BR102018015947A2 - INTEGRATED INTERNAL COMBUSTION ENGINE FORMED BY A MAIN DIESEL CYCLE UNIT AND A PISTON SECONDARY UNIT AND CONTROL PROCESS FOR THE ENGINE THERMODYNAMIC CYCLE - Google Patents
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Abstract
motor de combustão interna integrado formado por uma unidade principal de ciclo diesel e uma unidade secundária a pistões e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão interna de ciclo diesel, integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico, e rejeito de calor por um processo isotérmico de compressão. trata-se de um conceito de um motor de combustão interna de ciclo diesel, integrado, cuja eficiência teórica é de aproximadamente 80%, comparando-se à eficiência teórica de aproximadamente 60% do motor de ciclo diesel convencional.integrated internal combustion engine formed by a main unit of diesel cycle and a unit secondary to pistons and control process for the thermodynamic cycle of the engine refers to the present invention to a thermal engine of internal combustion of diesel cycle, integrated to a unit secondary circuit closed by pistons, forming a mechanically and thermodynamically integrated unit, with energy input by internal combustion in an isobaric process, and heat rejection by an isothermal compression process. it is a concept of an internal combustion engine with a diesel cycle, whose theoretical efficiency is approximately 80%, compared to the theoretical efficiency of approximately 60% of the conventional diesel cycle engine.
Description
MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA INTEGRADO FORMADO POR UMA UNIDADE PRINCIPAL DE CICLO DIESEL E UMA UNIDADE SECUNDÁRIA A PISTÕES E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTORINTEGRATED INTERNAL COMBUSTION ENGINE FORMED BY A MAIN DIESEL CYCLE UNIT AND A PISTON SECONDARY UNIT AND CONTROL PROCESS FOR THE ENGINE THERMODYNAMIC CYCLE
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO [001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel, integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico, e rejeito de calor por um processo isotérmico de compressão. Trata-se de um conceito de um motor de combustão interna de ciclo Diesel, integrado, cuja eficiência teórica é de aproximadamente 80%, comparando-se à eficiência teórica de aproximadamente 60% do motor de ciclo Diesel convencional.TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION [001] The present invention relates to an internal combustion engine with diesel cycle, integrated with a secondary closed circuit piston unit, forming a mechanically and thermodynamically integrated unit, with energy input by internal combustion in an isobaric process, and heat rejection by an isothermal compression process. It is a concept of an internal combustion engine with a diesel cycle, whose theoretical efficiency is approximately 80%, compared to the theoretical efficiency of approximately 60% of the conventional diesel cycle engine.
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.BACKGROUND OF THE INVENTION [002] Classical thermodynamics defines three concepts of thermodynamic systems, the open thermodynamic system, the closed thermodynamic system and the isolated thermodynamic system. These three concepts of thermodynamic systems were conceptualized in the 19th century at the beginning of the creation of the laws of thermodynamics and underpin all the motor cycles known to date.
[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.[003] The isolated thermodynamic system is defined as a system in which neither matter nor energy passes through it. Therefore, this concept of thermodynamic system does not offer properties that allow the development of engines.
[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema[004] The open thermodynamic system is defined as a system
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 6/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 6/51
2/20 termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistemas termodinâmicos aberto, os motores de combustão interna de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigênio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. As matérias que saem destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases e resíduos, as energias que saem destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.2/20 thermodynamic in which energy and matter can enter and exit this system. Examples of open thermodynamic systems are the internal combustion engines of the Otto cycle, of the Atkinson cycle, similar to the Otto cycle, of the Diesel cycle, of the Sabathe cycle, similar to the Diesel cycle, of the Brayton cycle of internal combustion. The materials that enter these systems are fuels and oxygen or working fluid or working gas. The energy that enters these systems is heat. The materials that come out of these systems are the combustion or working fluid exhaustion, gases and waste, the energies that come out of these systems are the mechanical work energy and part of the dissipated heat.
[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 ocorre no sistema aberto.[005] The closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and exit this system. Examples of closed thermodynamic systems are external combustion engines such as the Stirling cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat or external combustion cycle, Carnot cycle. The energy that enters this system is heat. The energies that come out of this system are the mechanical energy of work and part of the dissipated heat, but no matter comes out of these systems, as occurs in the open system.
