BR102017008545B1 - DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE - Google Patents

DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE THERMAL ENGINE Download PDF

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Abstract

Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema híbrido é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos isobáricos e quatro politrópicos com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.The present invention refers to a heat engine and its thermodynamic cycle of eight processes, more specifically it is a heat engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each one operates a thermodynamic cycle of four processes, however interdependent on each other, forming a complex cycle of eight processes, operates with gas, the circuit of this hybrid system is closed in a differential configuration, based on the concept of a hybrid thermodynamic system, this system carries out a thermodynamic cycle composed of eight processes so that it executes at any time in the cycle, two simultaneous and interdependent, complementary processes, four of which are isobaric and four polytropic with variable mass transfer, which may be null or partial.

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃOTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente, trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema híbrido é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos “isobáricos” e quatro “politrópicos” com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.[001] The present invention refers to a heat engine and its thermodynamic cycle of eight processes, more specifically, it is a heat engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each one operates a thermodynamic cycle of four processes, but interdependent between themselves, forming a complex cycle of eight processes, operates with gas, the circuit of this hybrid system is closed in a differential configuration, based on the concept of a hybrid thermodynamic system, this system carries out a thermodynamic cycle composed of eight processes so that it performs at any time in the cycle, two simultaneous and interdependent, complementary processes, four of these processes being “isobaric” and four “polytropic” with variable mass transfer, which may be null or partial.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION

[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.[002] Classical 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 underlie all motor cycles known to date.

[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.[003] The isolated thermodynamic system is defined as a system in which neither matter nor energy passes through it. Therefore, this thermodynamic system concept does not offer properties that allow the development of engines.

[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigênio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. As matérias que saem destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos, as energias que saem destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.[004] The open thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which energy and matter can enter and leave this system. Examples of an open thermodynamic system are internal combustion engines, the Otto cycle, the Atkinson cycle, similar to the Otto cycle, the Diesel cycle, the Sabathe cycle, similar to the Diesel cycle, the Brayton cycle with internal combustion, the Rankine cycle with exhaust from steam to the environment. 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 leave these systems are the exhaust from combustion or the working fluid, gases, waste, the energies that leave these systems are the mechanical work energy and part of the heat dissipated.

[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot. A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema é a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.[005] The closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and leave this system. Examples of a closed thermodynamic system are external combustion engines such as the Stirling cycle, the Ericsson cycle, the Rankine cycle with working fluid in a closed circuit, the Brayton heat cycle or external combustion, the Carnot cycle. The energy that enters this system is heat. The energy that leaves this system is the mechanical work energy and part of the heat dissipated, but no matter leaves these systems, as occurs in the open system.

[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, como entrada eles possuem no tempo (t1) a temperatura (Tq), a massa (m1) e o número de mol (n1) e na saída, no tempo (t2), ambos possuem a temperatura (Tf), a massa (m1) e o número de mol (n1), a massa é constante, a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa (m1) atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa (m1) permanece no sistema, conforme a figura 1.[006] Both systems, open and closed, as input they have at time (t1) the temperature (Tq), mass (m1) and the number of moles (n1) and at the exit, at time (t2), both have the temperature (Tf), the mass (m1) and the number of moles (n1), the mass is constant, the difference between them is that in the open system the mass (m1) crosses the system and in the closed system, the mass (m1) remains in the system, as shown in figure 1.

ESTADO ATUAL DA TÉCNICACURRENT STATE OF THE TECHNIQUE

[007] Os motores conhecidos até o presente são fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, eles possuem seus ciclos termodinâmicos compostos por uma série de processos sequenciais e independentes, e ocorre um único processo por vez até que o ciclo se complete, como pode ser observado no gráfico pressão/volume na figura 2. Assim são os motores de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Rankine, Stirling, Ericsson e o ciclo teórico ideal de Carnot e o ciclo Brayton também pertence aos sistemas ou aberto ou fechado, porém diferente dos demais, seus quatro processos ocorrem todos simultaneamente.[007] The engines known to date are based on open thermodynamic systems or closed thermodynamic systems, they have their thermodynamic cycles composed of a series of sequential and independent processes, and a single process occurs at a time until the cycle is completed, as can be seen in the pressure/volume graph in figure 2. These are the Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Rankine, Stirling, Ericsson cycle engines and the ideal theoretical Carnot cycle and the Brayton cycle also belongs to the open or closed systems , however, unlike the others, its four processes all occur simultaneously.

[008] A energia interna do gás de trabalho dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado não é constante durante o seu ciclo, a equação que representa a energia interna é indicada na equação (a) [008] The internal energy of the working gas of engines based on open and closed systems is not constant during their cycle, the equation that represents the internal energy is indicated in equation (a)

[009] Na equação (a), (U) representa a energia interna em “Joule”, (n) representa o número de mol, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (T) representa a temperatura do gás em “Kelvin” e (Y) representa o coeficiente de expansão adiabática.[009] In equation (a), (U) represents the internal energy in “Joule”, (n) represents the number of moles, (R) represents the universal constant of perfect gases, (T) represents the temperature of the gas in “Kelvin” and (Y) represents the adiabatic expansion coefficient.

[010] Como ocorre sempre um único processo por vez na maioria dos motores projetados com o conceito de sistema aberto ou fechado, a energia interna varia com o tempo, uma vez que o produto: número de mol (n) pela temperatura (T), (n.T) não é constante durante o ciclo, pois a temperatura (T) é uma variável nos processos e o número de mol (n) é uma constante nos processos.[010] As only one process always occurs at a time in most engines designed with the open or closed system concept, the internal energy varies with time, since the product: number of moles (n) by temperature (T) , (n.T) is not constant during the cycle, as the temperature (T) is a variable in the processes and the number of moles (n) is a constant in the processes.

[011] O atual estado da técnica que caracteriza todos os motores, é caracterizado ainda pela propriedade onde a saída do processo, o trabalho, é uma consequência direta da entrada da energia, calor ou combustão, ou seja, quando é necessário mais trabalho, injeta-se mais calor ou se promove mais combustão, todos os processos que formam o ciclo do motor são igualmente influenciados, em outras palavras, os motores são controlados pela alimentação direta. Por exemplo, nos motores de combustão interna, Otto, Diesel, Brayton, para se obter maior potência injeta-se mais combustível, mais oxigênio e assim se produz mais trabalho, mais rotação. Para se obter maior potência com rotação constante, normalmente utilizam-se caixas de redução ou transformação de rotação. Por analogia, tais tecnologias podem ser comparadas na eletricidade a motores de corrente contínua, estes, para aumentar a potência, aumenta-se a tensão de alimentação do motor.[011] The current state of the art that characterizes all engines is also characterized by the property where the output of the process, work, is a direct consequence of the input of energy, heat or combustion, that is, when more work is needed, If more heat is injected or more combustion is promoted, all processes that form the engine cycle are equally influenced, in other words, the engines are controlled by direct power supply. For example, in internal combustion engines, Otto, Diesel, Brayton, to obtain greater power, more fuel and more oxygen are injected and thus more work is produced, more rotation. To obtain greater power with constant rotation, reduction or rotation transformation boxes are normally used. By analogy, such technologies can be compared in electricity to direct current motors, which, to increase power, increase the motor's supply voltage.

[012] O atual estado da técnica compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para leva-los a partir, ao funcionamento. Os motores de combustão interna exigem a compressão, mistura de combustível com o oxigênio e uma centelha ou combustão por pressão, desta forma um motor auxiliar de partida, normalmente elétrico, é utilizado. Os motores de combustão externa, como o de ciclo Stirling ou Ericsson por sua vez também exigem motores auxiliares e de alta potência, pois eles precisam vencer o estado de repouso sob pressão para entrar em operação. Uma exceção é o motor de ciclo Rankine, este pode partir através do comando de válvulas para fornecer a pressão do vapor aos elementos de força motriz.[012] The current state of the art comprises a series of internal combustion and external combustion engines, most of these engines require a second auxiliary engine to start them up. Internal combustion engines require compression, mixing of fuel with oxygen and a spark or pressure combustion, so an auxiliary starting engine, usually electric, is used. External combustion engines, such as the Stirling or Ericsson cycle engines, in turn, also require auxiliary and high-power engines, as they need to overcome the resting state under pressure to start operating. An exception is the Rankine cycle engine, which can start via valve control to supply steam pressure to the driving force elements.

[013] O atual estado da técnica compreende uma série de motores, a maioria deles, dependentes de condições muito específicas e especiais para operar, por exemplo, os motores de combustão interna, cada um deles exige seu combustível específico, controle fino de combustível, oxigênio e o tempo da combustão e em alguns casos exigem condições específicas inclusive de pressão, a flexibilidade no combustível é bem limitada. Nesta categoria, dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, o motor mais flexível é o de ciclo Rankine, de combustão externa ou o Stirling, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto a fonte, mas possuem outras deficiências importantes.[013] The current state of the art comprises a series of engines, most of them, dependent on very specific and special conditions to operate, for example, internal combustion engines, each of which requires its specific fuel, fine fuel control, oxygen and combustion time and in some cases require specific conditions including pressure, flexibility in the fuel is very limited. In this category, of the engines based on open and closed systems, the most flexible engine is the Rankine cycle engine, with external combustion or the Stirling, also with external combustion, these are more flexible in terms of source, but have other important deficiencies.

[014] O atual estado da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige combustão, isto é, a queima de algum tipo de combustível, e, portanto, a necessidade de oxigênio.[014] The current state of the art comprises a series of cycle engines, most of which require combustion, that is, the burning of some type of fuel, and, therefore, the need for oxygen.

[015] O estado atual da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige altas temperaturas para operação, os de combustão interna especialmente, costumam operar com o gás de trabalho em temperatura superiores a 1000 °C. Os motores de combustão externa ou operante por fontes de calor externas, como de ciclo Rankine e Stirling, normalmente são projetados para operarem com temperaturas do gás de trabalho entre 400 °C e 800 °C. Além dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado exigirem na maioria das vezes altas temperaturas para que possam operar, todos eles possuem suas eficiências limitadas ao teorema de Carnot, isto é, suas eficiências máximas dependem exclusivamente das temperaturas conforme definido pela equação (b). [015] The current state of the art comprises a series of engine cycles, most of which require high temperatures for operation, especially those with internal combustion, usually operate with working gas at temperatures above 1000 °C. External combustion engines or those operated by external heat sources, such as Rankine and Stirling cycles, are normally designed to operate with working gas temperatures between 400 °C and 800 °C. In addition to engines based on open and closed systems most of the time requiring high temperatures to operate, all of them have their efficiencies limited to Carnot's theorem, that is, their maximum efficiencies depend exclusively on temperatures as defined by equation (b).

[016] Na equação (b), (q) é o rendimento, (Tf) é a temperatura da fonte fria e (Tq) é a temperatura da fonte quente, ambas em “Kelvin”.[016] In equation (b), (q) is the yield, (Tf) is the temperature of the cold source and (Tq) is the temperature of the hot source, both in “Kelvin”.

[017] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton, de ciclo Rankine, de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistema aberto e fechado. As últimas novidades do estado atual da técnica, vem sendo apresentadas através de inovações juntando-se mais de um ciclo antigo formando ciclos combinados, isto é: novos sistemas de motores compostos por uma máquina de ciclo Brayton operante com combustíveis de origem fóssil, gás ou óleo e uma máquina de ciclo Rankine dependente do calor rejeitado pela máquina de ciclo Brayton. Ou a mesma filosofia, unindo-se um motor de ciclo Diesel com um de ciclo Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto, também, unindo-o com um motor de ciclo Rankine.[017] The current state of the art, based on open and closed systems, basically comprises six engine cycles and some versions of these: the Otto cycle, the Atkinson cycle, similar to the Otto cycle, the Diesel cycle, the Sabathe cycle, similar to the Diesel, Brayton cycle, Rankine cycle, Stirling cycle, Ericsson cycle and Carnot cycle, ideal theoretical reference for engines based on open and closed systems. The latest developments in the current state of the art have been presented through innovations joining more than one old cycle to form combined cycles, that is: new engine systems composed of a Brayton cycle machine operating with fuels of fossil origin, gas or oil and a Rankine cycle machine dependent on the heat rejected by the Brayton cycle machine. Or the same philosophy, combining a Diesel cycle engine with a Rankine cycle engine or even an Otto cycle engine, also combining it with a Rankine cycle engine.

