BR102018004165A2

BR102018004165A2 - Motor térmico de combustão externa com ciclo modulado composto por um processo isocórico, dois processos isotérmicos e um processo adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor térmico

Info

Publication number: BR102018004165A2
Application number: BR102018004165-7A
Authority: BR
Inventors: Marno Iockheck
Original assignee: Jd Administração E Participações Ltda
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2019-09-17

Abstract

motor térmico de combustão externa com ciclo modulado composto por um processo isocórico, dois processos isotérmicos e um processo adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor térmico. refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão externa ou para aproveitamento da energia contida nos gases quentes da exaustão de combustão de qualquer outro processo ou ainda para o aproveitamento da energia contida em fluidos quentes como fontes geotermais, e seu ciclo termodinâmico modulado por meio de um servomecanismo com quatro processos fundamentado no sistema termodinâmico fechado, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por um único sistema termodinâmico em que opera um ciclo termodinâmico de quatro processos modulados, sendo um processo de aquecimento isocórico, um processo de aquecimento isotérmico, um processo de expansão adiabático e um processo de compressão e resfriamento isotérmico, com gás em circuito fechado.

Description

MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO COMPOSTO POR UM PROCESSO ISOCÓRICO, DOIS PROCESSOS ISOTÉRMICOS E UM PROCESSO ADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO [0001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão externa ou para aproveitamento da energia contida nos gases quentes da exaustão de combustão de qualquer outro processo ou ainda para o aproveitamento da energia contida em fluidos quentes como fontes geotermais, e seu ciclo termodinâmico modulado por meio de um servomecanismo com quatro processos fundamentado no sistema termodinâmico fechado, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por um único sistema termodinâmico em que opera um ciclo termodinâmico de quatro processos modulados, sendo um processo de aquecimento isocórico, um processo de aquecimento isotérmico, um processo de expansão adiabático e um processo de compressão e resfriamento isotérmico, com gás em circuito fechado.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [0002] 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

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2/47 das leis da termodinâmica e fundamentam a maioria dos ciclos motores conhecidos até o presente.

[0003] 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.

[0004] 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. A matéria que entra nestes sistemas está assim definida: combustíveis e oxigênio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. A matéria que sai destes sistemas está assim definida: exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos; ao passo que a energia que sai destes sistemas está assim definida: energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.

[0005] 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

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3/47 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. A energia que sai deste sistema é a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorre no sistema aberto.

[0006] 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.

ESTADO ATUAL DA TÉCNICA [0007] 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, o ciclo teórico ideal de Carnot e o ciclo Brayton o qual também pertence aos sistemas ou aberto ou fechado, porém diferente dos demais, seus quatro processos ocorrem todos simultaneamente.

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4/47 [0008] 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)

U = 2ÃL Joule (a) [0009] 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 o “gama” (γ) representa o coeficiente de expansão adiabática.

[0010] 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.

[0011] O atual estado da técnica que caracteriza todos os motores até o ano de 2010 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,

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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.

[0012] O atual estado da técnica, até o ano de 2010, compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para levá-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 convencionais, 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.

[0013] O atual estado da técnica, até o ano de 2010, 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

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6/47 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, o Stirling ou o Ericsson, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto à fonte, porém são exigentes quanto à combinação dos parâmetros de projeto.

[0014] O atual estado da técnica, até o ano de 2010, 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.

[0015] O estado atual da técnica, até o ano de 2010, 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 temperaturas 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).

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7/47 [0016] 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”.

[0017] Quanto ao “Teorema de Carnot”, um motor com parâmetros volumétricos na isotérmica de alta de (V1) e (V2) e parâmetros volumétricos na isotérmica de baixa de (V3) e (V4), quando a análise é feita sob aspecto de energia, passa a ter uma conotação paradoxal, pois a expressão (b) define a eficiência máxima que uma máquina térmica pode ter, e esta afirmação já possui quase 200 anos sem contestação. Porém ao se analisar a origem da afirmação, leva-se em conta a energia que a referida máquina consegue processar e não a real energia disponível na fonte. Pois bem, para a definição da eficiência o “Teorema de Carnot” considera que a energia para determinação da sua eficiência é aquela que o motor processa e não a energia disponível, portanto é paradoxal quando se afirma que a eficiência máxima que um motor pode ter seja a definida pelo “Teorema de Carnot” e pela expressão (b). A série de expressões (c), (d), (e) e (f) demonstram como a teoria vem afirmando equivocadamente a máxima eficiência de um motor por tantos anos. De imediato observa-se que a expressão (c) defendida como energia disponível, não é de fato a energia disponível e sim a energia de entrada no motor, a expressão (c) somente podería ser considerada a energia total disponível se for considerada uma fonte pura de energia, mas se a energia estiver contida em uma massa de matéria, gases de uma combustão, por exemplo, esta afirmação não é verdadeira, porém são as grandes massas de gases quentes que de fato movem o mundo e portanto a afirmação baseada no

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8/47 “Teorema de Carnot” não se presta para este mundo ou são muito limitadas a condições muito específicas. No mundo, atualmente, a maioria das fontes térmicas de energia para movimentar máquinas vem de uma combustão e os motores existentes, e inclusive o motor teórico de Carnot são caracterizados por aproveitar apenas uma fração da parte mais quente da energia e é esta a fração que o Teorema de Carnot usa para chegar à expressão (b) da qual vem se afirmando ser a eficiência máxima.

Ç_if[ = =η.β.Τ/.1ηφ n— '¹ -	(c) (d) ¢6)
y λ

1=1-^ (0 [0018] A expressão (g) demonstra qual é a real energia disponível na maioria das fontes térmicas em (Watt), ou (Joule/segundo). O parâmetro (FL) é o fluxo do gás da combustão em (kg/s), (cp) é o calor específico a pressão constante do gás da combustão, (Tm) e (Tf) são as temperaturas em Kelvin.

= (g) [0019] Porém, transformando ambos para (Joule/segundo), ( Qdisp>Win ), portanto existe contida na expressão (g) uma significativa quantidade de

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9/47 energia desconsiderada pela literatura quando ela define a eficiência máxima dos motores térmicos e esta fração significativa é demonstrada pela expressão (h).

(h) [0020] Desta forma, olhando pelo prisma da energia, a expressão (f) não é verdadeira, ou na melhor das hipóteses, não é completa.

[0021] O estado atual da técnica, até o ano de 2010, 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, este referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado. As últimas novidades do estado atual da técnica vêm 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.

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10/47 [0022] O estado atual da técnica, até o ano de 2010, 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, carvão, 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), porém o Teorema de Carnot não vem considerando que a maioria das fontes térmicas são constituídas de energia vinculada geralmente a gases e a segunda lei da termodinâmica precisa ser cumprida, mas os processos que caracterizam os ciclos termodinâmicos permitem a utilização de toda a energia dos gases quentes e não uma fração das mesmas, embora evidentemente, apenas uma parcela desta energia pode ser convertida em trabalho útil e a eficiência jamais poderá chegar a 100%.

[0023] 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

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11/47 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.

