe heat loss by convection and radiation was kept equal for both
ciclos (linha 5).cycles (line 5).
A potência de eixo do ciclo combinado (linha 6 coluna D) é determinada pela soma da potência do ciclo Otto (linha 6 coluna B) com a do ciclo de vapor (linha 12) descontados a perda do ciclo Otto (linha 13) e a potência da bomba de água de alimentação (linha 14).The shaft power of the combined cycle (row 6 column D) is determined by the sum of the power of the Otto cycle (row 6 column B) and that of the steam cycle (row 12) minus the loss of the Otto cycle (row 13) and the power of the feed water pump (line 14).
A potência térmica absorvida na geração do vapor (linha 10) é menor do que os 45% rejeitados pelo ciclo Otto (30% do radiador +15% da exaustão), pois no ciclo combinado, parte desta energia é transformada em potência de eixo.The thermal power absorbed in steam generation (line 10) is lower than the 45% rejected by the Otto cycle (30% of the radiator + 15% of the exhaust), because in the combined cycle part of this energy is transformed into shaft power.
A potência térmica de geração de vapor do ciclo combinado é ajustada interativamente de forma que a potência de eixo mais as potências rejeitadas do motor de ciclo combinado sejam iguais à potência de combustão. Este valor somado com a potência de bombeamento (linha 15) é utilizado para determinar vazão de água/vapor do ciclo Rankine (linhas 17 a 20 coluna E)The combined cycle steam generation thermal power is adjusted interactively so that the axle power plus the rejected power of the combined cycle engine is equal to the combustion power. This value plus the pumping power (line 15) is used to determine the Rankine cycle water / vapor flow rate (lines 17 to 20 column E).
O vapor saturado injetado (linha 18) é misturado ao gás de combustão sendo superaquecido até 800 C (linha 19 coluna C), retirando calor do ciclo Otto (linha 11). A temperatura de 800 C foi definida pela limitação do programa de determina as propriedades físicas do vapor conforme a IAPWS-IF97.Injected saturated steam (line 18) is mixed with the flue gas and overheated to 800 C (line 19 column C), removing heat from the Otto cycle (line 11). The temperature of 800 C was defined by the program limitation of determining the physical properties of steam according to IAPWS-IF97.
A potência de eixo do ciclo de vapor (linha 12) é determinada pelo balanço de massa e energia do ciclo Rankine, linhas 17 a 20. A potência transferida do gás de combustão para o superaquecimento do vapor (linha 11) deixa de ser convertida em potência de eixo no ciclo Otto. A determinação desta perda (linha 13) é feita considerando conservativamente a eficiência do ciclo Otto de 33,9%.The shaft power of the steam cycle (line 12) is determined by the Rankine cycle mass and energy balance, lines 17 to 20. The power transferred from the flue gas to the steam overheat (line 11) is no longer converted to shaft power in the Otto cycle. The determination of this loss (line 13) is made conservatively considering the Otto cycle efficiency of 33.9%.
