BR102017008576A2

BR102017008576A2 - motor de ciclo combinado otto e binário-isobárico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado

Info

Publication number: BR102017008576A2
Application number: BR102017008576-7A
Authority: BR
Inventors: Marno Iockheck; Saulo Finco; Luis Mauro Moura
Original assignee: Associacao Paranaense De Cultura - Apc
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-11-21
Also published as: WO2018195631A1

Abstract

refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo otto interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.o objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, um novo conceito de motores térmicos passou a ser indispensável e a criação de novos ciclos-motores são necessário, de forma que a eficiência dos motores não fique mais dependente exclusivamente das temperaturas. o conceito de sistema híbrido e ciclos diferenciais e ciclos binários, característica própria que fundamenta este novo conceito de ciclo combinado, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura. a eliminação da necessidade da troca do estado físico dos fluidos de trabalho passa a ser representativo para reduzir volume, peso e custo das máquinas. portanto o ciclo combinado formado por uma unidade de ciclo otto com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático constitui uma evolução importante, viável para o futuro dos sistemas formados por ciclos combinados.

Description

(54) Título: MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICO-ADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO (51) Int. Cl.: F01L 1/04; F01K 23/02.

(71) Depositante(es): ASSOCIACAO PARANAENSE DE CULTURA - APC.

(72) lnventor(es): MARNO IOCKHECK; SAULO FINCO; LUIS MAURO MOURA.

(57) Resumo: Refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Otto interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, um novo conceito de motores térmicos passou a ser indispensável e a criação de novos ciclos-motores são necessário, de forma que a eficiência dos motores não fique mais dependente exclusivamente das temperaturas. O conceito de sistema híbrido e ciclos diferenciais e ciclos binários, característica própria que fundamenta este novo conceito de ciclo combinado, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura. A eliminação da necessidade da troca do estado físico dos fluidos de trabalho passa a ser representativo para reduzir volume, peso e custo das máquinas. Portanto o ciclo combinado formado por uma unidade de ciclo Otto com uma unidade de ciclo binárioisobárico-adiabático constitui uma evolução importante, viável para o futuro dos sistemas formados por ciclos combinados.

oissiPACito

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MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO [001] Refere-se a presente invenção a um motor térmicode ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Otto interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente.

[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.

[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigênio ou fluido

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2/16 de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. As matérias que saem destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos; as energias que saem destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.

[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot.A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.

[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, toda a massa do gás de trabalho é exposta à energia de entrada, calor ou combustão e toda ela também, é exposta ao resfriamento ou arrefecimento, isto é, a massa do gás de trabalho é constante em seus processos e a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa de gás de trabalho atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa permanece no sistema.

O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA [007] Os motores de ciclo combinado conhecidos até o presenteforam inventados e projetados unindo-se no mesmo sistema dois conceitos de motores idealizados no século XIX, fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, os mais conhecidos são os ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo Rankine e o ciclo combinado de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo Rankine.

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3/16 [008] O conceito básico de um ciclo combinado é um sistema composto por um motor operante por meio de uma fonte de temperatura alta de forma que o rejeito de calor deste motor é a energia que move um segundo motor que requeira uma temperatura mais baixa de operação, ambos formando um sistema combinado de conversão de energia térmica em energia mecânica para um mesmo fim comum.

[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton ou ciclo Diesel que funciona com uma fonte principal com temperatura superior a 1000 °C e com gases de exaustão na faixa entre 600 °C e 700 °C e estes gases por sua vez são canalizados para alimentar outro motor de ciclo Rankine, geralmente “Rankine orgânico” (ORC). O ciclo Rankine convencional tem como fluido de trabalho a água, o ciclo Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos, estes são mais adequados para projetos em temperaturas menores que os projetos com o ciclo Rankine convencional, portanto normalmente são utilizados nos ciclos combinados.