[0024] Os demais motores, de ciclo Stirling e Ericsson convencionais, 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 e a energia nestes motores, entram por apenas um dos processos termodinâmicos caracterizando uma densidade de potência por peso relativamente limitada. Portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.

[0025] 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, e ainda se for considerada que a energia seja proveniente de uma fonte pura cuja energia não esteja associada à uma massa, por este motivo é a

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12/47 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.

[0026] 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.

[0027] 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.

[0028] 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

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13/47 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. Assim pode ser descrito o estado da técnica até o ano de 2010.

[0029] Em 2011, surgiu um novo conceito de sistema termodinâmico. O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos do sistema híbrido, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado na maioria deles 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/BR2014/000381” registrada nos Estados Unidos da América definida como “Máquina térmica diferencial com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle” é constituída por dois subsistemas que operam um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção não apenas quanto aos processos

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14/47 termodinâmicos que formam seus ciclos, mas também quanto ao sistema termodinâmico no qual é fundamentado, o sistema termodinâmico que caracteriza o motor e cada ciclo oferece ao motor características próprias que diferem uns dos outros. 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, ambos de combustão interna, são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto, 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 processo 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 caso os motores sejam constituídos por dois subsistemas de conversão de energia, formados por processos onde sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias as quais caracterizarão cada um dos

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15/47 ciclos-motores. Mas o que fundamenta a presente invenção é o clássico sistema termodinâmico fechado.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [0030] 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 levá-los à operação (um motor de partida).

[0031] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém o maior objetivo é desenvolver novos ciclos-motores que permita o desenvolvimento de motores sustentáveis e de forma que a eficiência dos motores seja uma função da energia disponível da fonte e não mais da energia de entrada do motor e portanto fazer com que as fontes de energia possam ser diversificadas e que permitam projetos de motores para ambientes inclusive sem ar (oxigênio). O conceito de sistema fechado, característica própria que fundamenta esta invenção, também oferece

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16/47 boas condições para o aproveitamento da energia provinda de combustão ou de gases ou fluidos quentes, a eficiência de qualquer máquina térmica apresentada pelas literaturas atuais, apresentam eficiências equacionadas a partir da energia específica de entrada no respectivo motor e não se atém à energia real disponível pelas fontes.

[0032] Como o conceito de motor atual que está sendo apresentado possui duas entradas de energia, uma das entradas permite o fluxo da energia mais nobre da fonte, isto é, a energia canalizada através do trocador isotérmico de temperatura mais elevada, e por uma segunda entrada onde os demais ciclos termodinâmicos conhecidos não utilizam, esta entrada compreende um processo isocórico por onde o fluxo da energia tem origem na parte menos nobre da energia dos gases quentes, elevando a temperatura do gás do motor até o nível do processo isotérmico. Desta forma, a eficiência do motor fundamentado no sistema fechado composto por um processo de entrada de energia isocórico, outro processo de entrada de energia isotérmico, um processo de expansão adiabático de energia útil, isto é, não regenerativo e um processo de resfriamento e compressão isotérmico é demonstrada conforme apresentado na equação (i) e figura 8, que demonstra o gráfico da pressão e volume do ciclo, com um detalhe mito importante, este ciclo motor é modulado e esta modulação controla basicamente a relação ente os processos isocórico e isotérmico permitindo que o motor opere, teoricamente, sempre absorvendo toda a energia disponível na fonte, algo não possível quando o ciclo for

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17/47 constituído por parâmetros fixos e também não é possível em nenhum dos ciclos motores conhecidos.

[0033] Na equação (i), (q) é o rendimento, (Tq) é a temperatura final de aquecimento do processo isocórico e é a temperatura do processo isotérmico de alta temperatura, (Tf) é a temperatura inicial do processo isocórico de aquecimento e é a temperatura do processo isotérmico de resfriamento, baixa temperatura, todas as temperaturas em “Kelvin”, (n) é o número de mol do sistema termodinâmico do motor e é constante em todos os processos que formam o ciclo, os parâmetros (V1) e (V3) correspondem ao volume mínimo e máximo respectivamente de deslocamento dos pistões no interior do cilindro e (Vx) é variável, é um parâmetro de controle que permite estabelecer uma relação entre os processos isocórico de aquecimento e isotérmico de aquecimento de forma a permitir ao motor processar toda a energia disponível da fonte. A expressão (i) para uma fonte a combustão, é completa e demonstra uma eficiência significativamente maior que a eficiência do ciclo Carnot se ambos os ciclos motores estiverem sujeitos a iguais condições alimentados por uma fonte à combustão.

[0034] A dependência de altas temperaturas da maioria dos motores do atual estado da técnica leva também à dependência de combustíveis com alto poder

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18/47 calorífico, dificultando o uso de fontes limpas, as quais normalmente oferecem energia com menor temperatura.

[0035] 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, mostrados na 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.

[0036] Por outro lado, dentro do conceito de sistema termodinâmico fechado ainda existe a possibilidade da formação de um ciclo assimétrico, de forma que seja possível a construção de um novo motor com propriedades que se aproximam das propriedades de um motor fundamentado no sistema termodinâmico híbrido, e propõe-se então um novo ciclo termodinâmico para motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado composto por um processo isocórico de aquecimento o qual utiliza a parte mais fria dos gases quentes de uma exaustão de uma fonte por combustão, um processo isotérmico também de aquecimento o qual utiliza a parte mais quente dos gases, um processo adiabático de expansão de trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e resfriamento porém com o seu ciclo modulado, mais especificamente um controle de relação entre o processo isocórico e

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19/47 isotérmico de forma a permitir que o motor possa processar toda a energia disponível pela fonte e este controle ocorre no parâmetro (Vx), e assim teremos um novo motor térmico capaz de processar toda a energia realmente disponível em uma fonte a combustão, ou energia provinda de gases ou outra massa quente.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0037] O motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado formado por um processo isocórico de aquecimento, um processo isotérmico de expansão e aquecimento, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e resfriamento e um sistema de controle, ou processo de controle por modulação é caracterizado por ser formado por um único sistema com massa de gás constante em todos os seus processos, representado na figura 1 indicado por 11 e seu ciclo representado genericamente em 12 na figura 2 o qual executa um processo por vez conforme indicado no detalhe por 13 na figura 2. Seu único sistema termodinâmico executa um ciclo referenciado ao ambiente externo e sempre um processo por vez sequencialmente.

[0038] O conceito de sistema termodinâmico fechado é antigo, do início do século XIX, é caracterizado por um único sistema de conversão de energia e por ser fechado há apenas troca de energia entre o ciclo termodinâmico e o ambiente externo, não há troca ou passagem de matéria.

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20/47 [0039] A presente invenção traz 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: maior flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, não necessita de atmosfera para que este motor térmico possa operar, este não apresenta tanta flexibilidade quanto os motores diferenciais quanto às temperaturas, porém em função da variabilidade de parte de seus parâmetros, ele apresenta mais flexibilidade que os motores do sistema fechado atuais e possui características construtivas mais simples que os motores fundamentados no sistema híbrido de ciclos binários e diferenciais.