[018] O estado atual da técnica apresenta uma série de limitações e oferece também uma série de problemas. A maioria dos motores, como os de combustão interna, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe e Brayton, exigem combustíveis específicos para cada conceito, por exemplo: gasolina, óleo diesel, gás, querosene, e de alto poder calorífico, precisam trabalhar sob altas temperaturas e por consequência, durante muitos anos vem dependendo de combustíveis fósseis, trazendo danos graves ao clima e meio-ambiente, isto é, são caracterizados pela não sustentabilidade. O sistema termodinâmico sob os quais estes motores são projetados trazem como limitação de eficiência o teorema de Carnot o qual, em função de seu princípio, impõe o limite da eficiência como função direta e exclusiva das temperaturas, conforme equação (b).[018] The current state of the art presents a series of limitations and also offers a series of problems. Most engines, such as internal combustion, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe and Brayton cycle engines, require specific fuels for each concept, for example: gasoline, diesel oil, gas, kerosene, and with high calorific value, they need to work under high temperatures and consequently, for many years it has depended on fossil fuels, causing serious damage to the climate and the environment, that is, they are characterized by non-sustainability. The thermodynamic system under which these engines are designed has Carnot's theorem as an efficiency limitation which, due to its principle, imposes the efficiency limit as a direct and exclusive function of temperatures, according to equation (b).

[019] A maioria dos motores da atualidade exigem combustíveis refinados e poluentes com efeitos nocivos ao clima, ao ambiente e, portanto, comprometem a sustentabilidade. Uma das mais recentes tecnologias desenvolvidas para minimizar o impacto, foi a junção de dois antigos conceitos de motores, o motor de ciclo Brayton e o motor de ciclo Rankine, formando um sistema composto por dois ciclos combinados, de forma tal que o rejeito de calor da primeira máquina é utilizado pela segunda máquina para melhorar a eficiência do conjunto, porém o uso de combustíveis fósseis e seus efeitos permanecem. O ciclo combinado continua a ser caracterizado por um motor sob conceito de sistema aberto e um motor sob o conceito de sistema fechado, independentes, ou seja, é classificado como sistema combinado, dois ciclos completamente independentes, não se caracteriza como sistema híbrido.[019] Most of today's engines require refined and polluting fuels with harmful effects on the climate and the environment and, therefore, compromise sustainability. One of the most recent technologies developed to minimize the impact was the joining of two old engine concepts, the Brayton cycle engine and the Rankine cycle engine, forming a system composed of two combined cycles, in such a way that the waste heat of the first machine is used by the second machine to improve the efficiency of the set, however the use of fossil fuels and their effects remain. The combined cycle continues to be characterized by an engine under the open system concept and an engine under the closed system concept, independent, that is, it is classified as a combined system, two completely independent cycles, it is not characterized as a hybrid system.

[020] Os demais motores, de ciclo Stirling e Ericsson, são motores sob o conceito de sistema fechado, são de combustão externa ou fonte de calor externo. Em função de suas propriedades, embora tenham os conceitos mais simples de motores, são difíceis de serem construídos. Exigem parâmetros de projetos casados, isto é, funcionam bem, com boa eficiência, apenas em seu regime específico de operação, temperatura, pressão, carga, fora do ponto central de operação suas eficiências caem bruscamente, ou não operam. Portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.[020] The other engines, Stirling and Ericsson cycles, are engines under the closed system concept, they are external combustion or external heat sources. Due to their properties, although they have the simplest engine concepts, they are difficult to build. They require matched project parameters, that is, they work well, with good efficiency, only in their specific operating regime, temperature, pressure, load, outside the central point of operation their efficiencies drop sharply, or they do not operate. Therefore, they are machines that are rarely used for industrial or popular use.

[021] O motor ideal de Carnot, figura 3, por sua vez, embora seja considerado o motor ideal, mais perfeito até o presente, ele o é na teoria e dentro dos conceitos de sistema aberto e fechado considerando todos os parâmetros ideais, por este motivo é a referência até hoje para todos os conceitos de motores existentes. O motor de Carnot não é encontrado no uso prático porque os materiais reais não possuem as propriedades exigidas para tornar o motor de Carnot uma realidade, as dimensões físicas para que o ciclo de Carnot possa ser executado como na teoria, seriam inviáveis em um caso prático, portanto ele é um Motor ideal nos conceitos de sistema aberto e sistema fechado, porém no conceito teórico.[021] Carnot's ideal engine, figure 3, in turn, although it is considered the ideal engine, most perfect to date, it is so in theory and within the concepts of open and closed system considering all ideal parameters, for This motif remains the reference to this day for all existing engine concepts. The Carnot engine is not found in practical use because real materials do not have the properties required to make the Carnot engine a reality, the physical dimensions so that the Carnot cycle can be executed as in theory, would be unfeasible in a practical case. , therefore it is an ideal Engine in the concepts of open system and closed system, but in the theoretical concept.

[022] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, estes de combustão interna, são decorrentes diretamente da alimentação de combustíveis e oxigênio e como resultado oferecem maior rotação e torque simultaneamente. Para haver separação entre o torque e a rotação, eles exigem caixas de velocidade. Estas máquinas não permitem controlabilidade, ou no mínimo, oferecem dificuldades na controlabilidade através de seus ciclos termodinâmicos.[022] The power, rotation and torque control of existing Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton cycle engines, these internal combustion, result directly from the supply of fuel and oxygen and as a result offer greater rotation and torque simultaneously. To separate torque and rotation, they require gearboxes. These machines do not allow controllability, or at least, offer difficulties in controllability through their thermodynamic cycles.

[023] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Rankine, este de combustão externa, são decorrentes da vazão e da pressão do vapor ou gás de trabalho, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação.[023] The control of power, rotation and torque of existing Rankine cycle engines, this one with external combustion, are due to the flow and pressure of the steam or working gas, and as a result they offer interdependent variations of rotation and torque simultaneously, there is no separate controllability between torque and rotation.

[024] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Stirling e Ericsson, estes de combustão externa, são decorrentes da massa ou pressão do gás de trabalho, das temperaturas, da geometria construtiva, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação. Estas máquinas possuem suas curvas de operação muito estreitas oferecendo baixa controlabilidade e uma faixa estreita de operacionalidade. Nestes casos são comuns projetos que não funcionam porque os parâmetros, nas suas interdependências podem não oferecer as condições que levam o motor a funcionar.[024] The power, rotation and torque control of existing Stirling and Ericsson cycle engines, these with external combustion, are due to the mass or pressure of the working gas, temperatures, construction geometry, and as a result they offer interdependent variations of rotation and torque simultaneously, there is no separate controllability between torque and rotation. These machines have very narrow operating curves offering low controllability and a narrow operating range. In these cases, projects that do not work are common because the parameters, in their interdependencies, may not offer the conditions that make the engine work.

[025] O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos semelhantes do sistema híbrido, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado por oito processos, sempre com dois processos operando simultaneamente em um sistema formado por dois subsistemas integrados. A patente “PI 1000624-9” registrada no Brasil definida como “Conversor de energia termomecânico” é constituído por dois subsistemas que opera por meio de um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos e quatro processos isocóricos, sem regeneração. A patente “PCT/BR2013/000222” registrada nos Estados Unidos da América definida como “Máquina térmica que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de Carnot e processo de controle” a qual é constituída por dois subsistemas e opera em cada subsistema, um ciclo termodinâmico formado por dois processos isotérmicos de dois processos adiabáticos. A patente “PCT/BR2014/000381” registrada nos Estados Unidos da América definida como “Máquina térmica diferencial com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle” a qual é constituída por dois subsistemas e opera um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção quanto aos processos termodinâmicos que formam seus ciclos, cada ciclo oferece ao motor características próprias. O conceito de sistema termodinâmico híbrido oferece a base para o desenvolvimento de uma nova família de motores térmicos, cada motor terá características próprias conforme os processos e fases que constituem os seus respectivos ciclos termodinâmicos, como por exemplo, o motor Otto e o motor Diesel são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto de combustão interna, porém constituem motores distintos e o que os distingue são detalhes de seus ciclos termodinâmicos, o ciclo do motor Otto é constituído basicamente por um processo adiabático de compressão, um processo isocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um isocórico de exaustão e o ciclo do motor Diesel é constituído por um processo adiabático de compressão, um processo isobárico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo isocórico de exaustão, portanto eles diferem em apenas um dos processos que formam seus ciclos, o suficiente para conferir a cada um, propriedades e usos específicos e diferentes. Da mesma forma, o conceito de sistema híbrido oferece a base para uma nova família de motores térmicos constituídos por dois subsistemas e estes irão operar com ciclos ditos diferenciais formados por processos onde sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias às quais caracterizarão cada um dos ciclos-motores.[025] The current state of the art has recently revealed some references that already have similar concepts of the hybrid system, they are engines that have characteristics of having two interdependent thermodynamic cycles constituting a complex cycle formed by eight processes, always with two processes operating simultaneously in a system formed by two integrated subsystems. The patent “PI 1000624-9” registered in Brazil defined as “Thermomechanical energy converter” consists of two subsystems that operate through a thermodynamic cycle formed by four isothermal processes and four isochoric processes, without regeneration. The patent “PCT/BR2013/000222” registered in the United States of America defined as “Thermal engine that operates in accordance with the thermodynamic Carnot cycle and control process” which consists of two subsystems and operates in each subsystem, one cycle thermodynamic formed by two isothermal processes of two adiabatic processes. The patent “PCT/BR2014/000381” registered in the United States of America defined as “Differential thermal machine with cycle of eight thermodynamic transformations and control process” which consists of two subsystems and operates a thermodynamic cycle formed by four isothermal processes of four adiabatic processes. These references differ from the present invention in terms of the thermodynamic processes that form their cycles, each cycle offering the engine its own characteristics. The concept of a hybrid thermodynamic system offers the basis for the development of a new family of thermal engines, each engine will have its own characteristics according to the processes and phases that constitute their respective thermodynamic cycles, as for example, the Otto engine and the Diesel engine are engines based on the open thermodynamic system of internal combustion, but they constitute distinct engines and what distinguishes them are details of their thermodynamic cycles, the Otto engine cycle is basically constituted by an adiabatic compression process, an isochoric combustion process, an adiabatic process of expansion and an isochoric exhaust and the Diesel engine cycle is made up of an adiabatic compression process, an isobaric combustion process, an adiabatic expansion process and an isochoric exhaust process, therefore they differ in only one of the processes that form their cycles, enough to give each one specific and different properties and uses. Likewise, the hybrid system concept offers the basis for a new family of thermal engines consisting of two subsystems and these will operate with so-called differential cycles formed by processes where two simultaneous processes will always occur, each one will have its own particularities that will characterize each one of the motor cycles.

[026] Em pesquisas mais aprofundadas em busca de verificar de forma precisa o atual estado da técnica, foram encontrados alguns documentos que mesmo que distantes da presente solução podem nos ajudar a estabelecer a tecnologia mais próxima ao pedido de registro em comento. Vejamos:[026] In more in-depth research in order to accurately verify the current state of the art, some documents were found that, even if distant from the present solution, can help us establish the technology closest to the registration request in question. Let's see:

[027] O documento RU 2189481 - “PROJETO DE MOTOR E MÉTODO DE OPERAÇÃO”, refere-se ao projeto e método de operação de motores com alimentação externa de calor (motores de combustão externa) e pode ser utilizada no projeto de motores onívoros ecologicamente limpos de alta economia. A invenção visa resolver o problema da execução de dois tempos de trabalho em quatro volumes variáveis de dois cilindros de trabalho em uma revolução do eixo de tomada de força no processo isobárico de expansão e deslocamento do meio de trabalho, melhorando também os processos de troca de calor em regeneradores, arranjo de comando de válvulas mecanismos e vedação de hastes em zonas frias e melhorando todas as características relativas do motor. De acordo com a invenção, quando no ponto morto inferior o compensador de pressão máxima é colocado em comunicação com o espaço de expansão do pistão através do regenerador e aquecedor, O meio de trabalho corre para o espaço do pistão e o curso de trabalho ocorre a pressão constante e, ao mesmo tempo, a mesma quantidade de meio de trabalho a frio é comprimida no espaço da haste e forçada para fora no compensador de pressão máxima. EFEITO: possibilidade de criar motores compactos de alta economia com fornecimento externo de calor superando todos os motores térmicos conhecidos por características absolutas e relativas. 3 cl, 6 dwg.[027] Document RU 2189481 - “ENGINE DESIGN AND OPERATION METHOD”, refers to the design and operation method of engines with external heat supply (external combustion engines) and can be used in the design of ecologically omnivorous engines high-economy clean. The invention aims to solve the problem of executing two working times in four variable volumes of two working cylinders in one revolution of the power take-off shaft in the isobaric process of expansion and displacement of the working medium, also improving the processes of exchange of heat in regenerators, arrangement of valve control mechanisms and sealing of rods in cold areas and improving all relative characteristics of the engine. According to the invention, when at bottom dead center the maximum pressure compensator is placed in communication with the piston expansion space through the regenerator and heater, the working medium rushes into the piston space and the working stroke occurs at constant pressure and at the same time the same amount of cold working medium is compressed into the rod space and forced out into the maximum pressure compensator. EFFECT: possibility of creating compact high-economy engines with external heat supply, surpassing all known heat engines by absolute and relative characteristics. 3 cl, 6 dwg.