[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.[006] Both systems, open and closed, the entire mass of the working gas is exposed to incoming energy, heat or combustion and all of it is also exposed to cooling or cooling, that is, the mass of the working gas is constant in their processes and the difference between them is that in the open system the mass of working gas passes through the system, and in the closed system the mass remains in the system.
O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA [007] Os motores conhecidos atualmente são basicamente os motores de ciclo Rankine o mais antigo, ciclo Stirling, ciclo Otto, ciclo Brayton e ciclo Diesel.THE CURRENT STATE OF THE TECHNIQUE [007] The engines currently known are basically the oldest Rankine cycle engines, Stirling cycle, Otto cycle, Brayton cycle and Diesel cycle.
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Existem outros, mas são basicamente versões destes. Foram inventados a maioria deles no século XIX e a partir do seu invento vem sendo aprimorados. No século XX surgiram alguns ciclos combinados. Os motores de ciclo combinado conhecidos até o presente foram inventados e projetados unindo-se no mesmo sistema dois conceitos de motores idealizados no século XIX, fundamentados em sistemas termodinâmicos abertos, ou sistemas termodinâmicos fechados, os mais conhecidos são os ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo Rankine e o ciclo combinado de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo Rankine ou Rankine Orgânico e já ocorrem ciclos combinados do ciclo Otto com o Rankine Orgânico.There are others, but they are basically versions of these. Most of them were invented in the 19th century and since their invention they have been improved. In the 20th century, some combined cycles emerged. The combined cycle engines known to date have been invented and designed by joining two engine concepts idealized in the 19th century, based on open thermodynamic systems, or closed thermodynamic systems, the best known being the combined cycles of an engine. Brayton cycle with a Rankine cycle engine and the combined cycle of a Diesel cycle engine with a Rankine or Organic Rankine cycle engine and combined Otto cycle and Organic Rankine cycles already occur.
[008] O conceito básico de um ciclo combinado é um sistema composto por um motor operante por meio de uma fonte de temperatura alta, de forma que o rejeito de calor deste motor é a energia que move um segundo motor que requeira uma temperatura mais baixa de operação, ambos formando um sistema combinado de conversão de energia térmica em energia mecânica para um mesmo fim comum ou não.[008] The basic concept of a combined cycle is a system composed of an engine operating by means of a high temperature source, so that the heat rejection of this engine is the energy that drives a second engine that requires a lower temperature of operation, both forming a combined system of converting thermal energy into mechanical energy for the same common purpose or not.
[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton que funciona com uma fonte principal com temperatura superior a 1000 oC e com gases de exaustão na faixa entre 600 oC e 700 oC e estes gases por sua vez são canalizados para alimentar outro motor de ciclo Rankine ou “Rankine orgânico’’ (ORC). O ciclo Rankine convencional tem como fluido de trabalho a água, o ciclo Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos, estes são mais adequados para projetos em temperaturas menores que os projetos com o ciclo Rankine convencional, portanto normalmente são utilizados em alguns dos ciclos combinados.[009] The current state of the art reveals combined cycles formed by a main Brayton cycle engine that works with a main source with a temperature above 1000 o C and with exhaust gases in the range between 600 o C and 700 o C and these gases in turn, they are channeled to power another Rankine cycle engine or “Organic Rankine '' (ORC). The conventional Rankine cycle has water as its working fluid, the organic Rankine cycle uses organic fluids, these are more suitable for projects at lower temperatures than projects with the conventional Rankine cycle, so they are normally used in some of the combined cycles.
[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[010] Some of the main disadvantages of current combined cycles, considering the second machine as an organic Rankine or Rankine cycle engine are the change of the physical state of the working fluid, that is, there is a phase
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 8/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 8/51
4/20 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, múltiplos estágios e recuperadores para melhorar a eficiência. Este conjunto de particularidades implicam em peso adicional, volume adicional, perdas térmicas adicionais, redução da eficiência global e por consequência, índices de poluição maiores, custos de implementação maiores e menores índices de sustentabilidade nestes projetos.4/20 liquid demanded by the thermodynamic cycle processes that must be controlled, and the heating energy of the liquid phase and the latent state change phase cannot be converted into useful working energy, are losses imposed by the Rankine concept. This system requires engine items that imply more processes, more weight, more control and more losses, liquid reservoirs, reservoir for steam generation, cooler type condensation exchanger, condensation reservoir, pump for fluid flow in the liquid state, liquid and gaseous process control valves, multiple stages and recuperators to improve efficiency. This set of features implies additional weight, additional volume, additional thermal losses, reduced overall efficiency and, consequently, higher pollution rates, higher implementation costs and lower sustainability rates in these projects.