[0040] O presente motor térmico pode ser projetado para funcionar em uma faixa mais extensa de temperatura em se comparado com a maioria dos motores atuais fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive 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 respeitando que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Outra vantagem importante que distingue este motor térmico é a sua controlabilidade, pois como os processos isotérmicos de aquecimento e adiabático podem ser modulados entre si, esta propriedade permite ao motor térmico obter mais eficiência em uma faixa mais larga que os demais motores, especialmente se comparado ao Stirling. Porém

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21/47 se trata de um motor que, assim como os motores Stirling, Ericsson, Otto, Diesel e Brayton, também exige um motor secundário para a partida. Portanto as vantagens constatadas abrangem maior flexibilidade das fontes em se comparando com os motores do sistema aberto ou fechado, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em largas faixas de temperatura e sua propriedade de controle dos processos isotérmicos e adiabáticos.

[0041] Este motor térmico baseado no conceito de sistema fechado poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais de combustão interna e motores de ciclo Stirling e Ericsson de combustão externa, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema termodinâmico no qual é fundamentado, isto é, o sistema é formado por câmaras 1011 mostrado na figura 19 onde ocorrem os processos termodinâmicos, configurando um sistema termodinâmico fechado, a região, volume 1011 que se estende até o topo do pistão 1019 são interligados por um canal, este conjunto forma a câmara onde os processos termodinâmicos ocorrem. O volume 1011 se encontra limitado por um disco 1010 o qual gira e expõe o gás de trabalho aos trocadores de calor 103, 104, 105 e 1066. O gás exposto ao trocador 103 executa seu processo isocórico com o parâmetro (Vx) variável pelo servo acionamento 1020 que por sua vez é controlado pelo sistema de controle 1015, o sistema de controle 1015 utiliza o sinal da posição dinâmica do pistão 1019 no interior do cilindro para controlar o parâmetro (Vx), e o gás quando exposto ao trocador 104 executa seu processo

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22/47 isotérmico e sofre todas as consequências produzidas pela variação do parâmetro (Vx), isto é, o sistema de controle formado pelo servo acionamento 1020, pelo sensor de posição dinâmico 1018 e pelo módulo 1015 gera uma relação entre os processos isocóricos e adiabáticos de modo a permitir que toda a energia da fonte por combustão ou gases quentes sejam processados pelo ciclo do motor, e o gás quando exposto ao elemento 106 região isolada, o gás executa o processo adiabático de expansão e quando exposto ao trocador 105 executa seu processo isotérmico de compressão e resfriamento. A figura 19 apresenta uma versão de motor térmico com processos termodinâmicos variáveis e controlados por meio de um sistema servo controlado formado pelos elementos 1015, 1018 e 1020. O volume sobre o pistão 1019 compreende a câmara de expansão e compressão do gás de trabalho e faz parte do elemento de força motriz 1022 formando então um sistema termodinâmico fechado o qual executa um ciclo de quatro processos mostrados na figura 8, sendo um processo isocórico de aquecimento (a-b) modulado, um processo isotérmico também de aquecimento (b-c) modulado, um processo de expansão adiabático (c-d) e um processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a). 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 e Ericsson e Brayton do sistema fechado. O gás de trabalho depende do projeto,

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23/47 de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser vários, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo, os seguintes gases podem ser sugeridos: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.

[0042] A câmara de conversão e seus elementos de troca de calor e isolação, itens que caracterizam este motor térmico, poderão ser construídos com diversos materiais, dependendo das temperaturas de projeto, do gás de trabalho utilizado, das pressões envolvidas, do ambiente e condições de operação. Esta câmara possui quatro segmentos e estes devem ser projetados observando a exigência de isolamento térmico entre si para minimizar o fluxo direto de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Esta câmara possui internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre os segmentos de troca de calor, estes elementos podem ser de diversas formas geométricas, depende da exigência e dos parâmetros do projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de discos como o elemento indicado por 1010 da figura 19, em forma cilíndrica ou outra que permita a movimentação do gás de trabalho de forma controlada entre cada segmento que proporciona os processos termodinâmicos.

[0043] O elemento de força motriz 1022 da figura 19 é o responsável por executar o trabalho mecânico e disponibilizá-lo externamente. 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, como o indicado na figura 19, em forma de

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24/47 diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.

[0044] O servo acionamento 1020 da figura 19 pode ser implementado com um servo motor elétrico semelhante aos usados em braços de robôs ou em sistema de transporte e posicionamento, estes motores são próprios para controle de rotação e posição angular de forma dinâmica e poderão ser utilizados para fazer o controle do parâmetro (Vx), uma vez que os parâmetros (V1) e (V3) são próprios das dimensões físicas do cilindro do motor e do curso dos pistões no interior dos cilindros.

[0045] O sensor de posição angular e de rotação 1018 pode ser implementado por meio de um encoder, elemento que fornece dinamicamente a posição e a rotação de um eixo e que também é utilizado em braços de robôs e sistemas de controle de rotação e posição de eixos.

[0046] A unidade de controle 1015 pode ser implementada por uma CPU e circuitos eletrônicos periféricos, isto é, um computador, de modo a disponibilizar canais de entradas e saídas analógicos e digitais e um programa de computador com a rotina de controle dos processos do motor.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0047] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema termodinâmico fechado e sistema termodinâmico híbrido, sendo representadas conforme segue abaixo:

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25/47 • A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado, o conceito básico de ambos é idêntico;

• 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 binários e diferenciais fundamentados no sistema híbrido;

• A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido e um ciclo termodinâmico binário ou diferencial e o detalhe dos dois processos termodinâmicos que ocorrem simultaneamente;

• A figura 7 mostra um dos possíveis modelos para a obtenção da energia por meio de trocadores de calor a partir de uma fonte por combustão;

• A figura 8 mostra o ciclo termodinâmico do motor térmico proposto fundamentado no sistema termodinâmico fechado, mostrando as duas entradas de energia, uma pelo processo isocórico 41 e outra pelo processo isotérmico 42 e o processo de resfriamento 43 o qual ocorre por meio de um processo isotérmico de compressão e o detalhe do parâmetro variável (Vx) do gráfico indicando a modulação que este ciclo possui;

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26/47 • A figura 9 mostra um modelo mecânico que representa um motor térmico de combustão externa, com os trocadores da câmara capaz de realizar os quatro processos termodinâmicos, isocórico de aquecimento, isotérmico também de aquecimento, adiabático de expansão e trabalho útil e isotérmico de compressão e resfriamento conforme o ciclo mostrado na figura 8;

• A figura 10 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo isocórico de aquecimento e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 11 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo isocórico de aquecimento e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 12 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo isotérmico de expansão e aquecimento e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 13 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo isotérmico de expansão e aquecimento no parâmetro (Vx) e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 14 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo adiabático de expansão a partir do parâmetro (Vx) e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 15 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo adiabático de expansão e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 16 mostra o modelo mecânico realizando o início do processo isotérmico de resfriamento e compressão e o detalhe no gráfico (PxV);

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27/47 • A figura 17 mostra o modelo mecânico realizando a finalização do processo isotérmico de resfriamento e compressão e o detalhe no gráfico (PxV);