[028] O documento DE 2342103 - “MOTOR A GÁS QUENTE, POSSUI UM CICLO ENVOLVENDO FASES ISOTÉRMICA, ISOCÓRICA E ISOBÁRICA E INCORPORA TROCADOR DE CALOR REGENERATIVO”, traz um motor térmico utiliza um ciclo que possui fases isotérmicas, isocóricas e isobáricas e que produziria altas eficiências de ciclo quando usado como um ciclo propulsor para um veículo motorizado. O motor utiliza dióxido de carbono como meio de trabalho e possui um queimador que fornece calor ao sistema. O gás frio é induzido de um reservatório para um cilindro resfriado a água através de uma válvula. O gás é comprimido no cilindro e entregue a um reservatório de pressão mais alta, de onde passa para um segundo cilindro maior por meio de um trocador de calor regenerativo. O cilindro maior passa o gás comprimido adicional através de um trocador de calor aquecido pelo queimador antes de devolvê-lo ao reservatório através do regenerador.[028] Document DE 2342103 - “HOT GAS ENGINE, HAS A CYCLE INVOLVING ISOTHERMAL, ISOCORIC AND ISOBARIC PHASES AND INCORPORATES REGENERATIVE HEAT EXCHANGER”, brings a heat engine using a cycle that has isothermal, isochoric and isobaric phases and which would produce high cycle efficiencies when used as a propulsion cycle for a motor vehicle. The engine uses carbon dioxide as a working medium and has a burner that provides heat to the system. Cold gas is induced from a reservoir into a water-cooled cylinder through a valve. The gas is compressed in the cylinder and delivered to a higher pressure reservoir, from where it passes to a second, larger cylinder through a regenerative heat exchanger. The larger cylinder passes additional compressed gas through a heat exchanger heated by the burner before returning it to the reservoir via the regenerator.

[029] O documento WO 2014 109667 - “MÁQUINA TÉRMICA CICLO REYLEIGH”, a presente invenção destina-se à conversão de energia térmica em energia mecânica e vice-versa. Uma máquina térmica opera de acordo com o ciclo Rayleigh e compreende uma câmara (1) de menor volume e uma câmara (2) de maior volume. No interior das câmaras estão dispostos deslocadores bidirecionais movendo-se em fases idênticas e conectados a um eixo de operação com um volante por meio de um mecanismo de conversão de movimento alternativo em movimento rotativo. O volume da câmara 1, tendo uma temperatura baixa, é conectado por meio de um trocador de calor de recuperação de resfriamento a um trocador de calor regenerativo. O volume da câmara 2, tendo uma temperatura elevada, está ligado por meio de um permutador de calor de recuperação de aquecimento a um permutador de calor regenerativo. As extremidades de temperatura intermediária dos volumes das câmaras são conectadas a uma válvula de distribuição de gás rotativa de quatro vias, assim como os trocadores de calor regenerativos. A transferência isocórica de gás é fornecida de um lado de um deslocador para o outro lado dele por meio de trocadores de calor recuperativos e regenerativos, e a transferência isobárica de gás é fornecida da extremidade de temperatura intermediária do volume de uma câmara para o volume da outra câmara por meio da válvula de distribuição de gás e dos trocadores de calor regenerativos e recuperativos. A invenção visa aumentar a eficiência de uma máquina térmica. A transferência isocórica de gás é fornecida de um lado de um deslocador para o outro lado dele por meio de trocadores de calor recuperativos e regenerativos, e a transferência isobárica de gás é fornecida da extremidade de temperatura intermediária do volume de uma câmara para o volume da outra câmara por meio da válvula de distribuição de gás e dos trocadores de calor regenerativos e recuperativos. A invenção visa aumentar a eficiência de uma máquina térmica. A transferência isocórica de gás é fornecida de um lado de um deslocador para o outro lado dele por meio de trocadores de calor recuperativos e regenerativos, e a transferência isobárica de gás é fornecida da extremidade de temperatura intermediária do volume de uma câmara para o volume da outra câmara por meio da válvula de distribuição de gás e dos trocadores de calor regenerativos e recuperativos. A invenção visa aumentar a eficiência de uma máquina térmica.[029] Document WO 2014 109667 - “REYLEIGH CYCLE THERMAL MACHINE”, the present invention is intended for the conversion of thermal energy into mechanical energy and vice versa. A heat engine operates according to the Rayleigh cycle and comprises a chamber (1) with a smaller volume and a chamber (2) with a larger volume. Inside the chambers there are bidirectional displacers moving in identical phases and connected to an operating axis with a flywheel through a mechanism for converting reciprocating motion into rotary motion. The volume of chamber 1, having a low temperature, is connected via a cooling recovery heat exchanger to a regenerative heat exchanger. The volume of chamber 2, having a high temperature, is connected by means of a heating recovery heat exchanger to a regenerative heat exchanger. The intermediate temperature ends of the chamber volumes are connected to a four-way rotary gas distribution valve, as are the regenerative heat exchangers. Isochoric gas transfer is provided from one side of a displacer to the other side of it by means of recuperative and regenerative heat exchangers, and isobaric gas transfer is provided from the intermediate temperature end of the volume of a chamber to the volume of the another chamber through the gas distribution valve and the regenerative and recuperative heat exchangers. The invention aims to increase the efficiency of a heat engine. Isochoric gas transfer is provided from one side of a displacer to the other side of it by means of recuperative and regenerative heat exchangers, and isobaric gas transfer is provided from the intermediate temperature end of the volume of a chamber to the volume of the another chamber through the gas distribution valve and the regenerative and recuperative heat exchangers. The invention aims to increase the efficiency of a heat engine. Isochoric gas transfer is provided from one side of a displacer to the other side of it by means of recuperative and regenerative heat exchangers, and isobaric gas transfer is provided from the intermediate temperature end of the volume of a chamber to the volume of the another chamber through the gas distribution valve and the regenerative and recuperative heat exchangers. The invention aims to increase the efficiency of a heat engine.

[030] O documento JP 2004 084564 - “DISPOSITIVO DE RECUPERAÇÃO DE CALOR DE ESCAPE”, tem como objetivo retirar a energia térmica de exaustão de um processo de expansão isotérmica em que o fluido de trabalho é expandido pelo calor de exaustão, com base no princípio do ciclo Ericsson em que a expansão isotérmica, compressão isotérmica, aquecimento isobárico e resfriamento isobárico são repetidos. ;SOLUÇÃO: Este dispositivo coletor de calor de exaustão é equipado com um motor térmico 10 para descarregar a exaustão, um compressor parte 1 para descarregar o fluido de trabalho sugado aplicando compressão isotérmica a ele, um reprodutor 2 para aplicar aquecimento isobárico ao fluido de trabalho pelo calor do exaustão e para aplicar resfriamento isobárico ao escapamento pelo fluido de trabalho, e uma parte expansora 3 para aplicar expansão isobárica ao fluido de trabalho pelo calor do escapamento, que é obtido por troca de calor entre o fluido de trabalho e o escapamento.[030] Document JP 2004 084564 - “EXHAUST HEAT RECOVERY DEVICE”, aims to remove exhaust thermal energy from an isothermal expansion process in which the working fluid is expanded by exhaust heat, based on the Ericsson cycle principle in which isothermal expansion, isothermal compression, isobaric heating and isobaric cooling are repeated. ;SOLUTION: This exhaust heat collecting device is equipped with a heat engine 10 to discharge the exhaust, a compressor part 1 to discharge the sucked working fluid by applying isothermal compression to it, a reproducer 2 to apply isobaric heating to the working fluid by exhaust heat and to apply isobaric cooling to the exhaust by the working fluid, and an expanding part 3 to apply isobaric expansion to the working fluid by exhaust heat, which is obtained by heat exchange between the working fluid and the exhaust.

[031] O documento WO 2016 114683 - “MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA E MÉTODO DE OPERAÇÃO PARA O MESMO”, apresenta um motor de combustão interna operando com base no seguinte ciclo termodinâmico teórico: compressão isotérmica, fornecimento de calor isocórico, expansão isotérmica ou isobárica, expansão adiabática e remoção de energia térmica isobárica ou isocórica. O fornecimento de calor isocórico ocorre parcialmente usando o calor dos gases de exaustão em um regenerador 6. A compressão isotérmica ocorre em um compressor 8 com o resfriamento interno do ar comprimido. A injeção de uma carga, a injeção de combustível e a expansão de um fluido de trabalho ocorrem em um motor com cilindros opostos 1 e 2. Os pares de cilindros comunicantes são deslocados axialmente para acomodar as válvulas. O pistão de um cilindro com válvula de admissão se move com um ângulo de avanço em direção ao pistão de um cilindro com válvula de escape. A entrada do fluido de trabalho.[031] Document WO 2016 114683 - “INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF OPERATION THEREOF”, presents an internal combustion engine operating based on the following theoretical thermodynamic cycle: isothermal compression, isochoric heat supply, isothermal or isobaric expansion , adiabatic expansion and removal of isobaric or isochoric thermal energy. Isochoric heat supply occurs partially using the heat of exhaust gases in a regenerator 6. Isothermal compression occurs in a compressor 8 with internal cooling of compressed air. Injection of a charge, injection of fuel and expansion of a working fluid occur in an engine with opposing cylinders 1 and 2. The pairs of communicating cylinders are displaced axially to accommodate the valves. The piston of a cylinder with an intake valve moves at a forward angle towards the piston of a cylinder with an exhaust valve. The inlet of the working fluid.

[032] O documento DE 3304729 - “PROCESSO PARA FUNCIONAMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA COM UM MEIO GASOSO”, um processo de funcionamento muito eficiente para a operação de uma máquina térmica com um meio gasoso funciona inteiramente na faixa superaquecida em um ciclo que compreende uma grande primeira seção isobárica, uma segunda seção adiabática ou isotérmica, uma segunda grande seção isobárica e uma quarta seção, que também funciona adiabaticamente ou isotermicamente, sendo o diferencial de pressão entre as duas isóbaras comparativamente pequeno e as diferenças de temperatura comparativamente grandes, e o trabalho obtido devido à expansão do volume sendo convertido isobaricamente em trabalho de admissão na máquina térmica.[032] Document DE 3304729 - “PROCESS FOR OPERATING A THERMAL MACHINE WITH A GAS MEDIUM”, a very efficient operating process for the operation of a thermal machine with a gaseous medium works entirely in the superheated range in a cycle comprising a large first isobaric section, a second adiabatic or isothermal section, a second large isobaric section and a fourth section, which also functions adiabatically or isothermally, the pressure differential between the two isobars being comparatively small and the temperature differences comparatively large, and the work obtained due to volume expansion being converted isobarically into admission work in the heat engine.

[033] O documento JPS 5732038 - “MOTOR DE COMBUSTÃO EXTERNA DO SISTEMA DE GÁS”, Melhorar a eficiência de um motor de combustão externa de sistema de gás, permitindo que o referido motor repita o ciclo de calor de compressão adiabática, aquecimento isobárico, expansão adiabática e resfriamento isobárico. CONSTITUIÇÃO: Os tanques 1, 2, 3 e 4 contêm cada gás sob cada condição correspondente respectivamente aos pontos 1, 2, 3 e 4 no diagrama pv. Primeiro, as válvulas 6, 9 são fechadas e as válvulas 5, 7, 8 e 10 são abertas. Quando os pistões 19, 20 são operados a partir do ponto morto inferior e os pistões 21, 22 do ponto morto superior, o gás no tanque 3 abaixa o pistão 21 e o gás abaixo do pistão 22 entra no tanque 4. O gás acima do pistão 19 entra no tanque 2 e o gás no tanque 1 entra por baixo do pistão 20. Em seguida, quando as válvulas 6, 9 são abertas e as válvulas 5, 7, 8 e 10 fechadas.[033] Document JPS 5732038 - “GAS SYSTEM EXTERNAL COMBUSTION ENGINE”, Improving the efficiency of a gas system external combustion engine by allowing said engine to repeat the heat cycle of adiabatic compression, isobaric heating, adiabatic expansion and isobaric cooling. CONSTITUTION: Tanks 1, 2, 3 and 4 contain each gas under each condition corresponding respectively to points 1, 2, 3 and 4 on the pv diagram. First, valves 6, 9 are closed and valves 5, 7, 8 and 10 are opened. When the pistons 19, 20 are operated from bottom dead center and the pistons 21, 22 from top dead center, the gas in tank 3 lowers the piston 21 and the gas below the piston 22 enters the tank 4. The gas above the piston 19 enters tank 2 and the gas in tank 1 enters under piston 20. Then when valves 6, 9 are opened and valves 5, 7, 8 and 10 are closed.