[010] Algumas das principais desvantagens dos ciclos combinados atuais, considerando a segunda máquina um motor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico são a troca do estado físico do fluido de trabalho, isto é, há uma fase líquida exigida pelos processos do ciclo termodinâmico que deve ser controlada, e a energia do aquecimento da fase líquida e da fase latente, de troca de estado, não podem ser convertidas em energia útil de trabalho, são perdas impostas pelo conceito Rankine. Este sistema exige itens do motor que implicam em mais processos, mais peso, mais controle e mais perdas, são necessários reservatórios do líquido, reservatório para geração de vapor, trocador do tipo resfriador para condensação, reservatório para condensação, bomba para vazão do fluido no estado líquido, válvulas de controle dos processos de estado líquido e gasoso. Este conjunto de particularidades implicam em peso adicional, volume adicional, perdas térmicas adicionais, redução da eficiência global e por consequência, índices de poluição maiores,

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4/16 custos de implementação maiores e menores índices de sustentabilidade nestes projetos.

[011] O estado atual da técnica, a partir de 2011, revelou um novo conceito de sistema termodinâmico, o chamado sistema termodinâmico híbrido, e este novo conceito de sistema passou a ser a base de sustentação para novos ciclos motores, os motores de ciclos diferenciais e os motores de ciclos binários não diferenciais de forma que estes novos ciclos motores possuem vantagens significativas para a criação de novos ciclos combinados. Podem ser exemplificados ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo binário e algumas outras variações.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos combinados se encontram justamente na segunda unidade que formam os sistemas, este, geralmente é uma máquina de ciclo Rankine, uma máquina antiga, cujos processos termodinâmicos impõem perdas através da necessidade de troca do estado físico do fluido de trabalho, do calor de aquecimento da fase líquida, do calor de transformação, calor latente, das unidades mecânicas, reservatórios, sistemas de válvulas, condensadores, bombas que agregam peso, volume, perdas e custos.

[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes,minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, um novo conceito de motores térmicos passou a ser indispensável e a criação de novos ciclos-motores são necessários de forma que a eficiência dos motores não fique mais dependente exclusivamente das

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5/16 temperaturas. O conceito de sistema híbrido e ciclos diferenciais e ciclos binários, característica própria que fundamenta este novo conceito de ciclo combinado, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura. A eliminação da necessidade da troca do estado físico dos fluidos de trabalho passa a ser representativo para reduzir volume, peso e custo das máquinas. Portanto o ciclo combinado formado por uma unidade de ciclo Otto com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático constitui uma evolução importante, viável para o futuro dos sistemas formados por ciclos combinados.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [014] Os motoresde cicloscombinados são caracterizados por possuírem duas unidades termodinâmicas distintas integradas formando um sistema de forma que a energia descartada pela unidade principal é a fonte de energia da unidade secundária e ambos possuem uma integração do trabalho mecânico final.

[015] O conceito presente considera uma unidade termodinâmica formada por um motor de ciclo Otto31, o qual executa um ciclo Otto de quatro processos e um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático 320, o qual executa um ciclo de três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos, e de forma que a energia de entrada, por combustão executa um processo isocórico de aumento de temperatura na unidade de ciclo Otto, um processo de resfriamento isocórico quando a exaustão vai direto ao ambiente ou isobárico ou adiabático quando utiliza-se trocadores para outros fins o qual cede energia para o processo isobárico de expansão da unidade de ciclo binário, este por sua vez executa um processo de resfriamento isobárico cedendo para o ambiente a energia que o sistema em conjunto não tenha convertido em trabalho e de formaque ambos os ciclos tenham uma conversão em trabalho final comum.Portanto trata-se de motoresde ciclos combinados completamente distintos dos motores e ciclos combinados atuais, os quais são baseados única e exclusivamente nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 3 é mostrado o

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6/16 conceito geral do invento e na figura 4 são mostrados os gráficos coma integração de ambos os ciclos termodinâmicos formando o ciclo combinado. Além da combinação do ciclo Otto e binário, a presente invenção considera ainda o emprego de uma turbina auxiliar 315 para executar trabalho por meio de um processo adiabático com a energia residual e, um compressor 314 para pressurização do ar nas câmaras de combustão do motor de combustão interna Otto.