• A figura 18 mostra os gráficos (PxV) do ciclo termodinâmico do motor, indicando em 91 que o parâmetro (Vx) é variável e o efeito que o mesmo produz no ciclo do motor observando a área hachurada, e em 92 mostra o gráfico (PxV) no limite onde o parâmetro (Vx) se encontra na sua posição mínima, isto é (Vx = V1) e neste caso não existe mais o processo isotérmico de aquecimento no ciclo e (Tq = Tm). Esta figura deixa bem clara a diferença existente entre o motor de combustão externa fundamentado no sistema termodinâmico fechado composto por quatro processos, um isocórico de aquecimento, um isotérmico de aquecimento, um adiabático de expansão e um isotérmico de compressão e resfriamento com a presente invenção definida como um motor de combustão externa com ciclo modulado composto por um processo isocórico de aquecimento controlado, um processo isotérmico de aquecimento controlado, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e resfriamento. O primeiro possui seu ciclo termodinâmico fixo, com seus quatro processos fixos e bem definidos os quais devem ser parametrizados em função da fonte, o segundo por sua vez possui os processos que formam o ciclo, variáveis, inclusive sua propriedade de controlabilidade pode formar um ciclo com quatro processos 91 e também um ciclo com três processos

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28/47 termodinâmicos 92, com vantagens expressivas frente ao anterior, especialmente quanto a sua propriedade conceituai de permitir que o motor absorva teoricamente toda a energia disponível por fontes a combustão ou gases quentes automaticamente, isto é se as características da fonte se alteram, as do motor também se alteram e se ajustam para manter o máximo de fluxo de calor para que seja processado pelo motor, propriedade não existente no primeiro caso, desta forma temos um novo conceito de motor, onde o sistema de controle servo acionado e computadorizado define um novo motor como novas propriedades e usos;

• A figura 19 em 102 mostra o modelo mecânico de um motor térmico com processos termodinâmicos variáveis por meio de um sistema servo controlado mostrando os principais elementos com as características que lhe permite executar o ciclo termodinâmico proposto com um processo isocórico de aquecimento controlado, um processo isotérmico também de aquecimento controlado, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e resfriamento e 101 mostra exemplificando como os principais elementos mecânicos do motor podem ser projetados e montados;

• A figura 20 apresenta um diagrama a partir da fonte de energia por combustão, o motor, o ciclo termodinâmico e como o sistema se integra;

• A figura 21 mostra um exemplo de aplicação do motor térmico composto por um ciclo formado por quatro processos, um processo isocórico de

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29/47 aquecimento controlado, um processo isotérmico também de aquecimento controlado, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e descarte da energia não convertida em trabalho formando um sistema combinado, isto é, formando um ciclo combinado com um motor de combustão interna do sistema aberto, indicando especialmente como ocorre a transferência de calor da exaustão no processo isotérmico e como ocorre o aproveitamento do calor da exaustão final, no processo isocórico, demonstrando a vantagem do aproveitamento do calor que este ciclo combinado oferece em comparação com os ciclos combinados tradicionais e que, por analogia, exemplifica também o aproveitamento do calor que este ciclo termodinâmico oferece se aplicado a outros processos a combustão.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO [0048] O motor térmico constituído por um processo isocórico de aquecimento controlado, um processo isotérmico de expansão e aquecimento controlado, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e resfriamento fundamentado no sistema termodinâmico fechado, possui um único sistema termodinâmico assim como os motores Stirling, Ericsson, Rankine, Brayton, Otto Diesel e Carnot, e portanto possui um único sistema de conversão de energia o qual realiza um ciclo termodinâmico que troca calor e trabalho com o meio externo mas não há fluxo de massa entre o sistema termodinâmico e o meio

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3Ό/6Ί externo e seu modelo genérico é representado pela figura 1. A figura 1 mostra que a massa (m) é constante durante todo o ciclo.

[0049] A figura 2 mostra o ciclo termodinâmico genérico para sistemas termodinâmicos abertos e sistemas termodinâmicos fechados, e para este motor térmico os processos ocorrem um por vez de forma sequencial como mostrado no detalhe em 13 da figura 2.

[0050] O motor térmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado constituído por um processo isocórico de aquecimento controlado, um processo isotérmico de expansão e aquecimento controlado, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de compressão e resfriamento é apropriado para operar com fontes térmicas cuja energia seja transportada por fluidos, como por exemplo uma fonte a combustão onde a energia é transportada por gases quentes, pois seu processo isocórico de aquecimento é utilizado para que o motor possa processar a massa mais fria da combustão, este processo é inexistente na maioria dos ciclos termodinâmicos conhecidos. A figura 7 mostra em detalhes como ocorre o fluxo da energia a partir de uma fonte a combustão ou uma fonte proveniente de gases quentes da exaustão de uma combustão. A fonte de energia que alimenta o motor é constituída por dois trocadores, um com isonomia térmica 31 e um com um gradiente térmico 33, este representa a imensa maioria das fontes de energia térmica para os motores térmicos da atualidade. A combustão, queima de um combustível, possui na origem a temperatura máxima da chama representada por (Tm) no trocador com isonomia térmica,

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31/47 uma parte da energia da combustão ficará disponível no elemento 36, o qual compõe a fronteira da energia da fonte com a câmara do motor onde se realiza o processo isotérmico de expansão na temperatura (Tq) e a energia que flui para o interior do motor térmico por este processo é representado por 37. A outra parte da energia da combustão estará disponível no elemento 38 o qual compõe o trocador isocórico, isto é, um trocador com um gradiente térmico 33 o qual disponibiliza a energia em um gradiente de temperatura que se encontra entre (Tq), a mesma temperatura do trocador isotérmico, até (Tf) que é a temperatura do ambiente onde o motor se encontra e esta energia é processada, isto é, contribui para a conversão de energia do motor por meio de um processo isocórico de aquecimento representado por 39, e os gases da combustão, então frios 35 na temperatura (Tf) são descartados ao ambiente pelo canal 34. O canal 32 liga a saída dos gases quentes do trocador isotérmico com o trocador isocórico, porém este canal pode não existir, isto é, os trocadores podem ser construídos de forma integrada, um ligado diretamente ao outro sem perder as suas funções, desde que haja um segmento com isonomia térmica 36 e outro com um gradiente térmico 38.

[0051] Diferente de todos os motores conhecidos, este motor térmico tem a propriedade de utilizar, isto é, processar pelo seu ciclo termodinâmico teoricamente toda a energia de uma fonte a combustão.