[034] É importante destacar que, apesar dos documentos acima pertencerem ao mesmo campo técnico, eles não se aproximam nem que minimamente a presente solução ora apresentada.[034] It is important to highlight that, despite the documents above belonging to the same technical field, they do not come even remotely close to the present solution presented here.

OBJETIVOS DA INVENÇÃOOBJECTIVES OF THE INVENTION

[035] Os grandes problemas do estado da técnica são, portanto, a dificuldade das tecnologias atuais a atender projetos sustentáveis, em função da dependência de combustíveis fósseis, poluentes, com impactos graves ao ambiente e ao clima, baixa eficiência, limitada exclusivamente às temperaturas, demonstrado pelo teorema de Carnot, baixo nível de controlabilidade em função das limitações na variabilidade dos parâmetros dos modelos fundamentados nos sistemas termodinâmicos aberto e fechado, falta de flexibilidade quanto às fontes de energia, muitos exigem combustíveis refinados e específicos, alta dependência do ar (oxigênio) para combustão e muitos deles dependem de um segundo motor para leva-los à operação (um motor de partida).[035] The major problems in the state of the art are, therefore, the difficulty of current technologies in meeting sustainable projects, due to the dependence on fossil fuels, pollutants, with serious impacts on the environment and climate, low efficiency, limited exclusively to temperatures , demonstrated by Carnot's theorem, low level of controllability due to limitations in the variability of model parameters based on open and closed thermodynamic systems, lack of flexibility regarding energy sources, many require refined and specific fuels, high dependence on air ( oxygen) for combustion and many of them depend on a second engine to take them into operation (a starter motor).

[036] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém o maior objetivo foi em desenvolver novos ciclos-motores baseados em um novo conceito de sistema termodinâmico de forma que a eficiência dos motores não ficasse mais dependentes exclusivamente das temperaturas e cujas fontes de energia possam ser diversificadas e que permitisse projeto de motores para ambientes inclusive sem ar (oxigênio). O conceito de sistema híbrido, característica própria que fundamenta esta invenção, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura, a eficiência de qualquer máquina térmica depende dos seus potenciais e de seus diferenciais de potenciais, enquanto que os sistemas aberto e fechado geram potenciais onde a massa do gás é constante e por este motivo elas se cancelam nas equações, nos sistemas híbridos a massa não necessariamente é constante, portanto não se cancelam e as suas eficiências dependem dos potenciais dos quais se originam a força motriz, isto é, das pressões. O conceito de sistema híbrido proporciona potenciais dependentes, proporcionais ao produto da massa de gás de trabalho pela temperatura, como no sistema híbrido, diferente dos sistemas aberto e fechado, a massa é variável, a sua eficiência passa a ser uma função não exclusiva da temperatura, mas dependente da massa e para um motor de ciclo diferencial composto por quatro processos isobáricos, quatro processos politrópicos regenerativos, a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e figura 4. [036] The objective of the invention focuses on eliminating some of the existing problems and minimizing other problems, however the main objective was to develop new motor cycles based on a new concept of thermodynamic system so that the efficiency of the motors would no longer be dependent exclusively of temperatures and whose energy sources can be diversified and that would allow the design of engines for environments including without air (oxygen). The concept of a hybrid system, a specific characteristic that underlies this invention, eliminates the dependence of efficiency exclusively on temperature, the efficiency of any thermal machine depends on its potentials and potential differentials, while open and closed systems generate potentials where the mass of the gas is constant and for this reason they cancel each other out in the equations, in hybrid systems the mass is not necessarily constant, therefore they do not cancel each other and their efficiencies depend on the potentials from which the driving force originates, that is, the pressures. The concept of a hybrid system provides dependent potentials, proportional to the product of the working gas mass and temperature, as in the hybrid system, unlike open and closed systems, the mass is variable, its efficiency becomes a non-exclusive function of temperature , but dependent on mass and for a differential cycle engine composed of four isobaric processes, four regenerative polytropic processes, the efficiency is demonstrated as shown in equation (c) and figure 4.

[037] Na equação (c), (q) é o rendimento, (T1) é a temperatura inicial do processo isobárico de alta temperatura, (T2) é a temperatura final do processo isobárico de alta, esta temperatura tende a se equalizar com a temperatura da fonte quente (Tq), (T3) é a temperatura inicial do processo isobárico de baixa temperatura, (T4) é a temperatura final do processo isobárico de baixa temperatura, esta temperatura tende a se equalizar com a temperatura da fonte fria (Tf), todas as temperaturas em “Kelvin”, (n1) é o número de moles do subsistema 1, indicado pela região (21) da figura 4, (n2) é o número de moles do subsistema 2, indicado pela região (23) da figura 4.[037] In equation (c), (q) is the yield, (T1) is the initial temperature of the high-temperature isobaric process, (T2) is the final temperature of the high-temperature isobaric process, this temperature tends to equalize with the temperature of the hot source (Tq), (T3) is the initial temperature of the low-temperature isobaric process, (T4) is the final temperature of the low-temperature isobaric process, this temperature tends to equalize with the temperature of the cold source ( Tf), all temperatures in “Kelvin”, (n1) is the number of moles of subsystem 1, indicated by region (21) of figure 4, (n2) is the number of moles of subsystem 2, indicated by region (23 ) of figure 4.

[038] A dependência de altas temperaturas da maioria dos motores do atual estado da técnica levam também à dependência de combustíveis com alto poder calorífico, dificultando o uso de fontes limpas as quais normalmente oferecem menor temperatura, O conceito de ciclo diferencial sob o sistema híbrido, e fluido de trabalho cujos processos não obriguem a troca de fase física, elimina esta obrigatoriedade da dependência de altas temperaturas, O conceito diferencial onde o ciclo opera sempre dois processos por vez, (26) e (27) da figura 5, simultaneamente e interdependentes, viabiliza máquinas que possam operar com baixas temperaturas e por consequência, as fontes limpas renováveis, como a termossolar, geotermal, passam a ser plenamente viáveis e suas eficiências passam a ter a massa, ou número de moles, como mostrado na equação (c), como parâmetro para a obtenção de eficiências melhores, mesmo com diferenciais de temperatura relativamente baixos.[038] The dependence on high temperatures of most engines in the current state of the art also leads to dependence on fuels with high calorific value, making it difficult to use clean sources which normally offer lower temperatures. The concept of differential cycle under the hybrid system , and working fluid whose processes do not require the change of physical phase, eliminates this mandatory dependence on high temperatures, The differential concept where the cycle always operates two processes at a time, (26) and (27) of figure 5, simultaneously and interdependent, enables machines that can operate at low temperatures and consequently, clean renewable sources, such as thermosolar, geothermal, become fully viable and their efficiencies begin to have the mass, or number of moles, as shown in the equation (c ), as a parameter to obtain better efficiencies, even with relatively low temperature differentials.

[039] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo Carnot executam um único processo por vez sequencialmente, conforme mostrado na figura 2, referenciado ao ciclo mecânico dos elementos de força motriz, seu controle é uma função direta da alimentação da fonte de energia, por sua vez, os ciclos diferenciais do sistema híbrido, executam dois processos por vez, figura 5, viabilizando o controle do ciclo termodinâmico separado do ciclo mecânico, o ciclo pode ser modulado e desta forma o ciclo mecânico passa a ser uma consequência do ciclo termodinâmico e não mais o contrário.[039] The main known thermodynamic cycles, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Stirling, Ericsson, Rankine and the Carnot cycle execute a single process at a time sequentially, as shown in figure 2, referenced to the mechanical cycle of the driving force elements, its control is a direct function of the energy source supply, in turn, the differential cycles of the hybrid system, execute two processes at a time, figure 5, making it possible to control the thermodynamic cycle separately from the mechanical cycle, the cycle can be modulated and In this way, the mechanical cycle becomes a consequence of the thermodynamic cycle and no longer the opposite.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃODESCRIPTION OF THE INVENTION

[040] Os motores de ciclos diferenciais são caracterizados por possuírem dois subsistemas, formando um sistema híbrido, representado por (21) e (23) da figura 4, cada subsistema executa um ciclo referenciado ao outro subsistema de modo a executarem sempre dois processos simultâneos e interdependentes. De outra forma, considerando um sistema híbrido com propriedades dos sistemas aberto e do fechado simultaneamente, diz-se que o sistema executa um ciclo termodinâmico composto, figura 5, isto é, executa sempre dois processos por vez simultâneos (26) e (27) da figura 5, interdependentes, inclusive com transferência de massa. Portanto trata-se de motores e ciclos completamente distintos dos motores e ciclos baseados nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 6 pode ser observada a relação entre o sistema híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial.[040] Differential cycle engines are characterized by having two subsystems, forming a hybrid system, represented by (21) and (23) of figure 4, each subsystem executes a cycle referenced to the other subsystem in order to always execute two simultaneous processes and interdependent. Otherwise, considering a hybrid system with properties of open and closed systems simultaneously, it is said that the system executes a compound thermodynamic cycle, figure 5, that is, it always executes two simultaneous processes at a time (26) and (27) in figure 5, interdependent, including mass transfer. Therefore, these are completely different engines and cycles from engines and cycles based on open or closed systems. In figure 6 the relationship between the hybrid system and the differential thermodynamic cycle can be seen.

[041] O conceito de sistema termodinâmico híbrido é novo, é formado por dois subsistemas interdependentes e entre eles há troca de matéria e energia e ambos fornecem para fora de seus limites, energia em forma de trabalho e parte da energia em forma de calor dissipada. Este sistema termodinâmico foi criado no século XXI e oferece novas possibilidades para o desenvolvimento de motores térmicos.[041] The concept of a hybrid thermodynamic system is new, it is formed by two interdependent subsystems and between them there is an exchange of matter and energy and both supply, outside their limits, energy in the form of work and part of the energy in the form of heat dissipated . This thermodynamic system was created in the 21st century and offers new possibilities for the development of heat engines.

[042] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica seja esta para uso em geração de energia ou outro uso, como força mecânica para movimentação e tração. Algumas das principais vantagens que podem ser constatadas são: a total flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, não necessita de atmosfera para que um motor do ciclo diferencial possa operar, a flexibilidade quanto às temperaturas, o motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar em uma faixa muito extensa de temperatura, bem superior à maioria dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive, um motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar com ambas as temperaturas abaixo de zero grau Celsius, basta que as condições de projeto promovam a expansão e contração do gás de trabalho e basta que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Outras vantagens importantes que distinguem o motor de ciclo diferencial fundamentado no sistema híbrido é a sua controlabilidade em função da facilidade na modulação dos processos termodinâmicos e em projetos de motores que dispensam o uso de motores de partida, ou no mínimo, estes seriam de pequeno porte, em função da facilidade de gerar um torque por meio do diferencial de forças propiciado pelo sistema formado por duas subcâmaras de conversão, isto é, dois subsistemas. Portanto as vantagens constatadas abrangem a flexibilidade das fontes, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em quaisquer faixas de temperatura e sua propriedade de controle da rotação e torque.[042] The present invention brings important developments for the conversion of thermal energy into mechanical energy, whether for use in power generation or another use, such as mechanical force for movement and traction. Some of the main advantages that can be seen are: total flexibility regarding the source of energy (heat), independence from the atmosphere, it does not require an atmosphere for a differential cycle engine to operate, flexibility regarding temperatures, the Differential cycle can be designed to operate in a very wide range of temperatures, much higher than most engines based on open and closed systems, in fact, a differential cycle engine can be designed to operate with both temperatures below zero degrees Celsius, it is enough that the design conditions promote the expansion and contraction of the working gas and it is enough that the materials chosen for its construction have the properties to perform their operational functions at the design temperatures. Other important advantages that distinguish the differential cycle engine based on the hybrid system is its controllability due to the ease in modulating thermodynamic processes and in engine designs that do not require the use of starter motors, or at least, these would be small. , due to the ease of generating torque through the force differential provided by the system formed by two conversion subchambers, that is, two subsystems. Therefore, the advantages found include the flexibility of the sources, promoting the use of clean and renewable sources as operational advantages, being able to operate theoretically in any temperature range and its ability to control rotation and torque.