[016] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânicapelo conceito da combinação de dois ciclos termodinâmicos distintos. A imensa maioria de ciclos combinados tem como máquina secundária um motor turbina a vapor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico. A figura 1 mostra que o ciclo Rankine possui perdas próprias do conceito dos processos que formam seu ciclo, não permitindo que uma parcela significativa de energia seja convertida em trabalho. Os ciclos Rankine e Rankine orgânico exigem a troca da fase física do gás de trabalho, isto é, há uma fase do processo em estado líquido exigindo elementos de condensação, evaporação e sistemas de bombas auxiliares, e todos estes elementos e processos impõem perdas e impossibilidade de utilizar as energias destas fases na conversão.Algumas das principais vantagens do invento ciclo combinado Otto com binário-isobárico-adiabático que podem ser constatadas são a inexistência de elementos de troca de fase física do fluido de trabalho e suas perdas associadas, a inexistência de elementos de condensação e de vaporização, portanto a inexistência também de perdas associadas ao calor latente do fluido de trabalho, a inexistência de circuitos, bombas, elementos de controle destinados aos processos de troca de fase física do fluido e suas perdas associadas e que por consequência, a inexistência do volume, materiais e massa, peso, dos elementos que compõe tais projetos. Portanto, a inovação apresentada pelo ciclo combinado Otto com binário é expressiva.

[017] Os motores de cicloscombinados baseadosna integração de um motor

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7/16 de ciclo Otto com um motor de ciclo binário poderão ser construídos com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais, como a unidade secundária, de ciclo binárioconsiste de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Brayton, Stirling ou Ericsson, todos de combustão externa. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, a escolha do gás poderá ser diversificada, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [018] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceitode ciclo combinado, mais especificamente a um sistema formado por uma unidade de ciclo Otto com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático, sendo representadas conforme segue abaixo:

A figura 1 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado atual, formado por uma unidade de ciclo Otto com uma unidade de ciclo Rankine. Sistemas projetados com esta filosofia na atualidade são utilizados para melhorar a eficiência mecânica e energética em sistemas de tração, veículos, como automóveis.

A figura 2 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado idealizado com base no novo conceito de sistema termodinâmico, formado por uma unidade de ciclo Otto conhecida, com uma unidade de ciclo binário-isobárico-adiabático. Teoricamente, sistemas projetados com esta

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8/16 filosofia para geração de força mecânica terá eficiência superior aos sistemas de ciclo combinado com Rankine ou Rankine orgânico baseado na análise teórica do ciclo da segunda máquina que forma o sistema, entre as perdas que deixam de existir, a inexistência de troca do estado físico do fluido de trabalho é item significativo, o processo de conservação de energia propiciado pelo subsistema de conservação pertencente ao ciclo binário, reforça as possibilidades do incremento da eficiência geral.

A figura 3apresenta o diagrama de um sistema composto por um motor de ciclo Otto31, com um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático, 320 formando o ciclo combinado Otto e binário.

A figura 4 mostra respectivamente as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo Otto 41 e as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo binário-isobárico-adiabático 45.

A figura 5 mostra o ciclo Otto convencional com dois processosisocóricos e dois processos adiabáticos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO [019] O motor de ciclo combinado Otto e binário-isobárico-adiabáticoé um sistema composto por um conceito de motor baseado no sistema termodinâmico aberto, um motor de combustão interna de ciclo Otto, idealizado no século XIX, com um motor baseado no sistema termodinâmico híbrido, o ciclo binário-isobárico-adiabático não diferencial, idealizado no século XXI, de forma que a energia descartada pelo primeiro, o motor de combustão interna de ciclo Otto, é a energia que move o segundo, o motor de ciclo binário.