[011] Não são conhecidos até o presente um motor integrado com um ciclo resultante único.[011] An integrated motor with a single resulting cycle is not known to date.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO [012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos conhecidos, sistemas de cogeração e ciclos combinados se encontram na eficiência limitada. A tecnologia mais próxima à deste invento, o ciclo combinado de uma turbina Brayton com uma máquina Rankine ou um motor de ciclo Diesel também com uma máquina Rankine impõem muitas perdas com condensação, troca do estado físico do fluido de trabalho, bombeamento do líquido para o tanque de vapor, nova troca de estado físico, calor latente, estas propriedades exigem energia que não se converterá em energia mecânica.OBJECTIVES OF THE INVENTION [012] The major problems of the state of the art, specifically with respect to known cycles, cogeneration systems and combined cycles are found in limited efficiency. The technology closest to this invention, the combined cycle of a Brayton turbine with a Rankine machine or a Diesel cycle engine also with a Rankine machine imposes many losses with condensation, changing the physical state of the working fluid, pumping the liquid to the steam tank, new physical state change, latent heat, these properties require energy that will not be converted into mechanical energy.
[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, objetivos de melhorar a eficiência, um novo conceito[013] The objective of the invention focuses on eliminating some of the existing problems, minimizing other problems and offering new possibilities, to achieve these objectives, objectives of improving efficiency, a new concept
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 9/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 9/51
5/20 de motores térmicos passou a mostrar vantagens substanciais. Um novo conceito, um passo que evoluiu do ciclo combinado para o ciclo integrado, isto é, não teremos mais um ciclo de uma unidade cujo rejeito de calor deste passa a alimentar outra unidade independente, agora temos um ciclo plenamente integrado a outro onde o processo de transferência de energia passa a ser conceituado como regeneração que interliga duas unidades formando uma nova unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente de forma a termos um ciclo resultante único.5/20 thermal engines started to show substantial advantages. A new concept, a step that has evolved from the combined cycle to the integrated cycle, that is, we will no longer have a cycle of a unit whose heat rejects from it starts to feed another independent unit, now we have a cycle fully integrated with another where the process of energy transfer starts to be conceptualized as regeneration that interconnects two units forming a new unit integrated mechanically and thermodynamically in order to have a single resulting cycle.
[014] Este novo conceito apresenta comprovadamente melhor eficiência teórica que qualquer outro ciclo conhecido, seja ele independente, como o Otto, Diesel, Stirling, Brayton e Rankine, como também qualquer outro ciclo combinado conhecido, como o Diesel com o Rankine, e Brayton com o Rankine ou Rankine orgânico. As demonstrações destas vantagens se encontram nas equações apresentadas no texto desta patente.[014] This new concept has proven to have better theoretical efficiency than any other known cycle, be it independent, such as Otto, Diesel, Stirling, Brayton and Rankine, as well as any other known combined cycle, such as Diesel with Rankine, and Brayton with Rankine or organic Rankine. The demonstrations of these advantages are found in the equations presented in the text of this patent.
[015] Portanto o objetivo é apresentar um conceito de uma nova tecnologia de motor térmico que ofereça mais eficiência na conversão para força mecânica e geração de energia comparando-se às tecnologias convencionais a partir de fontes térmicas.[015] Therefore, the objective is to present a concept of a new thermal engine technology that offers more efficiency in the conversion to mechanical strength and energy generation compared to conventional technologies from thermal sources.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [016] Os motores de ciclos integrados, diferente dos combinados, são caracterizados por constituírem um único motor formado por duas unidades e com um único ciclo termodinâmico resultante.DESCRIPTION OF THE INVENTION [016] The integrated cycle motors, different from the combined ones, are characterized by constituting a single motor formed by two units and with a single resulting thermodynamic cycle.