[043] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais e motores de ciclo Stirling, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, isto é, o sistema completo é formado por dois subsistemas termodinâmicos integrados, (31) e (37), configurando um sistema termodinâmico híbrido, cada subsistema é formado por uma câmara, (33) e (35), contendo gás de trabalho e cada uma destas, são formadas por três subcâmaras, uma aquecida (33) com (317), e (35) com (42), uma resfriada (33) com (41), e (35) com (318), e outra isolada, (33) com (32) e (35) com (36), ou em alguns casos, esta inexistente, conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz (312), cada subsistema possui um regenerador, (310) e (314), podendo ser ativo ou passivo, entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, (34), portanto os subsistemas são abertos entre si, entre o sistema completo e o meio externo é considerado fechado, estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, (82), único, de oito processos, sendo quatro deles isobáricos, (a-b), (1-2), (c-d) e (3-4), quatro politrópicos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável. Este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Stirling. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser vários, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.[043] The differential cycle engine based on the hybrid system concept can be built with materials and techniques similar to conventional engines and Stirling cycle engines, as it is an engine that works with gas in a closed circuit, considering the complete system, that is, the complete system is formed by two integrated thermodynamic subsystems, (31) and (37), configuring a hybrid thermodynamic system, each subsystem is formed by a chamber, (33) and (35), containing working gas and each one of these, are formed by three subchambers, one heated (33) with (317), and (35) with (42), one cooled (33) with (41), and (35) with (318), and another isolated , (33) with (32) and (35) with (36), or in some cases, it is non-existent, connected to these two chambers there is a driving force element (312), each subsystem has a regenerator, (310) and (314), which can be active or passive, between the subsystems there is a mass transfer element, (34), therefore the subsystems are open to each other, between the complete system and the external environment it is considered closed, these two subsystems execute simultaneously each of them a cycle of four interdependent processes forming a differential thermodynamic cycle, (82), unique, of eight processes, four of which are isobaric, (a-b), (1-2), (c-d) and (3-4), four polytropics, (b-c), (2-3), (d-a) and (4-1), with variable mass transfer. This concept of a closed working gas circuit in relation to the external environment indicates that the system must be sealed, or in some cases, leaks can be admitted, as long as they are compensated. Suitable materials for this technology should be noted, they are similar, in this aspect, to Stirling cycle engine design technologies. The working gas depends on the project, its application and the parameters used, the gas may be different, each one will provide specific characteristics, as an example the gases can be suggested: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others.

[044] As câmaras de conversão, itens que caracterizam o sistema híbrido, poderão ser construídas com diversos materiais, dependendo das temperaturas de projeto, do gás de trabalho utilizado, das pressões envolvidas, do ambiente e condições de operação. Estas câmaras possuem cada uma, três subcâmaras e estas devem ser projetadas observando a exigência de isolamento térmico entre si para minimizar o fluxo de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Estas câmaras possuem internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre as subcâmaras quente, fria, e isoladas quando esta existir, estes elementos podem ser de diversas formas geométricas, depende da exigência e dos parâmetros do projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de discos, em forma cilíndrica ou outra que permita a movimentação do gás de trabalho de forma controlada entre as subcâmaras.[044] The conversion chambers, items that characterize the hybrid system, may be built with different materials, depending on the design temperatures, the working gas used, the pressures involved, the environment and operating conditions. These chambers each have three subchambers and these must be designed observing the requirement for thermal insulation between them to minimize the flow of energy from hot to cold areas, this condition is important for the overall efficiency of the system. These chambers have internally elements that move the working gas between the hot, cold, and isolated subchambers when present, these elements can be of different geometric shapes, depending on the requirement and project parameters, it could, for example, be shaped of discs, in a cylindrical shape or another that allows the movement of the working gas in a controlled manner between the subchambers.

[045] O elemento de transferência de massa, (34), interliga as duas câmaras, (33) e (35), este elemento é o responsável pela transferência de parte da massa de gás de trabalho entre as câmaras que ocorre em momento específico durante os processos politrópicos. Este elemento poderá ser projetado de várias formas dependendo das exigências do projeto, poderá operar pela simples diferença de pressão, isto é em forma de válvula, ou poderá operar de modo forçado, por exemplo, em forma de turbina, em forma de pistões ou em outra forma geométrica que lhe permita executar a transferência de massa de parte do gás de trabalho.[045] The mass transfer element, (34), connects the two chambers, (33) and (35), this element is responsible for transferring part of the working gas mass between the chambers that occurs at a specific moment during polytropic processes. This element can be designed in various ways depending on the project requirements, it can operate by simple pressure difference, that is, in the form of a valve, or it can operate in a forced way, for example, in the form of a turbine, in the form of pistons or in another geometric shape that allows it to perform the mass transfer of part of the working gas.

[046] Os regeneradores ativos, (310) e (314), operam com um gás de trabalho específico e este gás armazena a energia do gás do motor durante os processos politrópicos de abaixamento de temperatura através da expansão interna e regenera, isto é, devolve esta energia para o gás do motor durante os processos politrópicos de elevação da temperatura através da compressão. Este regenerador é chamado de regenerador ativo por realizar o seu processo de regeneração dinamicamente através de elementos mecânicos móveis e de um gás de trabalho próprio, diferentemente dos regeneradores conhecidos, passivos, os quais operam através de troca térmica entre o gás e um elemento estático, operante por condução de calor entre o gás o seu corpo. No caso em que for considerado no projeto o uso de regenerador passivo, este geralmente opera com troca de calor por condução entre o gás de trabalho e os elementos que formam o regenerador. Os regeneradores passivos não utilizam gás e elementos móveis.[046] The active regenerators, (310) and (314), operate with a specific working gas and this gas stores the energy of the engine gas during the polytropic temperature lowering processes through internal expansion and regenerates, i.e. returns this energy to the engine gas during the polytropic processes of temperature elevation through compression. This regenerator is called an active regenerator because it carries out its regeneration process dynamically through mobile mechanical elements and its own working gas, unlike the known passive regenerators, which operate through thermal exchange between the gas and a static element, operating by heat conduction between the gas and your body. If the use of a passive regenerator is considered in the project, it generally operates with heat exchange by conduction between the working gas and the elements that form the regenerator. Passive regenerators do not use gas and moving elements.

[047] O elemento de força motriz, (312), é o responsável por executar o trabalho mecânico e disponibilizá-lo para usos. Este elemento de força motriz opera pelas forças do gás de trabalho do motor, este elemento poderá ser projetado de várias formas, dependendo das exigências de projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de turbina, em forma de pistões com cilindro, bielas, virabrequins, em forma de diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.[047] The driving force element, (312), is responsible for performing the mechanical work and making it available for use. This driving force element operates by the forces of the engine's working gas. This element can be designed in various ways, depending on the design requirements, it can, for example, be in the form of a turbine, in the form of pistons with cylinders, connecting rods, crankshafts, in the form of a diaphragm or in another form that allows work to be done from gas forces during thermodynamic conversions.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[048] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema híbrido, nas quais estão representadas: A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado; A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado; A figura 3 mostra a ideia original da máquina térmica de Carnot, conceituada em 1824 por Nicolas Sadi Carnot; A figura 4 representa o conceito de sistema termodinâmico híbrido; A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos diferenciais fundamentados no sistema híbrido; A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido e um ciclo termodinâmico diferencial e o detalhe dos dois processos termodinâmicos que ocorrem simultaneamente; A figura 7 mostra o modelo mecânico constituído pelos dois subsistemas termodinâmicos que formam um motor térmico sob o conceito de sistema híbrido e seu regenerador ativo; A figura 8 mostra o motor indicando a fase em que um dos regeneradores, elemento (310), equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente; A figura 9 mostra o motor indicando a fase em que o segundo regenerador, elemento (314), equaliza a sua temperatura à temperatura da fonte quente; A figura 10 mostra um dos subsistemas, grupo (31), realizando o processo isobárico de alta temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isobárico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 11 mostra um dos subsistemas, grupo (31), realizando o processo politrópico de abaixamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo politrópico de levantamento da temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 12, mostra por sua vez, o primeiro subsistema, grupo (31), realizando o seu processo isobárico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo isobárico de alta temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 13 mostra primeiro subsistema, grupo (31), realizando o processo politrópico de levantamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo (37), realizando o processo politrópico de abaixamento da temperatura do ciclo termodinâmico; A figura 14 mostra o ciclo termodinâmico ideal do regenerador ativo; A figura 15 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de transferência de calor para o seu respectivo regenerador ativo; A figura 16 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de regeneração do calor por parte de seu respectivo regenerador ativo; A figura 17 mostra o ciclo termodinâmico diferencial ideal composto por dois processos isobáricos de alta temperatura, dois processos isobáricos de baixa temperatura dois processos politrópicos de abaixamento de temperatura, transferência de calor, dois processos politrópicos de elevação de temperatura, regeneração de calor, e os processos termodinâmicos do regenerador ativo; A figura 18 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia geotermal; A figura 19 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia termossolar; e A figura 20 mostra um exemplo de aplicação do motor de ciclo diferencial para um projeto de um sistema combinado, formando um ciclo combinado com um motor de combustão interna do sistema aberto.[048] The attached figures demonstrate the main characteristics and properties of the old concepts of thermal machines and the proposed innovations based on the hybrid system, in which they are represented: Figure 1 represents the concept of open thermodynamic system and the concept of closed thermodynamic system; Figure 2 represents the characteristics of all thermodynamic cycles based on open and closed systems; Figure 3 shows the original idea of Carnot's thermal engine, conceptualized in 1824 by Nicolas Sadi Carnot; Figure 4 represents the concept of a hybrid thermodynamic system; Figure 5 represents the characteristics of the differential thermodynamic cycles based on the hybrid system; Figure 6 shows the hybrid thermodynamic system and a differential thermodynamic cycle and the detail of the two thermodynamic processes that occur simultaneously; Figure 7 shows the mechanical model consisting of the two thermodynamic subsystems that form a thermal engine under the concept of a hybrid system and its active regenerator; Figure 8 shows the engine indicating the phase in which one of the regenerators, element (310), equalizes its temperature to the temperature of the hot source; Figure 9 shows the engine indicating the phase in which the second regenerator, element (314), equalizes its temperature to the temperature of the hot source; Figure 10 shows one of the subsystems, group (31), carrying out the high-temperature isobaric process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the low-temperature isobaric process of the thermodynamic cycle; Figure 11 shows one of the subsystems, group (31), carrying out the polytropic process of lowering the temperature of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the polytropic process of raising the temperature of the thermodynamic cycle; Figure 12, in turn, shows the first subsystem, group (31), carrying out its low-temperature isobaric process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the high-temperature isobaric process of the thermodynamic cycle; Figure 13 shows the first subsystem, group (31), carrying out the polytropic process of raising the temperature of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group (37), carrying out the polytropic process of lowering the temperature of the thermodynamic cycle; Figure 14 shows the ideal thermodynamic cycle of the active regenerator; Figure 15 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat transfer process for its respective active regenerator; Figure 16 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat regeneration process by its respective active regenerator; Figure 17 shows the ideal differential thermodynamic cycle composed of two high-temperature isobaric processes, two low-temperature isobaric processes, two polytropic temperature-lowering processes, heat transfer, two polytropic temperature-raising processes, heat regeneration, and the active regenerator thermodynamic processes; Figure 18 shows an example of the engine application for an electricity generating plant with geothermal energy as its primary source; Figure 19 shows an example of the engine application for an electricity generating plant with thermosolar energy as its primary source; and Figure 20 shows an example of applying the differential cycle engine to a combined system design, forming a combined cycle with an open system internal combustion engine.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[049] O motor de ciclo diferencial constituído por dois processos isobáricos de alta temperatura, dois processos isobáricos de baixa temperatura, dois processos politrópicos de transferência de calor, dois processos politrópicos de regeneração de calor com regenerador ativo ou passivo é fundamentado em um sistema termodinâmico híbrido por possuir dois subsistemas termodinâmicos interdependentes os quais cada um realiza um ciclo termodinâmico que interagem entre si, podendo trocar calor, trabalho e massa conforme é representado na figura 4. Em (22), da figura 4, é mostrado o sistema híbrido composto por dois subsistemas indicados por (21) e (23).[049] The differential cycle engine consisting of two high-temperature isobaric processes, two low-temperature isobaric processes, two polytropic heat transfer processes, two polytropic heat regeneration processes with active or passive regenerator is based on a thermodynamic system hybrid because it has two interdependent thermodynamic subsystems which each perform a thermodynamic cycle that interact with each other, being able to exchange heat, work and mass as represented in figure 4. In (22), in figure 4, the hybrid system composed of two subsystems indicated by (21) and (23).