[020] A figura 3 apresenta o sistema que caracteriza um motor de ciclo combinado Otto e binário-isobárico-adiabático. Este sistema é constituído por uma máquina que opera pelo ciclo Otto, integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário e de forma que seus ciclos

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9/16 termodinâmicos sejam também integrados conforme figura 4. O sistema da figura 3 mostra um motor de combustão interna de ciclo Otto 31, acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático 320. O motor de ciclo Otto possui seu coletor de descarga 331, exaustão dos gases quentes, conectado a um trocador de calor 319, neste trocador há uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário que entra pelo ponto (a) sendo aquecido no interior do trocador e sai pelo ponto (b), entrando na válvula proporcional de controle de três vias 326, e esta válvula direciona parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia 321 e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia 322, o rotor de turbina da unidade de conservação 322 conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente 323, entrando pelo ponto (c’) onde é realizado o processo isobárico de compressão, saindo o gás pelo ponto (d’) seguindo para o rotor docompressor da unidade de conservação de energia 324, e este por sua vez conduz o gás com sua energia associada, conservada, novamente para a câmara de expansão isobárica de aquecimento 319. O rotor de turbina da unidade de conversão de energia 321 conduz a sua fração do gás de trabalho vindo da válvula de controle 326 para a câmara de resfriamento 328, esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, isto é, no ponto mais externo do motor em fronteira com o ambiente, e o gás entrando no ponto (c), no interior da câmara 328, onde é realizado o processo isobárico de compressão e resfriamento, saindo o gás pelo ponto (d) seguindo para o rotor do compressor da unidade de conversão de energia 325, e este por sua vez, retornando o gás à entrada da câmara de expansão isobárica e aquecimento 319, completando o ciclo termodinâmico binário do sistema. A energia mecânica convertida pela unidade de ciclo binário no eixo 327, este eixo é acoplado direta ou indiretamente a todos os rotores de compressão e turbina, 314, 315, 321, 322, 324 e 325, e é acoplada ao eixo mecânico principal 33, da unidade de ciclo Otto por meio de uma caixa de engrenagens 34 para

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10/16 transmissão da força do eixo da unidade de ciclo binário somando com o eixo 33 do motor principal 31. Fazendo parte da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra ainda um rotor de turbina 315, onde é executado um processo adiabático, por onde passam os gases da exaustão do motor Otto, logo após sua passagem pelo trocador de calor 319, o gás saindo do trocador, entra no rotor de turbina 315, este é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor 314, e a partir do rotor de turbina 315, o gás segue para uma unidade de controle 312, tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina 315 às câmaras de combustão do motor Otto via misturador 39, reduzindo as emissões de óxidos nitrosos, NOx, outra parte dos gases, ao sair da unidade 312, segue para o ambiente 316. Fazendo parte também da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra um rotor do compressor 314, o qual pressuriza ar do ambiente para as câmaras de combustão do motor Otto, o ar 317 primeiramente passa pelo filtro 313, entra no rotor do compressor 314, passando por um resfriador 36 e deste para o misturador 39 o qual executa a mistura do ar pressurizado com parte dos gases da combustão, injetando-os para as câmaras de combustão do motor Otto 31.

[021] A figura 3 apresenta também os principais elementos que configuram um motor Otto, em 318 a entrada de ar de arrefecimento do motor e todos os sistemas que necessitam de resfriamento, o trocador de calor 328 é o elemento mais externo e é a câmara de compressão isobárica da unidade de ciclo binário, é o mais externo porque a eficiência da unidade de ciclo binário aumenta quanto menor for a temperatura do processo isobárico que ocorre no trocador 328, diferente de outras necessidades do motor Otto. O trocador de calor 36 é usado para resfriamento do ar pressurizado pelo compressor 314. Outro trocador de calor, radiador 35 é o principal elemento de arrefecimento do motor Otto, unidades hidráulicas e elétricas. Uma ventoinha 329 é usada para forçar a ventilação e melhorar a troca de calor, arrefecimento. Uma bomba 37, de fluido de arrefecimento, normalmente água, circula o fluido no interior do