Tabela 1:- Caso Maria Fumaça Consumo ConstanteTable 1: - Maria Smoke Case Constant Consumption
Colunas W A B C D E Consumo de gasolina [l/h] 14,9 ciclo Otto Ciclo combinado [kW] [%] [kW] [%] 1 Potência térmica combustão 147,6 100% 147,6 100% 2 Radiador 44,3 30,0% 0 0% 3 Exaustão gás de combustão 44,3 30,0% 22,1 15% 4 Exaustão vapor injetado 55,3 38% outros 9,0 6,1% 9,0 6,1% 6 Potência de eixo 50,0 33,9% 61,1 41,4% 7 8 Ciclo de Vapor e efeito no ciclo Otto 9 [kW] Potência térmica absorvida geração de vapor injetado 50,0 11 Potência térmica absorvida superaquecimento do vapor 25,0 12 Potência mecânica do ciclo de vapor 19,7 13 Perda do ciclo Otto 8,5 14 Potência da bomba de água de alimentação (BAA) 0,146 Critério de convergência 0,000 Pot BAA estimada 0,146 16 Pressão Temp Entalpia vazão [bar abs] [C] [kJ/kg] [kg/h] 17 água de alimentação 40 25,0 108,5 67,1 18 Vapor de injeção 40 250,4 2800,9 67,1 19 Vapor no cilindro 40 800 4142,5 67,1 Descarga vapor do cilindro 2,3 307 3086,5 67,1 O ciclo de vapor do Caso Maria Fumaça é o mais simples possível, muito semelhante aos antigos motores a vapor. A água sob pressão atmosférica e em temperatura ambiente (linha 17 coluna C da tabela 1 e item 1 da fig. 1) é bombeada a 40 bar abs (linha 17 coluna B da tabela 1) para gerar vapor saturado.Columns WABCDE Petrol consumption [l / h] 14.9 Otto cycle Combined cycle [kW] [%] [kW] [%] 1 Thermal power combustion 147.6 100% 147.6 100% 2 Radiator 44.3 30, 0% 0 0% 3 Exhaust combustion gas 44.3 30.0% 22.1 15% 4 Exhaust steam injected 55.3 38% other 9.0 6.1% 9.0 6.1 6.1% 6 Axle power 50.0 33.9% 61.1 41.4% 7 8 Steam Cycle and Otto 9 Cycle Effect [kW] Absorbed Thermal Power Injected Steam Generation 50.0 11 Super Absorbed Thermal Power steam heating 25.0 12 Mechanical power of steam cycle 19.7 13 Loss of Otto cycle 8.5 14 Feed water pump power (BAA) 0.146 Convergence criterion 0.000 Pot BAA 0.146 16 Temp pressure Enthalpy flow [ bar abs] [C] [kJ / kg] [kg / h] 17 feed water 40 25.0 108.5 67.1 18 injection steam 40 250.4 2800.9 67.1 19 steam in the cylinder 40 800 4142.5 67.1 Cylinder Steam Discharge 2.3 307 3086.5 67.1 The Maria Fumaça Case's steam cycle is as simple as possible, very similar to the old steam engines. Water at atmospheric pressure and at room temperature (row 17 column C of table 1 and item 1 of fig. 1) is pumped to 40 bar abs (row 17 column B of table 1) to generate saturated steam.
Na pressão de 40 bar abs, a temperatura do vapor saturado será de 250,4 C (linha 18 coluna C da tabela 1), temperatura baixa o suficiente para resfriar o bloco do motor.At a pressure of 40 bar abs, the saturated vapor temperature will be 250.4 C (row 18 column C of table 1), a temperature low enough to cool the engine block.
A pressão de descarga do cilindro (linha 20 da tabela 1) é a pressão parcial do vapor injetado, determinada em função da fração molar de cada componente do gás de exaustão (CO2, H2O de combustão, N2 e H2O injetado).Cylinder discharge pressure (row 20 in Table 1) is the partial pressure of the injected vapor, determined as a function of the molar fraction of each exhaust gas component (CO2, combustion H2O, N2 and injected H2O).
No Caso Maria Fumaça, não há a recuperação de água e o ganho naIn the Maria Fumaça case, there is no water recovery and gain in
potência do motor é de 22 % ou como mostra a tabela 2 a seguir, para a mesma potência, o consumo do ciclo combinado é 18% menor em relação ao ciclo Otto.engine power is 22% or as shown in table 2 below, for the same power, the combined cycle consumption is 18% lower compared to the Otto cycle.