[017] O conceito presente considera uma unidade de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente, cujo processo entre as unidades seja de regeneração total da energia e com entrada de energia por combustão interna em um processo isobárico na unidade principal de ciclo[017] The present concept considers an internal combustion unit of Diesel cycle integrated to a secondary unit of closed circuit with pistons, forming a mechanically integrated unit, whose process between the units is of total energy regeneration and with energy input by combustion internal in an isobaric process in the main cycle unit
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 10/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 10/51
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Diesel, e o rejeito de calor ocorre somente na unidade secundária por pistões por um processo isotérmico de compressão.Diesel, and the heat rejection occurs only in the secondary unit by pistons by an isothermal compression process.
[018] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica pelo conceito da integração mecânica e termodinâmica formando um novo ciclo resultante. A figura 3 mostra o detalhe da regeneração total entre a unidade principal com a unidade secundária sendo que toda a energia de entrada entra na unidade principal e todo o calor descartado, é descartado teoricamente e integralmente pela unidade secundária. A figura 9 mostra como a unidade principal é conectada na unidade secundária por um processo regenerativo e a figura 11 mostra o ciclo termodinâmico resultante desta integração. A figura 17 mostra um modelo construtivo completo do motor plenamente integrado. Algumas das principais vantagens do invento deste motor de combustão interna integrado que podem ser constatadas são a inexistência de elementos de troca de fase física do fluido de trabalho e suas perdas associadas, a inexistência de elementos de condensação e de vaporização, portanto a inexistência também de perdas associadas ao calor latente do fluido de trabalho, a inexistência de circuitos, bombas, elementos de controle destinados aos processos de troca de fase física do fluido e suas perdas associadas, itens estes presentes nos ciclos combinados do atual estado da técnica. Portanto, a inovação apresentada com este invento é expressiva.[018] The present invention brings important developments for the conversion of thermal energy into mechanics through the concept of mechanical and thermodynamic integration forming a new resulting cycle. Figure 3 shows the detail of the total regeneration between the main unit and the secondary unit, with all incoming energy entering the main unit and all the heat discharged, it is theoretically and entirely discharged by the secondary unit. Figure 9 shows how the main unit is connected to the secondary unit by a regenerative process and Figure 11 shows the thermodynamic cycle resulting from this integration. Figure 17 shows a complete construction model of the fully integrated engine. Some of the main advantages of the invention of this integrated internal combustion engine that can be verified are the absence of elements for changing the physical phase of the working fluid and its associated losses, the absence of condensation and vaporization elements, therefore the absence of losses associated with the latent heat of the working fluid, the absence of circuits, pumps, control elements intended for the processes of changing the physical phase of the fluid and its associated losses, items present in the combined cycles of the current state of the art. Therefore, the innovation presented with this invention is significant.
[019] O motor térmico de combustão interna com uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, pode ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais e com técnicas amplamente conhecidas, oferecendo viabilidades para seu desenvolvimento, construção e aplicação prática.[019] The internal combustion thermal engine with a main diesel cycle internal combustion unit integrated with a piston closed circuit secondary unit, can be built with materials and techniques similar to conventional combined cycle engines and with widely known techniques, offering viability for its development, construction and practical application.