[050] Na figura 6 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial, detalhando, neste caso os processos, que quando em um dos subsistemas, no tempo (t1) o ciclo opera com massa (m1), número de mol (n1) e temperatura (Tq), neste mesmo instante, simultaneamente, no outro subsistema, o ciclo opera com massa (m2), número de mol (n2), temperatura (Tf). Em uma máquina baseada em um sistema híbrido composto por dois subsistemas, a soma da massa de gás de trabalho é sempre constante (m1 + m2 = cte), porém não necessariamente são constantes nos seus respectivos subsistemas, entre eles pode haver troca de massa.[050] In Figure 6, the hybrid thermodynamic system and the differential thermodynamic cycle are shown again, detailing, in this case, the processes, which when in one of the subsystems, at time (t1) the cycle operates with mass (m1), number of moles (n1) and temperature (Tq), at this same instant, simultaneously, in the other subsystem, the cycle operates with mass (m2), number of moles (n2), temperature (Tf). In a machine based on a hybrid system composed of two subsystems, the sum of the working gas mass is always constant (m1 + m2 = cte), but they are not necessarily constant in their respective subsystems, as mass may be exchanged between them.

[051] Na figura 7 é mostrado o modelo de motor baseado no sistema híbrido contendo dois subsistemas indicado por (31) e (37). Cada subsistema possui sua câmara de conversão termomecânica, (33) e (35), um elemento de força motriz, (312), um regenerador ativo, (310) e (314), seus eixos de transmissão, respectivamente, (38), (39), (311) e (313), (315), (316). Fazendo conexão entre os subsistemas para os processos de transferência de massa, há um elemento de transferência de massa (34).[051] Figure 7 shows the engine model based on the hybrid system containing two subsystems indicated by (31) and (37). Each subsystem has its thermomechanical conversion chamber, (33) and (35), a driving force element, (312), an active regenerator, (310) and (314), its transmission shafts, respectively, (38), (39), (311) and (313), (315), (316). Connecting the subsystems for mass transfer processes is a mass transfer element (34).

[052] Na figura 8 e na figura 9, é mostrado o processo responsável por gerar o estado inicial de operação dos regeneradores, (310) e (314). No estado inicial de operação, os regeneradores são, ambos, levados à equalizar-se com a temperatura da fonte quente (Tq). Na figura 8, enquanto um dos subsistemas, (31), realiza seu processo isobárico de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, (38), (39) e (311), equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema (31) em (Tq), mostrado no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em (71). Na figura 9, enquanto o segundo subsistema, (37), realiza seu processo isobárico de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, (316), (315) e (313), equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema (37) em (Tq), mostrado também no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em (71).[052] In figure 8 and figure 9, the process responsible for generating the initial operating state of the regenerators, (310) and (314), is shown. In the initial state of operation, the regenerators are both brought to equalize with the temperature of the hot source (Tq). In figure 8, while one of the subsystems, (31), carries out its high-temperature isobaric process, its respective regenerator is pressurized by mechanical force through the transmissions, (38), (39) and (311), equalizing with the temperature of the working gas of subsystem (31) in (Tq), shown in the graph in figure 14 on the path indicated in (71). In figure 9, while the second subsystem, (37), carries out its high-temperature isobaric process, its respective regenerator is pressurized by mechanical force through the transmissions, (316), (315) and (313), equalizing with the temperature of the working gas of subsystem (37) in (Tq), also shown in the graph in figure 14 on the path indicated in (71).

[053] As figuras 10, 11, 12 e 13 mostram como ocorrem mecanicamente os oito processos, quatro isobáricos e quatro politrópicos com transferência de massa e com regeneração do calor. Na figura 10, o subsistema (31) expõe o gás de trabalho à fonte quente, na temperatura (Tq), indicado em (317), este subsistema executa o processo isobárico de alta temperatura e simultaneamente o subsistema indicado por (37) expõe o gás de trabalho à fonte fria, na temperatura (Tf), indicado em (318), e neste instante, simultaneamente, este subsistema executa o processo isobárico de baixa temperatura. Estes processos se alternam ente os subsistemas, conforme mostrado na figura 12. Após finalização dos processos isobáricos, na figura 11 e 13 são mostrados como os subsistemas processam os seus respectivos processos politrópicos com ou sem transferência de massa e com regeneração, após o subsistema (31) finalizar seu processo isobárico de alta temperatura, o gás é exposto a uma região isolada termicamente, indicado por (32), o gás, inicialmente na temperatura quente (Tq), cede calor para o regenerador (310) o qual parte do estado quente, expande o gás interno até retirar o calor do gás de trabalho e seu próprio, até atingir uma temperatura fria (Tf) através da expansão do gás, transferindo a energia para seu eixo em forma de energia cinética mecânica, simultaneamente, parte do gás de trabalho do subsistema (31), com pressão maior, é transferido para o subsistema (37) em pressão menor através do elemento de transferência de massa indicado em (34), conclui-se assim o processo politrópico de abaixamento da temperatura do subsistema (31), simultaneamente, o subsistema (37) recebe parte da massa de gás de trabalho do subsistema (31), e ocorre também, simultaneamente a regeneração do calor do regenerador (314), levando o gás da temperatura fria (Tf) para uma temperatura mais quente na qual inicia-se o processo isobárico de alta temperatura através da pressurização do gás interno do regenerador pela energia mecânica nos eixos obtida no processo de expansão, finalizando o processo politrópico de regeneração. E o subsistema (37) passa a ter massa maior que o subsistema (31). Porém nos processos politrópicos, os elementos de força motriz também executam compressões e expansões e existe um compartilhamento no processo de calor e energia entre o gás como o regenerador e com os elementos de força motriz simultaneamente.[053] Figures 10, 11, 12 and 13 show how the eight processes occur mechanically, four isobaric and four polytropic with mass transfer and heat regeneration. In figure 10, the subsystem (31) exposes the working gas to the hot source, at the temperature (Tq), indicated in (317), this subsystem executes the high temperature isobaric process and simultaneously the subsystem indicated by (37) exposes the working gas to the cold source, at the temperature (Tf), indicated in (318), and at this moment, simultaneously, this subsystem executes the low-temperature isobaric process. These processes alternate between the subsystems, as shown in figure 12. After completion of the isobaric processes, in figures 11 and 13 it is shown how the subsystems process their respective polytropic processes with or without mass transfer and with regeneration, after the subsystem ( 31) finishing its high temperature isobaric process, the gas is exposed to a thermally isolated region, indicated by (32), the gas, initially at the hot temperature (Tq), gives heat to the regenerator (310) which starts from the state hot, expands the internal gas until it removes the heat from the working gas and its own, until it reaches a cold temperature (Tf) through the expansion of the gas, transferring the energy to its axis in the form of mechanical kinetic energy, simultaneously, part of the gas of subsystem (31), with higher pressure, is transferred to the subsystem (37) at lower pressure through the mass transfer element indicated in (34), thus completing the polytropic process of lowering the subsystem's temperature ( 31), simultaneously, the subsystem (37) receives part of the working gas mass from the subsystem (31), and heat regeneration from the regenerator (314) also occurs simultaneously, taking the gas from the cold temperature (Tf) to a hottest temperature at which the high-temperature isobaric process begins through the pressurization of the regenerator's internal gas by the mechanical energy in the axes obtained in the expansion process, completing the polytropic regeneration process. And the subsystem (37) now has a greater mass than the subsystem (31). However, in polytropic processes, the driving force elements also perform compressions and expansions and there is a sharing of heat and energy in the process between the gas as the regenerator and with the driving force elements simultaneously.

[054] O processo politrópico neste ciclo-motor possui características intermediárias entre os processos isocóricos e adiabáticos e pode ser descrito pela expressão (d). [054] The polytropic process in this motor cycle has intermediate characteristics between isochoric and adiabatic processes and can be described by expression (d).

[055] No limite onde (k ® +¥), o processo politrópico ganha características isocóricas, e no limite onde (k ® Y), o processo politrópico ganha características isentrópicas ou adiabáticas, portanto, em projetos na prática, o parâmetro (k) será maior que (y), o coeficiente de expansão adiabático, e a inclinação da curva da variação da pressão com o volume estará entre a inclinação do processo isocórico e a inclinação do processo adiabático.[055] In the limit where (k ® +¥), the polytropic process gains isochoric characteristics, and in the limit where (k ® Y), the polytropic process gains isentropic or adiabatic characteristics, therefore, in practical projects, the parameter (k ) will be greater than (y), the adiabatic expansion coefficient, and the slope of the pressure variation curve with volume will be between the slope of the isochoric process and the slope of the adiabatic process.

[056] O gráfico da figura 14 esclarece como o regenerador ativo funciona, a curva indicada por (71) mostra o processo inicial para condicionar a operacionalidade do regenerador, a curva indicada por (72) mostra o processo do regenerador em operação com o ciclo do motor, ocorre alternadamente e sequencialmente a transferência de calor do gás do motor para o regenerador, este saindo da temperatura quente (Tq) para a temperatura (Tf) e a regeneração quando o processo ocorre ao contrário, partindo da temperatura (Tf) para a temperatura (Tq). Estes processos sempre ocorrem durante os processos politrópicos do ciclo do motor.[056] The graph in figure 14 clarifies how the active regenerator works, the curve indicated by (71) shows the initial process to condition the operability of the regenerator, the curve indicated by (72) shows the regenerator process in operation with the cycle of the engine, the transfer of heat from the engine gas to the regenerator occurs alternately and sequentially, this going from the hot temperature (Tq) to the hot temperature (Tf) and regeneration when the process occurs in reverse, starting from the temperature (Tf) to the temperature (Tq). These processes always occur during the polytropic processes of the engine cycle.

[057] A curva (71) da figura 14 é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão: [057] Curve (71) in figure 14 is an adiabatic process and its energy in units (Joule) is represented by the following expression:

[058] Esta energia (W71) é a energia interna do gás do próprio regenerador que permanece internamente durante todo o tempo em que o motor estará funcionando.[058] This energy (W71) is the internal energy of the regenerator's own gas that remains internally throughout the time the engine is running.

[059] A curva (72) da figura 14 também é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão: [059] Curve (72) in figure 14 is also an adiabatic process and its energy in unit (Joule) is represented by the following expression:

[060] O primeiro termo da energia (W72) é a própria energia interna do gás mostrado por (W71) e permanece indefinidamente no regenerador, o segundo termo, é a energia das adiabáticas do ciclo do motor nos processo politrópicos, corresponde a soma das energias da expansão do gás do regenerador e da expansão do gás do próprio motor, os parâmetros (Tq) e (Tf) são substituídos pelos parâmetros do respectivo intervalo em que ocorrem a transferência de calor para o regenerador e a regeneração, ambos são iguais.[060] The first energy term (W72) is the internal energy of the gas shown by (W71) and remains indefinitely in the regenerator, the second term is the adiabatic energy of the engine cycle in polytropic processes, corresponding to the sum of energies of the regenerator gas expansion and the gas expansion of the engine itself, the parameters (Tq) and (Tf) are replaced by the parameters of the respective range in which heat transfer to the regenerator and regeneration occur, both are equal.

[061] O processo termodinâmico da curva (72) da figura 14 ocorre nas condições mostradas nos desenhos mecânicos das figuras 11 e 13.[061] The thermodynamic process of curve (72) in figure 14 occurs under the conditions shown in the mechanical drawings in figures 11 and 13.

[062] A figura 15 mostra em (73) os processos que formam o ciclo de um dos subsistemas. O processo (b-c) do ciclo mostrado em (73) é politrópico e inicia no ponto (b) na temperatura quente (Tq), com (n1) mol de gás e segue para o ponto (c), transferindo parte da massa de gás, equivalente a (n1 -n2) mol de gás para o outro subsistema e transferindo seu calor (energia) para o regenerador e parte simultaneamente para o elemento de força motriz do motor, chegando ao ponto (c) numa temperatura mais fria de início do processo isobárico (Tc) e com (n2) mol de gás. O gráfico (75) mostra o processo em que o regenerador retira o calor do gás do subsistema, através da expansão do gás interno do regenerador ativo.[062] Figure 15 shows in (73) the processes that form the cycle of one of the subsystems. The process (b-c) of the cycle shown in (73) is polytropic and starts at point (b) at the hot temperature (Tq), with (n1) moles of gas and continues to point (c), transferring part of the gas mass , equivalent to (n1 -n2) mol of gas to the other subsystem and transferring its heat (energy) to the regenerator and simultaneously goes to the engine's driving force element, reaching point (c) at a colder temperature at the beginning of the isobaric process (Tc) and with (n2) moles of gas. The graph (75) shows the process in which the regenerator removes heat from the gas in the subsystem, through the expansion of the internal gas of the active regenerator.