Esta concepção simples do motor de ciclo combinado, com bom ganho de eficiência, tem um grande inconveniente: o consumo excessivo de água, 67 l/h, ou seja, 270 litros de água para uma autonomia de 4 horas, típico das “Maria Fumaças”, antigos trens movidos a carvão ou lenha. Tabela 2:- Caso Maria Fumaça Potência ConstanteThis simple design of the combined-cycle engine with good efficiency has one major drawback: excessive water consumption, 67 l / h, ie 270 liters of water for a 4-hour autonomy, typical of “Maria Fumaças”. ”, Old trains run on coal or wood. Table 2: - Maria Smoke Case Constant Power
Colunas linhas A B C D E Consumo de gasolina [l/h] 14,9 12,2 ciclo Otto Ciclo combinado [kW] [%] [kW] [%] 1 Potência térmica combustão 147,6 100% 120,8 100% 2 Radiador 44,3 30,0% 0 3 Exaustão gás de combustão 44,3 30,0% 18,1 15% 4 Exaustão vapor injetado 45,3 38% outros 9,0 6% 7,4 6% 6 Potência de eixo 50,0 33,9% 50,0 41,4% 7 8 Ciclo de Vapor e efeito no ciclo Otto 9 [kW] Potência térmica absorvida geração de vapor injetado 41,0 11 Potência térmica absorvida superaquecimento do vapor 20,5 12 Potência mecânica do ciclo de vapor 16,1 13 Perda do ciclo Otto 6,9 14 Potência da bomba de água de alimentação (BAA) 0,119 Critério de convergência 0,000 Pot BAA estimada 0,119 16 Pressão Temp Entalpia vazão [bar abs] [C] [kJ/kg] [kg/h] 17 água de alimentação 40 25,0 108,5 54,9 18 Vapor de injeção 40 250,4 2800,9 54,9 19 Vapor no cilindro 40 800 4142,5 54,9 Descarga vapor do cilindro 2,3 307 3086,5 54,9 Na fig. 3 é apresentada esquematicamente a concepção Avançada:ABCDE Columns Petrol consumption [l / h] 14.9 12.2 Otto cycle Combined cycle [kW] [%] [kW] [%] 1 Thermal power combustion 147.6 100% 120.8 100% 2 Radiator 44 , 3 30.0% 0 3 Exhaust flue gas 44.3 30.0% 18.1 15% 4 Exhaust steam injected 45.3 38% other 9.0 6% 7.4 6% 6 Axle power 50, 0 33.9% 50.0 41.4% 7 8 Steam cycle and effect on Otto 9 cycle [kW] Thermal power absorbed injected steam generation 4 1.0 11 Absorbed thermal power Steam overheat 20.5 12 Mechanical power of steam cycle 16.1 13 Loss of Otto cycle 6.9 14 Feed water pump power (BAA) 0.119 Convergence criterion 0.000 Pot estimated BAA 0.119 16 Temp pressure Enthalpy flow [bar abs] [C] [kJ / kg] [kg / h] 17 feed water 40 25.0 108.5 54.9 Injection steam 40 250.4 2800.9 54, 9 19 Steam in the cylinder 40 800 4142,5 54.9 Discharge steam from the cylinder 2,3 307 3086,5 54.9 In fig. 3 shows the Advanced design schematically:
1. Coletor de Condensado1. Condensate Collector
2. Bomba de água de Alimentação 12. Feed water pump 1
3. Coletor (semelhante ao vaso do sistema de arrefecimento selado)3. Collector (similar to sealed cooling system vessel)
4. Bomba de água de recirculação, a mesma do sistema de4. Recirculating water pump, the same as the recirculating water
arrefecimentocooling
5. Descarga do sistema de arrefecimento. Escoamento bifásico5. Cooling system discharge. Biphasic flow
condensado e vaporcondensate and steam
6. Bomba de água de alimentação 26. Feed water pump 2
7. Coletor de descarga do motor com gases quentes7. Engine exhaust manifold with hot gases
8. Gerador de vapor (evaporador superaquecedor de vapor)8. Steam generator (superheated steam evaporator)
9. Descarga de vapor9. Steam Discharge
10. Escapamento - Exaustão10. Exhaust - Exhaust
11. Injeção de vapor de média11. Medium Steam Injection
12. Condensador (na posição do radiador)12. Condenser (in radiator position)
13. Dessuperaquecedor13. Desuperheater
14. Preaquecedor14. Preheater
15. Descarte de excesso de condensado 16.0 vaso de alta pressão15. Discarding excess condensate 16.0 high pressure vessel
17. Injeção de vapor de alta17. High Steam Injection
A melhoria mais importante em relação ao caso Maria Fumaça, é a recuperação de condensado.The most important improvement over the Maria Fumaça case is the recovery of condensate.