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 11/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 11/51
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DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [020] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito de um motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de gás a circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos principais e outros dois, um de exaustão e um de aspiração, um processo isobárico de entrada de energia, um processo adiabático de expansão, um processo isocórico regenerativo, um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor e um processo isocórico regenerativo, sendo representadas conforme segue abaixo:DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [020] The attached figures demonstrate the main characteristics and properties of the new concept of an internal combustion engine with diesel cycle integrated into a secondary piston closed gas unit, forming a mechanically and thermodynamically integrated unit with a thermodynamic cycle resulting from five main processes and two others, one of exhaustion and one of aspiration, an isobaric process of energy input, an adiabatic expansion process, an isochoretic regenerative process, an isothermal process of compression and heat rejection and a process regenerative isochoric, represented as follows:
A figura 1 mostra o ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel;Figure 1 shows the thermodynamic cycle of the main diesel cycle internal combustion unit;
A figura 2 mostra o detalhe da linha isotérmica 15 entre os pontos (1) e (3) do ciclo termodinâmico da unidade principal a qual é necessária para gerar a regeneração que permite a formação do ciclo termodinâmico de cinco processos;Figure 2 shows the detail of the isothermal line 15 between points (1) and (3) of the thermodynamic cycle of the main unit, which is necessary to generate the regeneration that allows the formation of the thermodynamic cycle of five processes;
A figura 3 mostra o fluxo de energia 22 da regeneração do processo isocórico da unidade principal de ciclo Diesel para o processo isocórico da unidade secundária a pistões;Figure 3 shows the energy flow 22 from the regeneration of the isochoric process of the main diesel cycle unit to the isochoric process of the piston secondary unit;
A figura 4 mostra na área hachurrada o trabalho acrescido ao ciclo do motor principal de ciclo Diesel pelo motor secundário a pistões;Figure 4 shows in the crosshatched area the work added to the main cycle of the Diesel cycle engine by the secondary engine with pistons;
As figuras 5 e 6 mostram como as unidades mecânicas e o ciclo termodinâmico começam a ser integrados;Figures 5 and 6 show how the mechanical units and the thermodynamic cycle begin to be integrated;
As figuras 7 e 8 mostram como o ciclo termodinâmico da unidade secundária a pistões se encaixa no ciclo termodinâmico da unidade principal deFigures 7 and 8 show how the piston secondary unit's thermodynamic cycle fits into the main unit's thermodynamic cycle.
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8/20 ciclo Diesel para formar o motor integrado;8/20 Diesel cycle to form the integrated engine;
A figura 9 mostra o diagrama completo do motor integrado composto por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária a pistões interligados por um regenerador;Figure 9 shows the complete diagram of the integrated engine composed of a main internal combustion unit with a diesel cycle and a secondary unit with pistons connected by a regenerator;
A figura 10 mostra de forma mais clara a integração do ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com um trabalho líquido mostrado pela região 63 do gráfico, integrada ao trabalho líquido mostrado pela região 64 da unidade secundária a pistões formando um novo ciclo resultante mostrado na figura 11 com um trabalho líquido mostrado pela região 67 do gráfico;Figure 10 shows more clearly the integration of the thermodynamic cycle of the main internal combustion unit of the Diesel cycle with a net work shown by region 63 of the graph, integrated with the net work shown by region 64 of the piston secondary unit forming a new cycle. result shown in figure 11 with a net work shown by region 67 of the graph;
A figura 11 mostra o ciclo termodinâmico resultante do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com a unidade secundária a pistões;Figure 11 shows the thermodynamic cycle resulting from the integrated engine formed by the main internal combustion unit of Diesel cycle with the secondary unit by pistons;
A figura 12 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isocórico da unidade secundária a pistões indicando a atuação da válvula (V1) no processo isocórico de aquecimento por regeneração;Figure 12 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit with the piston secondary unit with the detail of the energy and gas flow of the isochoric process of the piston secondary unit indicating the performance of the valve (V1) in the isochoric process heating by regeneration;
A figura 13 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo adiabático de expansão da unidade secundária a pistões indicando que o gás de trabalho permanece confinado adiabaticamente pelos bloqueios das válvulas (V1), (V2) e (V3) no processo adiabático de expansão e trabalho;Figure 13 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit of Diesel cycle with the secondary piston unit with the detail of the energy and gas flow of the adiabatic expansion process of the secondary piston unit indicating that the working gas remains adiabatically confined by the valve blockages (V1), (V2) and (V3) in the adiabatic expansion and work process;
A figura 14 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna com a unidade secundária a pistões, com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isotérmico de compressão daFigure 14 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit with the secondary piston unit, with the detail of the energy and gas flow of the isothermal compression process of the