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11/16 motor a combustão interna para mantê-lo em condições térmicas seguras, auxiliado por um sensor tipo termostato 38 para o controle da temperatura. A mistura do ar pressurizado com parte do gás da exaustão ocorre no misturador 39 e segue para um distribuidor 32 o qual injeta nas câmaras de combustão do motor Otto. A linha 330 é um tubo de retorno do fluido de arrefecimento do motor. A linha 310 é um duto que conduz parte dos gases da combustão a partir do regulador (EGR) para o misturador 39. Os gases, resíduos da combustão são conduzidos pela linha 311 a partir do coletor 331, passando pelo trocador de calor 319 e seguindo para a entrada do rotor de turbina 315. O eixo de força 33, do motor Otto, é o principal elemento para levar a força mecânica à caixa de transmissão 34.

[022] Na figura 4 são mostrados os gráficos da pressão e deslocamento volumétrico que na união deles formam o ciclo combinado, um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Otto e outro binário-isobáricoadiabático, onde o primeiro ciclo, o ciclo Otto é formado por quatro processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo dois processos ou transformações isocóricas e dois processos adiabáticos, que ocorrem um a um sequencialmente, porém com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento. A introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, tornando-o, em síntese, adiabático e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), pode ganhar características isobáricas sendo descritas da seguinte forma, a energia de entrada no sistema pela combustão, 42, executa um processo de aquecimento e compressão isocórica (3-4), na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5’), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador 319 gerando o segmento isobárico (5’5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou ainda adiabático, ou variável, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina 315, em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Otto. A

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12/16 energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5’-5) indicado por 43, a energia canalizada para o rotor de turbina 315 é definida pelo processo (5-2) indicado por 44.

[023] O ciclo binário 45 é acoplado, integrado ao ciclo Otto 41, de forma que o processo de descarte de energia (5’-5) do ciclo Otto, é a energia de entrada do ciclo binário, e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente. A energia descartada pelo ciclo Otto forma o processo isobárico de expansão (a-b), partindo do ponto (b) do ciclo binário ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão do motor de ciclo binário e umprocesso adiabático de expansão (bc’) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos ocorrem dois processos isobáricos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário ocorre um processo de compressão isobárico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c’), ocorre um processo de compressão isobárico (c’-d’) da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isobáricos de compressão ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário, ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d’-a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário finalizando o ciclo binário 45. Portanto, em condições ideais, sem perdas, a energia entra por combustão no ciclo Otto, indicado por 42, parte da energia descartada 44, alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, 315, parte restante da energia descartada 43 do ciclo Otto alimenta o ciclo binário 45, a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por 46.

[024] A tabela 1 mostra os processos (3-4, 4-5’, 5’-5, 5-2, 2-3) que formam o ciclo Otto quando o mesmo é integrado ao ciclo binário-isobárico-adiabático, mostrados passo a passo.

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Tabela 1

Passo	Processo	Unidade de ciclo Otto
1	3-4	Isocórico de aquecimento e compressão	Entrada de energia por combustão
2	4-5’	Adiabático de expansão
3	5’-5	Isobárico, isotérmico ou adiabático de expansão	Energia transferida para o ciclo binário
4	5-2	Adiabático de expansão	Acionamento da turbina 315
5	2-3	Adiabático de compressão

[025] A tabela 2 mostra os sete processos (a-b, b-c, b-c’, c-d, c’-d’, d-a, d’-a) que formam o ciclo binário-isobárico-adiabático não diferencial, mostrados passo a passo, com três processos isobáricos e quatro processos adiabáticos.