O tanque de água é substituído pelo coletor de condensado (iteml da fig. 3) e a função da bomba de água de alimentação 1 (item 2 da fig. 3) é mesma do 25 caso Maria Fumaça. Coletor (item 3 da fig. 3) trabalha agora a pressão menor, pois este vapor será injetado antes da ignição para inibir a autoignição e para diminuir a temperatura máxima após a ignição com a finalidade de minimizar a geração de NOx.The water tank is replaced by the condensate collector (item1 in fig. 3) and the function of the feed water pump 1 (item 2 in fig. 3) is the same as in the Maria Fumaça case. Collector (item 3 of fig. 3) now works at lower pressure as this vapor will be injected before ignition to inhibit self ignition and to decrease maximum temperature after ignition in order to minimize NOx generation.
A fig. 4 mostra esquematicamente a posição do pistão no motor de 4 tempos, com 4 válvulas por cilindro, a válvula 1 é a de admissão de ar, a 2 de injeção de vapor de média, a 3 de injeção de vapor de alta e a 4 de exaustão:Fig. 4 schematically shows the position of the piston in the 4 stroke engine with 4 valves per cylinder, valve 1 is the air intake, 2 medium steam injection, 3 high steam injection and 4 exhaustion:
a) Final da admissão, b) Compressão,a) End of admission, b) Compression,
c) Início da Expansão, após a ignição e,c) Beginning of Expansion after ignition and,
d) Exaustãod) Exhaustion
A bomba 4 da fig. 3 continua com a função de água de circulação, masThe pump 4 of fig. 3 continues with the circulating water function but
com menor potência. Pouco mais de 10% do calor de arrefecimento é retirado com este sistema para gerar 10 kg/h de vapor de média pressão.with less power. Just over 10% of the cooling heat is removed with this system to generate 10 kg / h of medium pressure steam.
A bomba do item 6 da fig. 3 tem a função de bomba de água de alimentação, bombea o condensado através das canaletas de resfriamento do 10 bloco do motor, retirando quase 90% da potência de arrefecimento. O condensado deixa o bloco e entra no gerador de vapor (item 8 da fig. 3) para a evaporação total e superaquecimento sendo então descarregado no vaso de alta pressão (item 16 da fig. 3)The pump of item 6 of fig. 3 has the function of feed water pump, pumping the condensate through the cooling channels of the motor block, removing almost 90% of the cooling power. The condensate leaves the block and enters the steam generator (item 8 of fig. 3) for full evaporation and overheating and is then discharged into the high pressure vessel (item 16 of fig. 3).
O gás de exaustão é encaminhado pelo coletor (item 7 da fig. 3) para o gerador de vapor (item 8 da fig. 3), que em contra corrente gera vapor superaquecido.The exhaust gas is routed through the manifold (item 7 of fig. 3) to the steam generator (item 8 of fig. 3), which in counter current generates overheated steam.
Do gerador de vapor, o gás de exaustão passa pelo preaquecedor (itemFrom the steam generator, the exhaust gas passes through the preheater (item
14 da fig. 3), pelo dessuperaquecedor (item 13 da fig. 3), pelo condensador (item 12 da fig. 3) para finalmente ser descarregado no Tanque de condensado (item 1 da fig. 3).14 of fig. 3) by the desuperheater (item 13 of fig. 3), by the condenser (item 12 of fig. 3) to finally be discharged into the condensate tank (item 1 of fig. 3).
O vapor contido no gás de exaustão deixa o preaquecedor (item 14 da fig. 3) superaquecido, e a utilização de dessuperaquecedor é importante para compactar o condensador (o coeficiente de transferência de calor de condensação maior).The vapor contained in the exhaust gas leaves the preheater (item 14 of Fig. 3) overheated, and the use of desuperheater is important for compacting the condenser (the higher condensation heat transfer coefficient).
Para recuperar o condensado, é necessário que o gás de exaustão sejaTo recover condensate, the exhaust gas must be
resfriado abaixo de 100C pelo condensador a ar.cooled below 100C by the air condenser.
Do tanque de condensado, o gás de combustão é liberado para a atmosfera. O tanque de condensado possui um extravasor que descarga o excesso de condensado (a água da combustão) e uma purga contínua pelo fundo do tanque.From the condensate tank, the flue gas is released to the atmosphere. The condensate tank has a vent that discharges excess condensate (the combustion water) and a continuous purge from the bottom of the tank.