[063] A figura 16 mostra em (77), simultaneamente ao ciclo mostrado na figura 15, os processos que formam o ciclo do outro subsistema que compreende o conceito do motor formado por dois subsistemas interdependentes. O processo politrópico (b-c) mostrado na figura 15 no primeiro subsistema é de abaixamento da temperatura do gás, a sua energia é transferida ao regenerador ativo e ao elemento de força motriz, simultaneamente ocorre no segundo subsistema um processo politrópico (4-1) de crescimento da temperatura, mostrado na figura 16, a massa de gás equivalente a (n1 - n2) mol de gás do primeiro subsistema é transferido a partir do ponto (b), mostrado em (73), para o segundo subsistema, indicado no detalhe (78), figura 16, o qual inicia este processo politrópico com (n2) mol de gás em (4) e chega em (1) com (n1) mol de gás em uma temperatura mais quente (T1) recebida da energia armazenada do regenerador ativo e do elemento de força motriz do motor, cuja curva da parcela do regenerador de seu processo está indicada em (76).[063] Figure 16 shows in (77), simultaneously with the cycle shown in figure 15, the processes that form the cycle of the other subsystem that comprises the concept of the engine formed by two interdependent subsystems. The polytropic process (b-c) shown in figure 15 in the first subsystem involves lowering the gas temperature, its energy is transferred to the active regenerator and the driving force element, simultaneously in the second subsystem a polytropic process (4-1) of temperature growth, shown in figure 16, the mass of gas equivalent to (n1 - n2) mole of gas from the first subsystem is transferred from point (b), shown in (73), to the second subsystem, indicated in detail (78), figure 16, which starts this polytropic process with (n2) moles of gas in (4) and arrives at (1) with (n1) moles of gas at a hotter temperature (T1) received from the stored energy of the active regenerator and the driving force element of the engine, whose curve of the regenerator portion of its process is indicated in (76).

[064] A figura 17 mostra o ciclo diferencial ideal do motor, de oito processos, completo, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, onde sempre ocorrem dois processos simultâneos no motor, exemplificado pelas indicações (86) e (88), até formar o ciclo completo de oito processos e ciclos de dois processos em cada um dos dois regeneradores ativos. Em (82), a sequência (1-2-3-4-1) mostra os processos de um dos subsistemas que formam o ciclo do motor, a sequencia (a-b-c-d- a) mostra os processos do outro subsistema, em (81) são mostrados os processos de um dos regeneradores ativos, em (83) são mostrados os processos do outro regenerador ativo, todos interdependentes.[064] Figure 17 shows the ideal engine differential cycle, of eight processes, complete, based on the concept of a hybrid thermodynamic system, where two simultaneous processes always occur in the engine, exemplified by indications (86) and (88), until forming the complete cycle of eight processes and cycles of two processes in each of the two active regenerators. In (82), the sequence (1-2-3-4-1) shows the processes of one of the subsystems that form the engine cycle, the sequence (a-b-c-d- a) shows the processes of the other subsystem, in (81) the processes of one of the active regenerators are shown, in (83) the processes of the other active regenerator are shown, all interdependent.

[065] Na figura 17, em (82). A curva indicada por (87) mostra os processos (ab-c-d-a) de um dos subsistemas, o processo (a-b) é isobárico de alta temperatura onde ocorre a entrada de energia no sistema, ocorre simultaneamente com o processo isobárico de baixa temperatura (3-4) por onde ocorre o descarte da energia não utilizada, da curva indicada por (85) do outro subsistema. O processo (b-c) é politrópico de abaixamento de temperatura, ocorre simultaneamente com o processo (4-1), também politrópico, porém de aumento da temperatura, no processo (b-c) ocorre a transferência de calor (energia) do gás do motor para o elemento de força motriz do motor e também do gás do motor para o regenerador mostrado em (83), num processo adiabático indicado pela curva (89), simultaneamente no processo (4-1) ocorre a regeneração do calor (energia) para o gás do motor recebida do elemento de força motriz do motor e do regenerador mostrado em (81), também num processo adiabático indicado pela curva (84), simultaneamente ainda, durante os processo politrópicos do ciclo do motor e durante os processo adiabáticos dos regeneradores ativos, ocorre a transferência de massa, saindo (n1 - n2) mol de gás no processo (b-c), para o outro subsistema, durante o processo politrópico (4-1), mostrado no detalhe (78) na curva do gráfico (77) na figura 16. Os processos (2-3) e (d-a) são idênticos aos processos (b-c) e (4-1). O processo (c-d) é isobárico de baixa temperatura e ocorre simultaneamente ao processo (1-2), isobárico de alta temperatura. O processo (d-a) é politrópico de aumento de temperatura (regeneração), com incremento de massa e ocorre simultaneamente ao processo (2-3) politrópico de redução de temperatura (transferência de calor ao regenerador), com redução de massa, finalizando assim o ciclo termodinâmico com oito processos do motor, sempre dois simultâneos e os ciclos dos dois regeneradores ativos, cada um com dois processos adiabáticos. A soma da massa de gás de trabalho dos dois subsistemas que formam o motor é sempre constante.[065] In figure 17, in (82). The curve indicated by (87) shows the processes (ab-c-d-a) of one of the subsystems, the process (a-b) is high temperature isobaric where the energy input into the system occurs, it occurs simultaneously with the low temperature isobaric process (3 -4) where unused energy is discarded, from the curve indicated by (85) of the other subsystem. Process (b-c) is polytropic of lowering temperature, it occurs simultaneously with process (4-1), also polytropic, but of increasing temperature, in process (b-c) the transfer of heat (energy) from the engine gas to the driving force element of the engine and also of the gas from the engine to the regenerator shown in (83), in an adiabatic process indicated by the curve (89), simultaneously in the process (4-1) the regeneration of heat (energy) occurs for the engine gas received from the driving force element of the engine and the regenerator shown in (81), also in an adiabatic process indicated by the curve (84), simultaneously also during the polytropic processes of the engine cycle and during the adiabatic processes of the active regenerators , mass transfer occurs, leaving (n1 - n2) moles of gas in process (b-c), to the other subsystem, during the polytropic process (4-1), shown in detail (78) in the graph curve (77) in figure 16. Processes (2-3) and (d-a) are identical to processes (b-c) and (4-1). Process (c-d) is low-temperature isobaric and occurs simultaneously with process (1-2), high-temperature isobaric. Process (d-a) is a polytropic process of temperature increase (regeneration), with an increase in mass and occurs simultaneously with the polytropic process (2-3) of temperature reduction (heat transfer to the regenerator), with mass reduction, thus completing the process. thermodynamic cycle with eight engine processes, always two simultaneous and the cycles of the two active regenerators, each with two adiabatic processes. The sum of the working gas mass of the two subsystems that make up the engine is always constant.

[066] Nas câmaras de conversão do motor, os processos isobáricos do ciclo do motor (1-2), (a-b), (3-4) e (c-d) são realizados com o gás confinado em uma geometria caracterizada por uma inércia térmica em que o gás tenha uma taxa de variação da temperatura tal que o mesmo tende a equalizar com os elementos quentes ou frios apenas no final destes processos, fazendo que a pressão fique relativamente estável, isto é, isobárica. Esta geometria deve ser caracterizada por uma profundidade não muito pequena para a penetração do calor no gás, ou por um deslocamento do gás entre os elementos quentes e frios não muito rápido de forma a produzir uma taxa de variação da temperatura em todo o processo isobárico fazendo com que a pressão tenha um comportamento constante. Os processos politrópicos do ciclo do motor (23) e (b-c) são realizados com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o elemento de força motriz do motor e o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizarão uma expansão rápida, adiabática, transferindo a energia do gás para os elementos mecânicos do regenerador e do motor, armazenando a energia em forma de energia cinética e nos processos politrópicos do ciclo do motor (4-1) e (d-a) são realizados também com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizará uma compressão rápida juntamente com o elemento de força motriz do motor, adiabática, transferindo a energia cinética de seus elementos de volta para o gás do motor, elevando sua temperatura, concluindo a regeneração.[066] In the engine conversion chambers, the isobaric processes of the engine cycle (1-2), (a-b), (3-4) and (c-d) are carried out with the gas confined in a geometry characterized by thermal inertia in which the gas has a temperature variation rate such that it tends to equalize with hot or cold elements only at the end of these processes, making the pressure relatively stable, that is, isobaric. This geometry must be characterized by a not too small depth for the penetration of heat into the gas, or by a displacement of the gas between the hot and cold elements not too fast in order to produce a rate of temperature variation throughout the isobaric process, making so that the pressure behaves constantly. The polytropic processes of the engine cycle (23) and (b-c) are carried out with the gas in a thermally isolated region or in the transition between the hot and cold areas of the engine, and in this process the engine driving force element and the regenerator in thermal contact with the working gas will carry out a rapid, adiabatic expansion, transferring the energy of the gas to the mechanical elements of the regenerator and the engine, storing the energy in the form of kinetic energy and in the polytropic processes of the engine cycle (4-1) and (d-a) are also carried out with the gas in a thermally isolated region or in the transition between the hot and cold areas of the engine, and in this process the regenerator in thermal contact with the working gas will perform rapid compression together with the power element engine motive force, adiabatic, transferring the kinetic energy of its elements back to the engine gas, raising its temperature, completing regeneration.

[067] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo diferencial de oito processos do motor térmico mostrados passo a passo, com quatro processos isobáricos, quatro processos politrópicos e o ciclo termodinâmico com dois processos adiabáticos do regenerador ativo e etapas de transferência de massa. [067] Table 1 shows process by process that form the differential cycle of eight heat engine processes shown step by step, with four isobaric processes, four polytropic processes and the thermodynamic cycle with two adiabatic active regenerator processes and heat transfer steps. pasta.

[068] Este ciclo diferencial de um motor composto por dois subsistemas baseado no conceito de sistema híbrido, cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 17, possui oito processos, dois processos isobáricos de alta temperatura de entrada de energia no sistema, curvas (1-2) e (a-b) são representadas pelas expressões (g) e (h), dois processos isobáricos de baixa temperatura de descarte da energia não utilizada, curvas (3-4) e (c-d) representados pelas expressões (i) e (j), dois processos politrópicos de transferência de calor (2-3) e (b-c) por meio de um regenerador ativo, representados pelas expressões (k) e (l), dois processos politrópicos de regeneração de calor (4-1) e (d-a), representados pelas expressões (m) e (n). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias. [068] This differential cycle of an engine composed of two subsystems based on the concept of a hybrid system, whose pressure and volume curve is indicated in figure 17, has eight processes, two high-temperature isobaric processes of energy input into the system, curves (1-2) and (ab) are represented by expressions (g) and (h), two low-temperature isobaric processes for disposing of unused energy, curves (3-4) and (cd) represented by expressions (i ) and (j), two polytropic heat transfer processes (2-3) and (bc) through an active regenerator, represented by expressions (k) and (l), two polytropic heat regeneration processes (4- 1) and (da), represented by the expressions (m) and (n). The expressions consider the sign of the direction of the flow of energies.

[069] Considerando que (T1 = Ta) e (T2 = Tb), o total de energia de entrada no motor é a soma das energias Q (1-2) e Q (a-b) e é representada pela expressão (o) abaixo. [069] Considering that (T1 = Ta) and (T2 = Tb), the total energy input to the engine is the sum of the energies Q (1-2) and Q (ab) and is represented by expression (o) below .

[070] Considerando que (T3 = Tc) e (T4 = Td), o total de energia descartada para o meio exterior é a soma das energias Q(3-4) e Q(c-d) e na sua forma positiva, é representada pela expressão (p) abaixo. [070] Considering that (T3 = Tc) and (T4 = Td), the total energy discarded to the external environment is the sum of the energies Q(3-4) and Q(cd) and in its positive form, it is represented by expression (p) below.

[071] O trabalho útil total do motor, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (q) abaixo. [071] The total useful work of the motor, considering an ideal lossless model, is the difference between energy input and output and is represented by expression (q) below.

[072] Os processos politrópicos, mostrados pelas expressões (k), (l), (m) e (n) são iguais e regenerativos, a energia é transferida no processo de abaixamento de temperatura e regenerada nos processos de aumento da temperatura, isto é, a energia se conserva nos subsistemas.[072] The polytropic processes, shown by expressions (k), (l), (m) and (n) are equal and regenerative, energy is transferred in the process of lowering the temperature and regenerated in the processes of increasing the temperature, i.e. That is, energy is conserved in the subsystems.