Tabela 2

Passo	Processo	Subsistema de conversão	Subsistema de conservação
1	a-b	Isobárico de expansão	Isobárico de expansão	Entrada da energia provinda do ciclo Otto
2	b-c / b-c’	Adiabático de expansão	Adiabático de expansão
3	c-d / c’-d’	Isobárico de compressão	Isobárico de compressão	c-d descarte c’-d’conservada
4	d-a / d’-a	Adiabático de compressão	Adiabático de compressão

A figura 5 mostra o gráfico da pressão e volume do ciclo Otto ideal, considerando um motor sem acessórios, é um ciclo formado por dois processos isocóricos, um de aquecimento pela combustão (3-4) e outro de resfriamento pela exaustão (5-2), um processo adiabático de expansão (4-5) e um processo adiabático de compressão (2-3). Ao implantar mudanças mecânicas no motor,

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14/16 o acréscimo de uma turbina 315 e um trocador de calor 319, ocorre também uma alteração no ciclo termodinâmico, o processo (5-2) deixa de ser isocórico, pois há uma turbina para movimentar que em conjunto com o trocador de calor 319 e um sistema de controle, produzirá mudanças nesta região do ciclo termodinâmico e esta mudança pode ser variável em função da operação em que o motor estará funcionando. O presente documento propõe uma aproximação considerando os itens essenciais mecânicos e de processos que caracterizam a ideia.

[026] O ciclo combinado Otto com binário-isobárico-adiabático é a junção de um ciclo chamado Otto, cujo ciclo é formado por processos que se realizam um a um sequencialmente, com um ciclo binário-isobárico-adiabático de sete processos os quais se realizam todos simultaneamente e este sistema possui a entrada de energia pela combustão no ciclo Otto por um processo isocórico (34), conforme figura 4, indicado em 41, de compressão e aquecimento representado pela expressão (a).

Qi=-^-y(T_q-T₃) (a) [027] Na equação (a), (Q/) representa a energia total de entrada no sistema, em “Joule”, (n) representa o número de mol pertencendo à unidade ciclo Otto, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (T_q) representa a temperatura máxima do gás em “Kelvin” no ponto (4) do processo, figura 4, indicado por 42, (T₃) representa a temperatura no ponto (3), inicial do processo isocórico, figura 4, e (y) representa o coeficiente de expansão adiabática.

[028] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina principal, o ciclo Otto, é a energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário somada à energia de alimentação da turbina 315, e a expressão da energia descartada, fornecida às unidades posteriores é representada pela expressão (b), considerando o processo (5’-5) isobárico, dependendo do controle, este processo poderá ser isotérmico ou adiabático, neste caso foi

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15/16 considerado isobárico na equação a seguir.

Qoa = (T₅, ~ T₅) + (T₅, - T₂)(b) [029] A energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário é representado pela expressão (c), e (T_b = T₅ e T_a = T₅).

Q_ib=^.(T_b-T_a)=^-_y(T_5l-T₅)(c) [030] A energia de entrada da turbina 315, (Qt) é um processo adiabático e é representado pela expressão (d).

Qt= ^-y(T₅,-T₂·)(d) [031] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina secundária, de ciclo binário, é representada pela expressão (e). Esta, no conceito ideal, é o total de energia descartada ao meio, a qual não realiza trabalho útil.

Qo=^-(T_f-T_c·) (e) [032] O trabalho útil total do sistema ciclo combinado, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (f) abaixo.

Wu=^y(T_q~ T₃) ~^y(T_c- Tf) (f) [033] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo combinado Otto e binário-isobárico-adiabáticoé dada pela expressão (g), caracterizando que os ciclos combinados de uma máquina fundamentada no sistema aberto ou fechado com uma máquina fundamentada no sistema híbrido possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa, característica

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16/16 herdada da máquina fundamentada no sistema híbrido, e portanto, não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas.

n=inz-y n (Tç-Tf (T_q-T₃·) (g)