[0052] A figura 8 mostra como o ciclo termodinâmico do motor é formado. A figura 8 mostra o gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo (a

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32/47 bc-d-a) que ocorre no único sistema termodinâmico do motor. A energia 39 do trocador de calor 33 da figura 7 fornece a energia 41 que alimenta o processo isocórico (a-b) do ciclo do motor mostrado na figura 8 neste processo o gás interno do motor terá sua temperatura elevada de (Tf) para (Tq), esta é a energia de exaustão de menor temperatura da fonte, a energia 37 do trocador de calor 31 da figura 7 fornece a energia 42 que alimenta o processo isotérmico de expansão (b-c) do ciclo do motor na temperatura constante (Tq), esta é a energia de maior temperatura da fonte formada por uma câmara de combustão ou por um trocador isotérmico conectado no segmento mais quente da descarga de combustão de uma fonte de calor normalmente por combustão, após o processo isotérmico de aquecimento na temperatura constante (Tq) ocorre o processo adiabático de expansão (c-d) e o gás expande e sua temperatura reduz de (Tq) para (Tf), na sequência ocorre o processo isotérmico de resfriamento e compressão (d-a) na temperatura constante (Tf) cuja energia retirada é indicada por 43. O sistema de controle servo acionado controla o parâmetro (Vx), atrasando ou adiantando, ou em outras palavras sujeitando o gás de trabalho por um período maior ou menor ao trocador isotérmico modulando a relação entre os processos isocórico e isotérmico de forma que toda a energia disponível pela fonte seja processada pelo motor, ainda em outras palavras de modo que num mesmo ciclo termodinâmico, o processo isocórico retire toda, nem mais nem menos energia do trocador isocórico e simultaneamente o processo isotérmico do ciclo do motor também retire toda, nem mais e nem

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33/47 menos energia do trocador isotérmico e assim são concluídos os processos do ciclo termodinâmico do motor térmico o qual é mostrado completamente na figura 8.

[0053] A figura 9 mostra o modelo simplificado do motor fundamentado no sistema termodinâmico fechado formado por um único sistema termodinâmico e este motor é formado por um elemento de força motriz 45, um segmento de resfriamento isotérmico 46, um segmento isolado 47, um segmento de aquecimento isotérmico 48, um segmento de aquecimento isocórico 49, sendo que o segmento de resfriamento é constituído por um canal de passagem de fluido de resfriamento 410, sendo que o segmento de aquecimento isotérmico 48 é constituído por uma câmara de combustão e uma entrada de combustível 411, sendo que o segmento de aquecimento isocórico 49 possui um canal de exaustão dos gases da combustão 412, e ainda o motor possui um radiador 413 para resfriamento do segmento de resfriamento isotérmico por meio de um fluido de resfriamento, sendo que o radiador possui uma ventilação forçada por meio de uma ventoinha 414. O sistema de controle não está sendo mostrado neste modelo simplificado, ele estará sendo mostrado na figura 19.

[0054] A figura 18 mostra como o ciclo termodinâmico do motor térmico de combustão externa é modulado. Considerando um mesmo motor com os parâmetros (V1) e (V3) fixos, os gráficos (PxV) 91 e 92 mostram o efeito nos processos do ciclo termodinâmico sob a ação do sistema de controle do servo mecanismo, o parâmetro (Vx) é controlado, pode ser estendido ou

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34/47 sintetizado, quando o parâmetro é estendido, isto ocorre quando a temperatura da fonte por combustão ou gases quentes abaixar, o trabalho de um ciclo é reduzido, pode ser observado no gráfico 91, e quanto o parâmetro (Vx) é sintetizado, isto é, quando o (Vx) se aproxima de (V1), ou (Vx = V1), isto ocorre quando a temperatura da fonte por combustão ou gases quentes se elevar, e neste caso a temperatura (Tq) se aproxima à temperatura (Tm), ou (Tq = Tm) e o trabalho de um ciclo é ampliado e o ciclo se transforma de um ciclo de quatro processos, um isocórico, um adiabático e dois isotérmicos para um ciclo de três processos, um isocórico, um adiabático e um isotérmico. Demonstrando assim o alto nível de flexibilidade deste conceito de motor térmico em relação às fontes de energia. A modulação que se consiste no controle do parâmetro (Vx) é gerada pelo movimento do disco 1011 movimentando o gás de trabalho entre os segmentos que formam o sistema de transformação termodinâmico do motor, e este disco é movimentado pelo servo motor 1020 o qual obedece aos comandos do sistema de controle computadorizado 1018 o qual monitora dinamicamente a posição do eixo 1016 que é ligado ao elemento de força motriz 1022. Deve observar que o eixo do elemento de força motriz não atua sobre o eixo dos discos diretamente, este processo é feito de forma controlada através do servo sistema.

[0055] A figura 19 mostra em detalhes o motor fundamentado no sistema termodinâmico fechado constituído por um único sistema termodinâmico, em 102 é mostrado o modelo representativo e em 101 o modelo construtivo com

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35/47 seus principais elementos, de forma que o motor é constituído por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de aquecimento isocórico 103, um segmento que forma o trocador de calor para o processo de expansão e aquecimento isotérmico 104, um segmento que forma o trocador de calor para o processo isotérmico de compressão e resfriamento 105, um segmento isolado termicamente para o processo de expansão adiabático 106, um motor de partida 107, um canal para a exaustão dos gases da combustão 108, uma câmara de combustão 109, um disco de transporte de gás, ou conjunto de discos o qual contém o volume de gás para os processos termodinâmicos 1010 com a indicação do volume vazado onde o gás é alojado 1011, dutos para circulação do fluido de resfriamento 1012 do segmento isotérmico de compressão e resfriamento 105, um canal para a entrada de combustível 1013, corpo hermético que aloja todos os elementos do motor 1014, servo mecanismo para o controle, modulação dos processos que formam o ciclo termodinâmico 1020, módulo computadorizado para o controle dos processos que formam o ciclo termodinâmico 1015, módulo sensor de rotação e posição angular dinâmico ou encoder 1018, eixo ou virabrequim do motor 1016, eixo dos discos 1017 conectado ao servo mecanismo 1020 utilizado para promover os processos que formam o ciclo termodinâmico modulado indicado por 1021, pistão e cilindro do elemento de força motriz 1019, elemento de força motriz 1022, radiador 1023 para resfriamento do segmento do processo isotérmico de compressão e uma ventoinha 1024 para o radiador.

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36/47 [0056] O motor térmico funciona por meio de um fluxo de energia, calor, provido da fonte a combustão ou gases ou fluidos quentes da seguinte forma, o gás de trabalho se mantém permanentemente no interior da câmara que é formada pelo volume 1011 do disco, ou conjunto de discos 1010 e este volume possui ligação direta, isto é, interconectado ao volume no interior do cilindro do elemento de força motriz 1022, mais especificamente sobre o pistão 1019, quatro segmentos formam o sistema que gera o ciclo termodinâmico, o trocador de calor isocórico com gradiente térmico 103, o trocador de calor isotérmico quente 104, um segmento isolado termicamente 106 e um trocador de calor isotérmico frio 105. Um motor de partida 107 deve ser acionado, o gás através do disco 1010 passa pelo trocador isocórico 103 elevando a temperatura e pressão do gás, o gás ganha energia e o processo isocórico (ab) ocorre, na sequência o disco 1010 conduz o gás para o trocador isotérmico 104 na temperatura quente (Tq), porém controlando o parâmetro (Vx) com o servo mecanismo de modo que o motor possa extrair toda a energia da fonte a combustão ou gases quentes, e o pistão avança girando o virabrequim 1016 e o processo isotérmico (b-c) ocorre, na sequência o disco 1010 conduz o gás para a região isolada formada pelo segmento 106 onde o gás executa uma expansão adiabática e o pistão continua a se movimentar girando o virabrequim 1016 e o processo de expansão adiabático (c-d) ocorre, neste instante há energia cinética no eixo do motor, virabrequim 1016, e esta energia cinética executa a compressão isotérmica, o disco 1010 estará mantendo o gás de trabalho

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37/47 sujeito ao trocador de calor isotérmico 105 de temperatura fria (Tf) e o processo isotérmico (d-a) ocorre, e assim o motor térmico opera e o motor de partida poderá ser desconectado dos eixos de força e o fluxo de calor provindo da fonte a combustão é introduzido no motor por dois processos, um isocórico e outro isotérmico modulados, isto é, controlado pelo servomecanismo, o motor executa a conversão da energia térmica em trabalho útil e parte da energia não convertida é liberada ao meio externo mais frio através do processo isotérmico de compressão (d-a).