[073] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo diferencial de oito processos, quatro processos isobáricos, quatro processos politrópicos com transferência de massa e regenerador ativo é dada pela expressão (r), caracterizando que os ciclos diferenciais baseados no sistema termodinâmico híbrido possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa nos processos e portanto estes ciclos não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas. [073] The final theoretical demonstration of the efficiency of the differential cycle of eight processes, four isobaric processes, four polytropic processes with mass transfer and active regenerator is given by the expression (r), characterizing that the differential cycles based on the hybrid thermodynamic system have as efficiency parameter, also the number of moles or mass in the processes and therefore these cycles do not have their efficiencies dependent exclusively on temperatures.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕESAPPLICATION EXAMPLES

[074] Os motores de ciclo diferenciais baseados no sistema híbrido operam com calor, não exigem combustão, embora possa ser utilizada, não exige queima de combustíveis, embora possa ser utilizada, portanto podem operar em ambientes com ou sem atmosfera. O ciclo termodinâmico não exige troca do estado físico do gás de trabalho. Pelas suas propriedades expostas nesta descrição, os motores de ciclo diferenciais podem ser projetados para operar em uma larga faixa de temperatura, superiores à maioria dos ciclos motores existentes baseados nos sistemas aberto ou fechado. Os motores de ciclo diferenciais são totalmente flexíveis quanto à fonte da energia (calor), na figura 18 é mostrado uma aplicação para o emprego do motor de ciclo diferencial para a geração de energia a partir de fontes geotermais. A figura 18 mostra um sistema de transferência de calor do solo 96 para um coletor (94), formado basicamente por uma bomba (97) que injeta um fluido, normalmente água, pelo duto (93). O calor no coletor (94) é transferido para o motor de ciclo diferencial (91), o qual descarta parte da energia para o meio externo através do trocador de calor (95) e converte outra parte da energia em trabalho, operando um gerador (92) o qual produz eletricidade.[074] Differential cycle engines based on the hybrid system operate with heat, do not require combustion, although it can be used, do not require burning of fuels, although it can be used, therefore they can operate in environments with or without atmosphere. The thermodynamic cycle does not require changing the physical state of the working gas. Due to their properties exposed in this description, differential cycle engines can be designed to operate in a wide temperature range, higher than most existing engine cycles based on open or closed systems. Differential cycle engines are completely flexible in terms of the energy source (heat). Figure 18 shows an application for using the differential cycle engine to generate energy from geothermal sources. Figure 18 shows a heat transfer system from the ground 96 to a collector (94), basically formed by a pump (97) that injects a fluid, normally water, through the duct (93). The heat in the collector (94) is transferred to the differential cycle engine (91), which discards part of the energy to the external environment through the heat exchanger (95) and converts another part of the energy into work, operating a generator ( 92) which produces electricity.

[075] A figura 19 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para a produção de energia a partir do calor do sol. Os raios solares são coletados através do concentrador (103), a energia (calor) é transferida para o elemento (104) o qual direciona o calor para o motor de ciclo diferencial (101), este converte parte da energia em trabalho útil para operar um gerador de eletricidade, (102), parte da energia é descartada ao meio externo através do trocador (105).[075] Figure 19 shows another useful application for the differential cycle engine for producing energy from the sun's heat. The sun's rays are collected through the concentrator (103), the energy (heat) is transferred to the element (104) which directs the heat to the differential cycle engine (101), which converts part of the energy into useful work to operate an electricity generator, (102), part of the energy is discarded to the external environment through the exchanger (105).

[076] A figura 20 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para melhorar a eficiência de motores de combustão interna, formando ciclos combinados com estes. O calor rejeitado pelas exaustões, (116), dos motores de combustão interna, indicado por (112), alimentados por combustíveis, (117), de ciclo Brayton, ciclo Diesel, ciclo Sabathe, ciclo Otto, ciclo Atkinson, são canalizados para a entrada de energia (calor) do motor de ciclo diferencial, (111), através de um trocador (113), promovendo um fluxo de calor, (1111), do motor de combustão interna, (112), em direção ao motor de ciclo diferencial (111) e este converte parte desta energia em força mecânica útil, (1113) que pode ser integrada à força mecânica do motor de combustão interna, (1112) gerando uma força mecânica única, (118), ou direcionada a produzir energia elétrica. O descarte da energia não convertida pelo motor de ciclo diferencial segue para o meio externo indicado por (1110). Esta aplicação permite recuperar parte da energia que os ciclos dos motores de combustão interna não podem utilizar para a realização de trabalho útil e assim melhorar a eficiência geral do sistema.[076] Figure 20 shows another useful application for the differential cycle engine to improve the efficiency of internal combustion engines, forming combined cycles with them. The heat rejected by the exhausts, (116), of internal combustion engines, indicated by (112), powered by fuels, (117), Brayton cycle, Diesel cycle, Sabathe cycle, Otto cycle, Atkinson cycle, are channeled to the energy input (heat) from the differential cycle engine, (111), through an exchanger (113), promoting a flow of heat, (1111), from the internal combustion engine, (112), towards the cycle engine differential (111) and this converts part of this energy into useful mechanical force, (1113) which can be integrated with the mechanical force of the internal combustion engine, (1112) generating a single mechanical force, (118), or directed to produce electrical energy . The energy not converted by the differential cycle engine is discarded and sent to the external environment indicated by (1110). This application makes it possible to recover part of the energy that internal combustion engine cycles cannot use to carry out useful work and thus improve the overall efficiency of the system.

Claims (11)

1) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR ”, caracterizado por ser composto por dois subsistemas termodinâmicos, (31) e (37), configurando um sistema termodinâmico híbrido, sendo cada subsistema formado por uma câmara, (33) e (35), contendo gás de trabalho e cada uma destas duas câmaras são formadas por três subcâmaras, uma aquecida, (33 com 317) e (35 com 42), uma resfriada, (33 com 41) e (35 com 318), e outra isolada, (33 com 32) e (35 com 36), conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz, (312), cada subsistema possui um regenerador ativo ou passivo, (310) e (314), entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, (34), estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles, um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, (82), único, de oito processos, sendo quatro deles isobáricos, (a-b), (1-2), (c-d) e (3-4), quatro politrópicos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável.1) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, characterized by being composed of two thermodynamic subsystems, (31) and (37), configuring a hybrid thermodynamic system, each subsystem being formed by a chamber, (33) and (35), containing working gas and each of these two chambers is formed by three subchambers, one heated, (33 with 317) and (35 with 42), one cooled, (33 with 41) and (35 with 318), and another isolated one, (33 with 32) and (35 with 36), connected to these two chambers there is a driving force element, (312), each subsystem has an active or passive regenerator, (310) and (314), between the subsystems there is a mass transfer element, (34), these two subsystems simultaneously execute each one of them, a cycle of four interdependent processes forming a differential thermodynamic cycle, (82), unique, of eight processes , four of which are isobaric, (a-b), (1-2), (c-d) and (3-4), four are polytropic, (b-c), (2-3), (d-a) and (4-1), with variable mass transfer. 2) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser composto por duas câmaras, (33) e (35), cada câmara é dividida em três subcâmaras, uma subcâmara aquecida, (33 com 317) e (35 com 42), uma subcâmara resfriada, (33 com 41) e (35 com 318), e uma subcâmara isolada termicamente, (33 com 32) e (35 com 36), formando cada câmara, um subsistema, (31) e (37), e a junção destes dois subsistemas formam um sistema termodinâmico híbrido.2) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claim 1, characterized by being composed of two chambers, (33) and (35), each chamber is divided into three subchambers, a heated subchamber, (33 with 317) and (35 with 42), a cooled subchamber, (33 with 41) and (35 with 318), and a thermally insulated subchamber, (33 with 32) and (35 with 36 ), forming each chamber, a subsystem, (31) and (37), and the junction of these two subsystems forms a hybrid thermodynamic system. 3) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por possuir um elemento de força motriz, (312), conectado às duas câmaras de conversão termodinâmicas, (33) e (35).3) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claims 1 and 2, characterized by having a driving force element, (312), connected to the two thermodynamic conversion chambers , (33) and (35). 4) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado por possuir um regenerador ativo ou passivo, (310) e (314), em cada uma das câmaras (33) e (35).4) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claims 1, 2 and 3, characterized by having an active or passive regenerator, (310) and (314), in each of the chambers (33) and (35). 5) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado por possuir um elemento de transferência de massa do gás de trabalho, (34), entre as câmaras (33) e (35).5) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized by having a working gas mass transfer element, (34 ), between chambers (33) and (35). 6) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, caracterizado por um processo executado pelo sistema híbrido formando um ciclo termodinâmico diferencial de oito processos termodinâmicos do motor, (82), sendo dois isobáricos de alta temperatura, (a-b) e (1-2), dois isobáricos de baixa temperatura, (c-d) e (3-4), dois politrópicos de abaixamento de temperatura com transferência de massa, (b-c) e (2-3), dois politrópicos de elevação da temperatura com recebimento de massa, (d-a) e (4- 1), e dois processos adiabáticos, (84) e (89), do regenerador.6) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, characterized by a process carried out by the hybrid system forming a differential thermodynamic cycle of eight engine thermodynamic processes, (82), two of which are high-speed isobaric. temperature, (a-b) and (1-2), two low-temperature isobarics, (c-d) and (3-4), two temperature-lowering polytropics with mass transfer, (b-c) and (2-3), two polytropic processes of temperature elevation with mass receipt, (d-a) and (4- 1), and two adiabatic processes, (84) and (89), of the regenerator. 7) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por possuir um processo isobárico de alta temperatura, (a-b), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo isobárico de baixa temperatura, (3-4), no outro subsistema e um processo isobárico de baixa temperatura, (c-d) no primeiro subsistema que é executado simultaneamente a outro processo isobárico de alta temperatura, (1-2), no segundo subsistema, compondo os quatro processos isobáricos do ciclo.7) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claim 6, characterized by having a high temperature isobaric process, (a-b), in one of the subsystems which is executed simultaneously with another low-temperature isobaric process, (3-4), in the other subsystem and a low-temperature isobaric process, (c-d) in the first subsystem that runs simultaneously with another high-temperature isobaric process, (1-2), in the second subsystem, composing the four isobaric processes of the cycle. 8) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por possuir um processo politrópico de abaixamento de temperatura e transferência de massa, (b-c), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo politrópico, (4-1), no segundo subsistema, sendo este segundo processo, de aumento da temperatura por meio da regeneração e este processo recebe a massa do processo de abaixamento da temperatura e um processo politrópico de elevação de temperatura, regenerativo com aumento de massa, (d-a), no primeiro subsistema, simultaneamente a um processo politrópico de abaixamento de temperatura, e transferência de massa, (2-3), do segundo subsistema, compondo os quatro processos politrópicos do ciclo.8) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claim 6, characterized by having a polytropic process of temperature lowering and mass transfer, (b-c), in one of the subsystems which is executed simultaneously with another polytropic process, (4-1), in the second subsystem, this second process being the temperature increase through regeneration and this process receives the mass of the temperature lowering process and a polytropic process of temperature increase, regenerative with mass increase, (d-a), in the first subsystem, simultaneously with a polytropic process of temperature lowering, and mass transfer, (2-3), of the second subsystem, composing the four polytropic processes of the cycle. 9) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com as reivindicações 6 e 8, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico, dois processos de regeneração da energia - calor -, (84) e (89), os quais são executados pelo elemento de força motriz do motor e pelos regeneradores, (310) e (314), onde a energia - calor - é cedida durante os processos politrópicos de abaixamento de temperatura, (b-c) e (2- 3), sendo armazenada no regenerador e parte no elemento de força motriz do motor, e recebido, regenerado pelos processos politrópicos de aumento da temperatura, (d-a) e (4-1).9) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claims 6 and 8, characterized by having in the thermodynamic cycle, two energy regeneration processes - heat -, (84) and (89), which are carried out by the engine's driving force element and the regenerators, (310) and (314), where energy - heat - is transferred during the polytropic temperature lowering processes, (b-c) and ( 2- 3), being stored in the regenerator and part in the driving force element of the engine, and received, regenerated by the polytropic processes of increasing temperature, (d-a) and (4-1). 10) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com as reivindicações 6, 8 e 9, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico dois processos de armazenamento da energia, (89), executados pelo elemento de força motriz (312) do motor e pelos regeneradores, (310) e (314), para posterior regeneração, (84), através dos regeneradores, os quais absorvem a energia durante os processos politrópicos de abaixamento da temperatura, (b-c) e (2-3).10) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claims 6, 8 and 9, characterized by having two energy storage processes in the thermodynamic cycle, (89), carried out by the driving force element (312) of the engine and by the regenerators, (310) and (314), for subsequent regeneration, (84), through the regenerators, which absorb energy during the polytropic temperature lowering processes, (b-c ) and (2-3). 11) “MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOBÁRICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR”, de acordo com as reivindicações 6, 8 e 9, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico dois processos de regeneração da energia, (84), executados pelos regeneradores, (310) e (314), os quais devolvem a energia ao gás do motor durante os processos politrópicos de elevação da temperatura, (d-a) e (4-1).11) “DIFFERENTIAL CYCLE THERMAL ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOBARIC PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR”, according to claims 6, 8 and 9, characterized by having two energy regeneration processes in the thermodynamic cycle, (84), carried out by the regenerators, (310) and (314), which return energy to the engine gas during the polytropic temperature raising processes, (d-a) and (4-1).
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