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES [034] Os motoresde ciclos combinados pela integração de uma unidade de ciclo Otto com um motor fundamentado no sistema híbrido, por exemplo, um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático, possui algumas aplicações importantes, a mais óbvia é a sua aplicação em veículos de transportes que utilizam o ciclo Otto, e gasolina ou álcool como combustível. A tecnologia de motores fundamentados no sistema híbrido trás inúmeras propriedades que são especialmente interessantes a estes projetos, a flexibilidade quando às temperaturas de operação, a inexistência de uma série de elementos que são obrigatórios nos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, propiciando volume e peso reduzidos, e a controlabilidade, isto é, a capacidade de operar em uma larga faixa de rotação e torque. Portanto a tecnologia de ciclo combinado Otto com binário se aplica a veículos, especialmente automóveis.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, caracterizado por ser constituído pela integração de duas máquinas térmicas, dois ciclos termodinâmicos, formando um sistema combinado, sendo um deles uma máquina que opera pelo ciclo Otto(31), integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320), e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados, um motor de combustão interna de ciclo Otto(31), acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático (320), onde o motor de ciclo Otto possui um coletor de descarga (331) conectado a um trocador de calor (319), o trocador(319) possui uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário que entra em uma válvula proporcional de controle de três vias (326), e esta válvula direciona parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321) e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia (322), o rotor de turbina da unidade de conservação (322) conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente(323), onde é realizado o processo isobárico de compressão, seguindo para o rotor do compressor da unidade de conservação de energia (324), conduzindo o gás com sua energia associada, conservada, para a câmara de expansão isobárica de aquecimento (319), o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321) conduz a sua fração do gás de trabalho para a câmara de resfriamento (328), esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, e o gás entrando no ponto (c) no interior da câmara (328), onde é realizado o processo isobárico de compressão e resfriamento, seguindo para o rotor do compressor da unidade de conversão de energia (325), e este, retornando o gás à entrada da câmara de expansão isobárica e de aquecimento (319), completando o ciclo termodinâmico binário-isobárico-adiabático do sistema, aforça mecânicado eixo (327), do motor turbina de ciclo binário é acoplada ao eixo mecânico principal (33), da unidade de ciclo Otto por meio de uma caixa de engrenagens de

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2/9 transmissão(34), do motor principal (31),um rotor de turbina (315) é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor (314), e a partir do rotor de turbina (315),o gás segue para uma unidade de controle (312), tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina (315) às câmaras de combustão do motor Otto via misturador (39),um rotor de compressor (314) é conectado também ao eixo principal do motor de ciclo binário, o qual pressuriza ar do ambiente aspirado via filtro (313), e pressurizando às câmaras de combustão do motor Otto(31), via resfriador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312), para as câmaras de combustão do motor Otto(31), através do distribuidor (32).
2) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído pela integração de duas máquinas térmicas, dois ciclos termodinâmicos, formando um sistema combinado, sendo um deles uma máquina que opera pelo ciclo Otto(31), integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320), e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados.
3) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser constituído por um motor de combustão interna de ciclo Otto(31), acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isobárico-adiabático (320).
4) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por um motor de ciclo Ottocom um coletor de descarga (331) conectado a um trocador de calor (319), e o trocador (319) possui uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário.

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5) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por uma válvula proporcional de controle de três vias (326), conectada ao trocador de calor (319), e esta válvula direciona parte do gásvindo do trocador (319) para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321) e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia (322).
6) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina da unidade de conservação (322)o qual conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente (323), onde é realizado o processo isobárico de compressão.
7) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por um rotor do compressor da unidade de conservação de energia (324) ligado à saída da câmara isolada (323), com a função de conduzir o gás com sua energia associada, conservada, para a câmara de expansão isobárica de aquecimento (319).
8) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321)com a função de conduzir a sua fração do gás de trabalho para a câmara de resfriamento (328), esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, e o gás entrando no ponto (c) no interior da câmara (328), onde é realizado o processo isobárico de compressão e resfriamento.
9) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser

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4/9 constituído por um rotor do compressor da unidade de conversão de energia (325), e este com a função de conduzir o gás à entrada da câmara de expansão isobárica e aquecimento (319), completando o ciclo termodinâmico binário-isobárico-adiabático do sistema.
10) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por um eixo de força mecânica (327), conectado direta ou indiretamente a todos os rotores de compressão e de turbina, (314), (315), (321), (322), (324) e (325), e este eixo é acoplado ao eixo mecânico principal (33), do motor principal (31), da unidade de ciclo Otto por meio de uma caixa de engrenagens de transmissão (34).
11) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina (315) conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor (314).
12) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por uma unidade de controle (312), tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina (315) às câmaras de combustão do motor Otto via misturador (39).
13) MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOBÁRICOADIABÁTICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser constituído por um rotor de compressor (314)conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de pressurizar ar do ambiente aspirado via filtro (313), e pressurizando às câmaras de combustão do motor Otto(31), via resfriador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312), para as câmaras de combustão do motor Otto(31), através do distribuidor (32).