As tabelas 3 e 4, mostram os balanços de massa e energia do caso avançado. O ganho de potência no caso avançado é de 57%, passando dos 70 HP do ciclo Otto para 106 HP1 ou mantendo a potência de 70 HP1 uma economia de 36% de combustível.Tables 3 and 4 show the mass and energy balances of the advanced case. The power gain in the advanced case is 57%, from 70 HP Otto cycle to 106 HP1 or maintaining the power of 70 HP1 a 36% fuel economy.
Nos cálculos apresentados foram adotadas as seguintes aproximações:In the presented calculations the following approximations were adopted:
1. Conservativamente foi assumido que a perda do ciclo Otto é proporcional a potência transferida para o vapor, considerando o rendimento nominal do ciclo de combustão (33,9%).1. Conservatively it was assumed that the loss of the Otto cycle is proportional to the power transferred to the steam, considering the nominal efficiency of the combustion cycle (33.9%).
2. Temperatura do vapor após mistura com o gás de combustão: 800 C devido à limitação do programa de determina as propriedades físicas do vapor conforme a IAPWS-IF97.2. Vapor temperature after mixing with flue gas: 800 C due to program limitation to determine the physical properties of vapor according to IAPWS-IF97.
3. Durante a expansão foi considerado dois volumes de controles isolados termicamente para o gás de combustão e vapor injetado respectivamente.3. During expansion, two volumes of thermally insulated controls were considered for flue gas and injected steam respectively.
4. Foi considerado que o vapor do gás de exaustão deixa o preaquecedor a 150 C.4. The exhaust gas vapor was considered to leave the preheater at 150 ° C.
A eficiência do motor de ciclo combinado pode ser aumentada em relação ao caso avançado considerando os seguintes aspectos:Combined-cycle motor efficiency can be increased over the advanced case by considering the following:
1. Minimizar as perdas por radiação e convecção1. Minimize radiation and convection losses
2. Alteração da taxa de compressão beneficiando se da injeção de vapor de média pressão2. Compression ratio change benefiting from medium pressure steam injection
3. Preaquecimento do gás de combustão beneficiando se também da injeção de vapor de média pressão3. Flue gas preheating also benefiting from medium pressure steam injection
O propósito da alta pressão do vapor principal de injeção, é de reduzir a vazão de vapor (rejeição menor de calor do ciclo Rankine) como também de armazenar uma grande quantidade de energia mecânica no vaso de pressão, isolado termicamente.The purpose of the high pressure of the main injection steam is to reduce the steam flow (lower heat rejection of the Rankine cycle) as well as to store a large amount of mechanical energy in the thermally insulated pressure vessel.
A pressão do sistema de vapor de alta pressão proporciona torque suficiente para mover o carro com a transmissão engatada, característica importantíssima para o trânsito em grandes centros urbanos onde a eficiência dos carros se aproxima de zero (queima de combustível com trabalho próximo de zero).The pressure of the high-pressure steam system provides enough torque to move the car with the transmission in gear, a very important feature for traffic in large urban centers where car efficiency approaches zero (near-zero fuel burn).
No motor de ciclo combinado, a queima de combustível só seria feita para recuperar a pressão do vapor, de preferência tracionando o carro para utilizar a eficiência do ciclo Otto ou Diesel. Com o carro parado combustão desligada e vapor bloqueado, não haverá consumo de energia.In the combined-cycle engine, fuel burning would only be done to recover vapor pressure, preferably by pulling the car to use the efficiency of the Otto or Diesel cycle. With the car stopped combustion off and steam blocked, there will be no power consumption.
O sistema de vaso de pressão poderá também desempenhar a função do booster de carro de competição, utilizado para aumentar a potência por curtos períodos.The pressure vessel system may also perform the function of the racing car booster, which is used to increase power for short periods.
A pressão maior da descarga da exaustão do motor de cicloLarger cycle engine exhaust discharge pressure
combinado devido à injeção de vapor é um parâmetro importante para dimensionar gerador de vapor e condensador, tornando os equipamentos compactos.Combined due to steam injection is an important parameter for sizing steam generator and condenser, making equipment compact.