[0057] As figuras 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 e 17 mostram como ocorrem mecanicamente os quatro processos que formam o ciclo termodinâmico do motor térmico, um processo isocórico de aquecimento (a-b) controlado, um processo de expansão isotérmico também de aquecimento (b-c) controlado, um processo adiabático de expansão e trabalho útil (c-d) e um processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a).

[0058] Para entender os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor térmico é necessário observar as figuras 18 e 19 simultaneamente às figura 10 a 17.

[0059] Na figura 10, no início do processo isocórico de aquecimento do gás de trabalho do motor térmico, o gás se encontra passando pelo trocador isocórico, o volume 1011 do disco 1010 do modelo de motor da figura 19 se encontra passando pelo trocador isocórico 103, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (V1) no interior de seu cilindro, o gás recebe calor da fonte de energia, especificamente do trocador isocórico e

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38/47 sua temperatura sobe de (Tf) para (Tq). Um canal 51 comunica o gás sob a ação do trocador isocórico com a câmara do elemento de força motriz. A figura 11 mostra o final do processo isocórico de aquecimento. Os detalhes 52 e 53 mostram respectivamente o início e o final do processo isocórico (a-

b). A temperatura no ponto (a) é a temperatura fria (Tf) e a temperatura no ponto (b) é a temperatura quente (Tq).

[0060] Na figura 12, no início do processo isotérmico de expansão e aquecimento o gás de trabalho do motor térmico se encontra totalmente exposto ao trocador isotérmico quente, o volume 1011 do disco 1010 do modelo de motor da figura 19 se encontra inteiramente em frente ao trocador isotérmico 104, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (V1) no interior de seu cilindro, o gás recebe calor da fonte de energia e sua temperatura se mantém constante em (Tq). Um canal 61 comunica o gás sob a ação do trocador isotérmico com a câmara do elemento de força motriz. A figura 13 mostra o final do processo isotérmico de expansão e aquecimento com o pistão posicionado no volume (Vx). Os detalhes 62 e 63 mostram respectivamente o início e o final do processo isotérmico de expansão e aquecimento (b-c). A temperatura no ponto (b) é a temperatura quente (Tq) e a temperatura no ponto (c) também é a temperatura quente (Tq). Enquanto o pistão 1019 se movimenta o servomecanismo monitora o parâmetro (Vx) pelo sinal do sensor 1018 e mantém o gás sob a ação do trocador isotérmico em uma faixa variável onde (V1< Vx < V3) que

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39/47 graficamente é mostrado em 91 e 92 na figura 18 e pode ser observado que o ciclo poderá operar com quatro ou três processos no mesmo motor.

[0061] Na figura 14, no início do processo adiabático de expansão e trabalho útil do gás de trabalho do motor térmico, o gás se encontra totalmente exposto ao segmento isolado termicamente, o volume 1011 do disco 1010 do modelo de motor da figura 19 se encontra inteiramente em frente ao segmento isolado 106, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (Vx) no interior de seu cilindro com o gás na temperatura quente (Tq), o gás não troca calor com o meio externo e sua temperatura esfria enquanto o gás expande transferindo energia para o eixo do motor. Um canal 71 comunica o gás sob a ação do segmento isolado 106 com a câmara do elemento de força motriz. A figura 15 mostra o final do processo adiabático de expansão então com o gás na temperatura (Tf) e o pistão posicionado no volume (V3). Os detalhes 72 e 73 mostram respectivamente o início e o final do processo adiabático de expansão (c-d). A temperatura no ponto (c) é a temperatura quente (Tq) e a temperatura no ponto (d) é a temperatura fria (Tf).

[0062] Na figura 16, no início do processo isotérmico de compressão e resfriamento do gás de trabalho do motor térmico, o gás se encontra totalmente exposto ao trocador isotérmico frio, o volume 1011 do disco 1010 do modelo de motor da figura 19 se encontra inteiramente em frente ao trocador isotérmico de resfriamento 105, o pistão se encontra inicialmente posicionado no volume (V3) no interior de seu cilindro, o gás cede calor e

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40/47 sua temperatura se mantém constante em (Tf). Um canal 81 comunica o gás sob a ação do trocador isotérmico com a câmara do elemento de força motriz. A figura 17 mostra o final do processo isotérmico de compressão e resfriamento com o pistão posicionado no volume (V1). Os detalhes 82 e 83 mostram respectivamente o início e o final do processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a). A temperatura no ponto (d) é a temperatura fria (Tf) e a temperatura no ponto (a) também é a temperatura fria (Tf) finalizando o ciclo termodinâmico do motor térmico fundamentado no sistema fechado.

[0063] A tabela 1 mostra processo por processo que forma o ciclo de quatro processos do motor térmico de combustão externa mostrado passo a passo, com um processo isocórico de aquecimento controlado, um processo isotérmico também de aquecimento controlado, um processo de expansão adiabático de trabalho útil e um processo de compressão e resfriamento isotérmico.

Tabela 1

Passo	Processo	Descrição
1	a-b	Isocórico de aquecimento, processo modulado - (Entra energia da fonte térmica)
2	b-c	Isotérmico de expansão e aquecimento, processo modulado (Entrada energia da fonte térmica)
3	c-d	Adiabático de expansão - (Trabalho útil não regenerativo)
4	d-a	Isotérmico compressão e resfriamento - (Rejeito de energia)

[0064] Portanto, conforme exposto na tabela 1, o ciclo termodinâmico executado em quatro passos é composto por um processo isocórico de aquecimento modulado, um processo isotérmico também de aquecimento modulado, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico

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41/47 de resfriamento compondo as quatro transformações termodinâmicas, também chamados de processos, que forma o ciclo termodinâmico do motor, sendo um processo ou transformação de aquecimento isocórico (a-b), um processo ou transformação de aquecimento e expansão isotérmica de alta temperatura (bc), um processo ou transformação de expansão adiabática (c-

d), e um processo ou transformação de resfriamento e compressão isotérmica de baixa temperatura (d-a) os quais ocorrem sequencialmente. [0065] Este ciclo fundamentado no sistema termodinâmico fechado cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 8 são equacionados como segue. O processo isocórico de entrada de energia, aquecimento (a-b) são realizados com (n) mol de gás é representado pela expressão (j), um processo isotérmico de entrada de energia e expansão (b-c) com o parâmetro (Vx) controlado pelo servo mecanismo é representado pela expressão (k) com (n) mol de gás, o processos adiabático de expansão (c-d) é realizado com (n) mol de gás, e é representado pela expressão (I), a energia descartada, liberada ao ambiente, ocorre por meio de um processo isotérmico de resfriamento e compressão (d-a) e é representado pela expressão (m). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias.