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14) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, para efetuar o clico combinado dos motores das reivindicações 1 a 13, caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Otto e outro binário-isobáricoadiabáticoque, na união deles, formam o ciclo combinado, onde o primeiro ciclo, o ciclo Otto, com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento, a introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, tornando-o, em síntese, adiabático e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), pode ganhar características isobáricas sendo descritas da seguinte forma, a energia de entrada no sistema pela combustão (42), executa um processo de aquecimento e compressão isocórica (3-4), na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5’), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador (319) gerando o segmento isobárico (5’-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser adiabático, ou variável entre adiabático e isobárico, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315), em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Otto, a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5’-5) indicado por (43), a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo (5-2) indicado por (44), o ciclo binário (45) é acoplado, integrado ao ciclo Otto(41), de forma que o processo de descarte de energia (5’-5) do ciclo Otto, é a energia de entrada do ciclo binário, e este forma o processo isobárico de expansão (a-b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente, partindo do ponto (b) do ciclo binário ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b-c’) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos ocorrem dois processos isobáricos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário ocorre um processo de

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6/9 compressão isobárico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c’) ocorre um processo de compressão isobárico (c’-d’) da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isobáricos de compressão ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d’-a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizando o ciclo binário (45), portanto, em condições ideais, sem perdas, a energia (42) entra por combustão no ciclo Otto(41), parte da energia descartada, (44), alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, (315), outra parte da energia descartada do ciclo Otto(43), alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46).
15) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Otto e outro binário-isobárico-adiabático e com a união deles formam o ciclo combinado, onde o primeiro ciclo, o ciclo Otto, com a integração de elementos mecânicos, rotores de turbinas e trocadores de calor, os processos se modificam de forma que o processo isocórico ganha características adiabáticas (5-2) e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), obtém características isobáricas (5’-5).
16) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia de entrada no sistema pela combustão, (42), executa um processo de aquecimento e compressão isocórica (3-4).
17) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14,

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7/9 caracterizado por um processo onde após o aquecimento e compressão isocórico (3-4), ocorre uma expansão adiabática (4-5’), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador (319) gerando o segmento isobárico (5’-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou adiabático, ou variável assumindo propriedades intermediárias.
18) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática, isotérmica ou isobárica (5’-5), a expansão prossegue, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315).
19) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática (5-2) junto ao rotor de turbina (315), ainda dentro do ciclo Otto, ocorre outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Otto.
20) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5’-5) do ciclo Ottoindicado por (43).
21) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo adiabático (5-2) indicado por (44).
22) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14,

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8/9 caracterizado por um processo tal que o ciclo binário (45) é acoplado, integrado ao ciclo Otto(41), de forma que o processo de descarte de energia (5’-5) do ciclo Otto, é a energia de entrada do ciclo binário(45), e forma o processo isobárico de expansão (a-b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente.
23) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão isobárica (a-b), partindo do ponto (b) do ciclo binário, ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b-c’) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos.
24) “PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após os processos (b-c) e (b-c’), ocorrem dois processos isobáricos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário, ocorre um processo de compressão isobárico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c’), ocorre um processo de compressão isobárico (c’-d’) da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isobáricos de compressão.
25) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após os processos (c-d) e (c’-d’), ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário, ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d’-a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizando o ciclo binário (45).

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26) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo que em condições ideais, sem perdas, a energia (42) entra por combustão no ciclo Otto(41), parte da energia descartada, (44), alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, (315), outra parte da energia(43), descartada do ciclo Otto(41), alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46).

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