Na combustão é gerado vapor que será condensado junto com o vapor injetado, e mesmo com purga contínua, não haverá necessidade de reposição de água (somente aditivo para proteger o motor).In combustion steam is generated which will be condensed together with the injected steam, and even with continuous purge, there will be no need for water replacement (only additive to protect the engine).
Os poluentes contidos no condensado resultado da lavagem dos gases de exaustão no coletor de condensado podem ser removidos por filtragem ou concentrados em líquido a ser descartado utilizando tecnologia como a de osmose reversa.The pollutants contained in the condensate resulting from the flushing of the exhaust in the condensate manifold can be filtered off or concentrated in a liquid to be disposed using reverse osmosis technology.
A utilização de motores de ciclo combinado propiciará uma redução significativa de consumo de combustíveis e impactará fortemente na proteção do meio ambiente diminuindo a poluição térmica assim como a emissão de particulados para a atmosfera.The use of combined-cycle engines will significantly reduce fuel consumption and greatly impact on environmental protection by reducing thermal pollution as well as particulate emissions into the atmosphere.
25 CO 0325 CO 03
SZ ■SZ ■
CÇ
11
22
33
44
55th
66th
77th
88th
99th
1010
1111
1212
1313
1414th
1515
1616
1717
1818
1919
2020
2121
2222
2323
2424
2525
2626
12/1312/13
Tabela 3:- Caso Avançado Consumo ConstanteTable 3: - Advanced Case Constant Consumption
ColunasColumns
ATHE
BB
DD
Consumo de gasolina [l/h]Petrol Consumption [l / h]
14,914.9
ciclo OttoOtto cycle
Ciclo combinadoCombined cycle
[kW][kW]
[%][%]
[kW][kW]
[%][%]
Potência térmica combustãoThermal power combustion
147,6147.6
100%100%
147,57147.57
100%100%
RadiadorRadiator
44,344.3
30,0%30.0%
00
Exaustão gás de combustãoExhaust flue gas
44,344.3
30,0%30.0%
10,310.3
7%7%
Exaustão vapor injetadoSteam Injected Exhaust
49,849.8
34%34%
outrosothers
9,09.0
6%6%
9,09.0
6%6%
Potência de eixoShaft power
50,050.0
33,9%33.9%
78,478.4
53,1%53.1%
Ciclo de Vapor e efeito no ciclo OttoSteam cycle and effect on Otto cycle
[kW][kW]
Potência térmica absorvida geração de vapor injetadoThermal power absorbed injected steam generation
73,373.3
Potência térmica absorvida superaquecimento do vaporThermal power absorbed steam overheating
17,417.4
Potência mecânica do ciclo de vaporMechanical power of steam cycle
36,336.3
Perda do ciclo OttoLoss of Otto Cycle
5,95.9
Potência da bomba de água de alimentação (BAA1)Feed Water Pump Power (BAA1)
0,370.37
Potência da bomba de água de alimentação (BAA2)Feed Water Pump Power (BAA2)
1,611.61
Critério de convergênciaConvergence Criterion
0,0000.000
Pot Vopor GVPot Vopor GV
1,5601.560
Pressão [bar abs]Pressure [bar abs]
TempTemp
[C][Ç]
EntalpiaEnthalpy
[kJ/kg][kJ / kg]
vazãoflow rate
[kg/h][kg / h]
água de alimentaçãofeed water
3030
99,599.5
419419
109,6109.6
Condensado de médiaCondensed average
3030
234234
1.0081,008
109,6109.6
Vapor de média injetadoMedium Injected Steam
3030
234234
2.8032,803
10,010.0
Vapor de média no cilindroAverage steam in cylinder
3030
800800
4.1474,147
10,010.0
Descarga vapor de médiaAverage steam discharge
420420
3.3163,316
10,010.0
água de alimentaçãofeed water
150150
240240
1.0371,037
99,699.6
Vapor de injeçãoSteam injection
150150
600600
3.5833,583
99,699.6
Vapor no cilindroSteam in the cylinder
150150
800800
4.0914,091
99,699.6
Descarga vapor de altaHigh steam discharge
3,83.8
201201
2.8642,864