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42/47 =lV_tí)__cl = n .RT_gJnÇ)(k) =W = W^-aj = « -^7).1(1(^3(m) [0066] O total de energia de entrada no motor é a soma das energias Q(a-b) e Q(b-c), e é representada pela expressão (n) abaixo:

«I -^(4-^) + ^R-^T0!<;)ln) [0067] O total de energia dissipada, descartada para o meio exterior é a energia Q(d-a) e na sua forma positiva, é representada pela expressão (o) abaixo.

ρ_β=η.Λ.Τ_ρ1π(^)(g) [0068] O trabalho útil total do motor de combustão externa, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (p) abaixo.

WL = + Λ •Ιηφ-η.Β.η.Ιηφ <p) [0069] Um detalhe importante da física que envolve o sistema, o parâmetro (Vx) é uma variável controlada pelo servo mecanismo, porém no momento que este parâmetro variar, o parâmetro (Tq) também irá variar, eles são

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43/47 interdependentes, por exemplo, ao estender o parâmetro (Vx), o ciclo absorverá mais energia no processo isotérmico, a energia 42 da figura 8, considerando a energia disponível na fonte, constante, a temperatura (Tq) irá diminuir, fazendo com que o processo isotérmico aumente a sua energia de entrada, a energia 42 e simultaneamente o processo isocórico diminuir sua energia de entrada 41. Desta forma ocorre o processo de controle da utilização da energia da fonte pelo ciclo modulado deste motor térmico.

[0070] Portanto, demonstra-se assim que neste ciclo-motor, o processo adiabático de expansão realiza trabalho efetivamente, a energia não é regenerada no processo isocórico, o objetivo é o aproveitamento máximo do calor da combustão ou da energia provinda de uma exaustão de um processo de combustão, portanto o processo isocórico é de aquecimento através dos gases de exaustão liberados do processo de combustão que não teria aproveitamento caso o processo adiabático fosse regenerativo como ocorre no ciclo Carnot por exemplo. Desta forma, o ciclo assimétrico formado por um processo isocórico de aquecimento controlado, um processo isotérmico também de aquecimento controlado, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de resfriamento constitui um conceito muito importante e vantajoso para a conversão de energia a partir de fontes por combustão ou por energias provindas de processos de combustão cuja massa de gás quente é desperdiçada pela maioria dos ciclos motores atuais.

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44/47 [0071] A demonstração final teórica da eficiência deste ciclo de quatro processos, um processo isocórico de aquecimento controlado, um processo isotérmico também de aquecimento controlado, um processo adiabático de expansão e um processo isotérmico de resfriamento é dada pelas expressões (q) e (r), caracterizando que este ciclo fundamentado no sistema termodinâmico fechado porém com dois processos de aquecimento oferece melhor eficiência que os ciclos conhecidos sob o ponto de vista de sistema, isto é, observando a energia e não especificamente a eficiência isolada do motor.

^r/^lní^ [0072] O controle da potência do motor ocorre através da alimentação e da modulação do parâmetro (Vx), mais especificamente da modulação do processo de expansão isotérmico. A energia de entrada do motor implica diretamente na potência do mesmo e ocorre através dos processos isotérmico e isocórico e pode ser demonstrado pela equação (s) e (t) e sua unidade é (Watt).

P ⁼ Qüoe + Qfcút ~ Qrisoí ΐ^)

P = F_l. c„. (T, - T_s) + F_£. c,. (T„, - T,) - . n. R. T,. In(^) (t) [0073] Na equação (t) (FL) é o fluxo do gás da combustão em (kg/s), (cp) é o calor específico a pressão constante do gás da combustão, (Tm), (Tq) e (Tf)

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45/47 são as temperaturas em Kelvin, (n) é o número de mol do gás do motor, (RPM) é a rotação do motor, (60) são os sessenta segundos para obter o número de ciclos por segundo do motor e (V1) e (V3) são parâmetros de volume do motor. É importante observar que o ciclo de um motor ocorre em um tempo determinado e este tempo é o período e para determinar a potência, ou energia em (Joule por segundo), isto é (Watt), é necessário multiplicar o trabalho de um ciclo pelo número de ciclos que ocorre em um segundo, ou para obter a potência de um dos processos que forma o ciclo é necessário multiplicar a energia do referido processo pelo número de vezes que ele ocorre por segundo. Portanto se houver aumento na alimentação do motor, (FL) aumentará e a potência do motor aumentará simultaneamente, e assim junto com o controle de modulação pelo servo mecanismo o motor térmico passa a ser controlável com a característica de sempre possibilitar que o ciclo do motor processe toda a energia disponível pela fonte.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕES [0074] Este ciclo-motor assimétrico, baseado no sistema termodinâmico fechado possui particularidades exclusivas, ele é próprio para aplicações cuja fonte de energia opera pela combustão ou pela exaustão de processos de combustão ou por fluidos quentes, aproveitando os gases ou líquidos quentes da exaustão ou de fontes geotérmicas por meio de um processo de aquecimento isocórico controlado e um processo de aquecimento isotérmico também controlado do ciclo termodinâmico.

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46/47 [0075] A primeira aplicação direta do motor é para oferecer força mecânica do tipo estacionária para diversos fins ou para tração mecânica e a fonte de energia seria pela combustão de diversos tipos de combustíveis, com grande flexibilidade de combustíveis em função da combustão ser externa.

[0076] A figura 20 apresenta uma aplicação geral para este motor fundamentado no sistema fechado. Uma fonte por combustão 111 está acoplada a um trocador de calor com isonomia térmica 112, este trocador alimenta o processo termodinâmico isotérmico 117 do ciclo 116 do motor 115, os gases descartados pelo trocador isotérmico passam por um trocador isocórico 113 construído com componentes fragmentados de armazenamento de energia formando um gradiente térmico, como ocorre com os regeneradores dos motores Stirling, e este por sua vez alimenta o processo isocórico 118 do ciclo do motor, um sistema de resfriamento 119 com isonomia térmica em baixa temperatura propicia o processo isotérmico de compressão e descarte de calor 119. Os gases da combustão, então frios, são descartados ao ambiente 114. Esta é uma aplicação típica com boa viabilidade para geração de energia a partir de combustão, gases descartados de processos industriais ou fluidos quentes de fontes termais.