99,6 Tabela 4:- Caso Avançado Potência Constante99.6 Table 4: - Advanced Case Constant Power
Colunas A B C D E (/) Consumo de gasolina [l/h] 14,9 9,5 CO C ciclo Otto Ciclo combinado [kW] [%] [kW] [%] 1 Potência térmica combustão 147,6 100% 94,2 100% 2 Radiador 44,3 30,0% 0 3 Exaustão gás de combustão 44,3 30,0% 6,6 7% 4 Exaustão vapor injetado 31,8 34% outros 9,0 6% 5,8 6% 6 Potência de eixo 50,0 33,9% 50,0 33,9% 7 8 Ciclo de Vapor e efeito no ciclo Otto 9 [kW] Potência térmica absorvida geração de vapor injetado 44,6 11 Potência térmica absorvida superaquecimento do vapor 11,0 12 Potência mecânica do ciclo de vapor 22,9 13 Perda do ciclo Otto 3,7 14 Potência da bomba de água de alimentação (BAA1) 0,22 Potência da bomba de água de alimentação (BAA2) 0,88 16 Critério de convergência 0,000 Pot Vopor GV 1,082 17 Pressão Temp Entalpia vazão [bar abs] [C] [kJ/kg] [kg/h] 18 água de alimentação 30 99,5 419 64,4 19 Condensado de média 30 234 1.008 64,4 Vapor de média injetado 30 234 2.803 10,0 21 Vapor de média no cilindro 30 800 4.147 10,0 22 Descarga vapor de média 2 342 3.157 10,0 23 água de alimentação 150 240 1.037 54,4 24 Vapor de injeção 150 600 3.583 54,4 Vapor no cilindro 150 800 4.091 54,4 26 Descarga vapor de alta 2,2 145 2.757 54,4ABCDE columns (/) Petrol consumption [l / h] 14.9 9.5 CO C Otto cycle Combined cycle [kW] [%] [kW] [%] 1 Thermal power combustion 147.6 100% 94.2 100 % 2 Radiator 44.3 30.0% 0 3 Exhaust combustion gas 44.3 30.0% 6.6 7% 4 Exhaust steam injected 31.8 34% other 9.0 6% 5.8 6% 6 Power 50.0 33.9% 50.0 33.9% 7 8 Steam cycle and effect on cycle Otto 9 [kW] Po Absorbed thermal power Injected steam generation 44.6 11 Absorbed thermal power Steam overheat 11.0 12 Mechanical steam cycle power 22.9 13 Loss of Otto cycle 3.7 14 Feed water pump power (BAA1) 0 .22 Feeding water pump power (BAA2) 0.88 16 Convergence criterion 0.000 Pot Vopor GV 1,082 17 Temp pressure Enthalpy flow [bar abs] [C] [kJ / kg] [kg / h] 18 feeding water 30 99.5 419 64.4 19 Average condensate 30 234 1,008 64.4 Average injected steam 30 234 2,803 10,0 21 Average steam in the cylinder 30 800 4,147 10,0 22 Discharge average steam 2 342 3,157 10, 0 23 feed water 150 240 1,037 54,4 24 Injection steam 150 600 3,583 54,4 Steam in the cylinder 150 800 4,091 54,4 26 High steam discharge 2,2 145 2,757 54,4
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BR102012013088A BR102012013088A2 (en) | 2012-05-31 | 2012-05-31 | COMBINED CYCLE ENGINE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BR102012013088A BR102012013088A2 (en) | 2012-05-31 | 2012-05-31 | COMBINED CYCLE ENGINE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BR102012013088A2 true BR102012013088A2 (en) | 2014-04-29 |
Family
ID=50516355
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BR102012013088A BR102012013088A2 (en) | 2012-05-31 | 2012-05-31 | COMBINED CYCLE ENGINE |
Country Status (1)
Country | Link |
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BR (1) | BR102012013088A2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015070302A1 (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-21 | Massao Sakai | Combined-cycle combustion engine method and combined-cycle combustion engine |
-
2012
- 2012-05-31 BR BR102012013088A patent/BR102012013088A2/en not_active IP Right Cessation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015070302A1 (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-21 | Massao Sakai | Combined-cycle combustion engine method and combined-cycle combustion engine |
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