[0077] A figura 21 apresenta outra aplicação útil para o motor fundamentado no sistema termodinâmico fechado composto por processos isocórico e isotérmico de aquecimento modulado, um processo adiabático de expansão e trabalho útil e um processo isotérmico de resfriamento, trata-se de um ciclo assimétrico que oferece melhor aproveitamento do calor de gases quentes e

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47/47 portanto possui propriedades para melhorar a eficiência de motores de combustão interna, formando ciclos combinados com estes. O calor rejeitado pelas exaustões, 1212 e 127 dos motores de combustão interna, indicado por 122, alimentados por combustíveis 128, de ciclo Brayton, ciclo Diesel, ciclo Sabathe, ciclo Otto, ciclo Atkinson, são canalizados para as entradas de energia (calor) do motor de ciclo assimétrico, isocórico, isotérmico, adiabático e isotérmico, onde uma unidade isotérmica 123 fornece calor à temperatura constante, isotérmica e outra unidade trocadora de calor 124 fornece energia (calor) entre as temperaturas finais de descarga, isocórica, próxima à temperatura do ambiente e a temperatura inicial de descarga, próxima à temperatura das isotérmicas, promovendo um fluxo de calor 1212 e 127 respectivamente alimentando os processos isotérmicos e isocóricos do motor térmico 121 e este converte parte desta energia em força mecânica útil 1214 que pode ser integrada à força mecânica do motor de combustão interna 1213 gerando uma força mecânica única 129, ou direcionada a produzir energia elétrica. O descarte da energia dos gases quentes que não tenha entrado nos processos de conversão do motor térmico segue para o meio externo indicado por 1215. 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 dos sistemas com vantagens frente às tecnologias conhecidas, especialmente quando comparadas com ciclos combinados formados com Rankine ou Brayton.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, fundamentado no sistema termodinâmico fechado constituído um único sistema fundamentado no sistema termodinâmico fechado de forma que o motor é caracterizado por ser constituído por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de aquecimento isocórico (103), um segmento que forma o trocador de calor para o processo de expansão e aquecimento isotérmico (104), um segmento que forma o trocador de calor para o processo isotérmico de compressão e resfriamento (105), um segmento isolado termicamente para o processo de expansão adiabático (106), um motor de partida (107), um canal para a exaustão dos gases da combustão (108), uma câmara de combustão (109), um disco de transporte de gás, ou conjunto de discos o qual contém o volume de gás para os processos termodinâmicos (1010) com a indicação do volume vazado onde o gás é alojado (1011), dutos para circulação do fluido de resfriamento (1012) do segmento isotérmico de compressão e resfriamento (105), um canal para a entrada de combustível (1013), corpo hermético que aloja todos os elementos do motor (1014), servo mecanismo para o controle, modulação dos processos que formam o ciclo termodinâmico (1020), um módulo computadorizado para o controle dos processos que formam o ciclo termodinâmico (1015), um módulo sensor de rotação e posição angular dinâmico ou encoder (1018), um eixo ou virabrequim do motor (1016), um eixo dos discos (1017) conectado ao servo mecanismo (1020) utilizado para

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2/7 promover os processos que formam o ciclo termodinâmico modulado (1021), um pistão e cilindro do elemento de força motriz (1019), um elemento de força motriz (1022), radiador (1023) para resfriamento do segmento do processo isotérmico de compressão e uma ventoinha (1024) para o radiador.
2) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um único sistema termodinâmico fundamentado no sistema termodinâmico fechado.
3) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de aquecimento isocórico (103).
4) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO

MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segmento que forma o trocador de calor para o processo de expansão e aquecimento isotérmico (104).
5) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um segmento que forma o trocador de calor para o processo isotérmico de compressão e resfriamento (105).
6) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO

MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um

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segmento isolado termicamente para o processo de expansão adiabático (106).
7) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um motor de partida (107).
8) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO

MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um canal para a exaustão dos gases da combustão (108).
9) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO

MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma câmara de combustão (109).
10) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO 3/6 MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um disco de transporte de gás, ou conjunto de discos (910) o qual contém o volume de gás para os processos termodinâmicos com um volume vazado (911) onde o gás é alojado.
11) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dutos para circulação do fluido de resfriamento (1012) do segmento isotérmico de compressão e resfriamento 105.
12) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um canal para a entrada de combustível (1013).

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13) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por corpo hermético que aloja todos os elementos do motor (1014).
14) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por servo mecanismo para o controle, modulação dos processos que formam o ciclo termodinâmico (1020).
15) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um módulo computadorizado para o controle dos processos que formam o ciclo termodinâmico (1015).
16) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um módulo sensor de rotação e posição angular dinâmico ou encoder (1018).
17) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um eixo ou virabrequim do motor (1016).
18) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um eixo dos discos (1017) conectado ao servo mecanismo (1020) utilizado para promover os processos que formam o ciclo termodinâmico modulado (1021).

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19) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO

MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um pistão e cilindro do elemento de força motriz (1019).
20) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO

MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um elemento de força motriz (1022).
21) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO

MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um radiador (1023) para resfriamento do segmento do processo isotérmico de compressão.
22) MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma ventoinha (1024) para o radiador.
23) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, para o controle do ciclo termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 22, caracterizado por um processo composto por quatro transformações ou chamado também de processos que formam o ciclo termodinâmico modulado do motor térmico, um processo isocórico de aquecimento (a-b) controlado, um processo de expansão isotérmico também de aquecimento (b-c) controlado, um processo adiabático de expansão e trabalho útil (c-d) e um processo isotérmico de compressão e resfriamento (d-a).

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24) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por um processo isocórico de aquecimento do gás de trabalho (a-b) onde o gás recebe calor da fonte de energia pelo trocador isocórico e sua temperatura sobe de (Tf) para (Tq) e a temperatura (Tq) é variável indiretamente em função do parâmetro (Vx) que é controlado pelo servomecanismo (1020).
25) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por um processo isotérmico de expansão e aquecimento do gás de trabalho (b-c) onde o gás recebe calor da fonte de energia pelo trocador isotérmico e ele expande movimentando o pistão do elemento de força motriz mantendo sua temperatura constante em (Tq) até a posição (Vx) que é um parâmetro variável controlado pelo servo mecanismo (1020).
26) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por um processo adiabático de expansão e trabalho útil do gás de trabalho (c-d) onde o gás permanece isolado termicamente e ele expande movimentando o pistão no interior do cilindro baixando a temperatura do gás de (Tq) para (Tf) transferindo a energia do gás ao eixo do motor.

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27) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por um processo isotérmico de compressão e resfriamento do gás de trabalho (d-a) onde o gás cede calor para o sistema de resfriamento, fonte fria, pelo trocador isotérmico frio, e ele comprime através da energia cinética armazenada no eixo, movimentando o pistão do elemento de força motriz reduzindo o volume interno do gás, mas 6/6 mantendo sua temperatura constante em (Tf).
28) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, para o controle do ciclo termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 22, caracterizado por um processo de partida do motor térmico através de um motor de partida auxiliar (107).
29) PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO DE COMBUSTÃO EXTERNA COM CICLO MODULADO, para o controle do ciclo termodinâmico do motor térmico das reivindicações 1 a 22, caracterizado por um processo de modulação do ciclo termodinâmico de forma a controlar o parâmetro (Vx) estabelecendo uma relação de absorção de energia entre os processos isocóricos e isotérmicos do motor de forma a permitir o fluxo de toda a energia da fonte por combustão para o ciclo termodinâmico do motor, finalizando o processo de controle do motor térmico.