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9/20 unidade secundária a pistões indicando a atuação da válvula (V2), (V3) e do turbocompressor 47 no processo isotérmico de compressão e rejeito de calor;9/20 piston secondary unit indicating the action of the valve (V2), (V3) and the turbocharger 47 in the isothermal process of compression and heat rejection;
A figura 15 mostra o diagrama do motor integrado, formado pela unidade principal de combustão interna com a unidade secundária a pistões, novamente no estado inicial do seu respectivo ciclo de entrada da energia regenerada;Figure 15 shows the diagram of the integrated engine, formed by the main internal combustion unit with the secondary piston unit, again in the initial state of its respective regenerated energy input cycle;
A figura 16 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com a unidade secundária a pistões com o detalhe do acoplamento das forças mecânicas de ambas as unidades por meio de um único eixo ou virabrequim comum 113;Figure 16 shows the diagram of the integrated engine formed by the main internal combustion unit of Diesel cycle with the secondary piston unit with the detail of the coupling of the mechanical forces of both units by means of a single shaft or common crankshaft 113;
A figura 17 mostra um desenho de um modelo construtivo de um motor integrado, constituído por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel com uma unidade secundária a pistões;Figure 17 shows a drawing of a constructive model of an integrated engine, consisting of a main unit of internal combustion of Diesel cycle with a unit secondary to pistons;
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO [021] O entendimento do conceito do motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária por pistões, exige a análise inicialmente do ciclo da unidade principal mostrado na figura 1. Para configurar um motor integrado com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos é necessário que a unidade principal de ciclo Diesel seja configurada ou projetada com parâmetros tal que a temperatura (T4) seja igual à temperatura fria (Tf) e a temperatura (T1) seja igual à temperatura final do processo de expansão adiabático (T3), de forma a termos uma linha isotérmica entre a temperatura (T3) e (T1) mostrada por 15 na figura 2. Esta exigência fica bem evidente uma vez que desejamos regenerar teoricamente toda a energia indicada por 14 do processo isocórico (3-4), figura 2, para a unidade secundária a pistões, recuperando esta energia no processo isocórico (5-1) de aquecimento desta unidade secundária a pistões mostrado na figura 3. Então conforme mostrado na figura 3, teremos aDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [021] Understanding the concept of the integrated internal combustion engine, formed by a main internal combustion unit of Diesel cycle and a secondary unit by pistons, requires the initial analysis of the cycle of the main unit shown in figure 1. To configure an integrated engine with a thermodynamic cycle resulting from five processes, it is necessary that the main unit of the Diesel cycle be configured or designed with parameters such that the temperature (T4) is equal to the cold temperature (Tf) and the temperature (T1) is equal to the final temperature of the adiabatic expansion process (T3), in order to have an isothermal line between the temperature (T3) and (T1) shown by 15 in figure 2. This requirement is very evident since we want to theoretically regenerate all energy indicated by 14 of the isochoric process (3-4), figure 2, for the piston secondary unit, recovering this energy in the isochoric process (5-1) d and heating of this piston secondary unit shown in figure 3. So as shown in figure 3, we will have the
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10/20 energia 22 teoricamente totalmente regenerada da unidade principal para a unidade secundária a pistões onde a temperatura (T5) do processo isocórico da unidade secundária a pistões é igual a temperatura (Tf) do segmento de menor temperatura do regenerador e a temperatura (T1) do processo isocórico da unidade secundária a pistões é igual a temperatura (T3) do segmento de maior temperatura do regenerador.10/20 energy 22 theoretically fully regenerated from the main unit to the piston secondary unit where the temperature (T5) of the isochoric process of the secondary piston unit is equal to the temperature (Tf) of the lowest temperature segment of the regenerator and the temperature (T1 ) of the piston secondary unit isochoric process is equal to the temperature (T3) of the highest temperature segment of the regenerator.
[022] A figura 4 mostra o resultado da integração do ciclo da unidade principal com o ciclo da unidade secundária por pistões e dois ciclos distintos, um de quatro processos termodinâmicos e outro de três processos termodinâmicos passam a ter uma configuração e um comportamento de um único ciclo de cinco processos, um isobárico de expansão (1-2) de entrada de energia, um adiabático de expansão (2-3), um isocórico regenerativo (3-4), um isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) e um isocórico regenerativo (5-1).[022] Figure 4 shows the result of the integration of the cycle of the main unit with the cycle of the secondary unit by pistons and two distinct cycles, one of four thermodynamic processes and the other of three thermodynamic processes. single cycle of five processes, an isobaric expansion (1-2) of energy input, an adiabatic expansion (2-3), a regenerative isochoric (3-4), a compression isotherm and heat rejection (4- 5) and a regenerative isochoric (5-1).
[023] As figuras 5 e 6 mostram respectivamente o ciclo termodinâmico e o modelo mecânico da unidade principal de ciclo Diesel. A energia por combustão interna 31 executa o processo isobárico (1-2) e a combustão ocorre no interior da câmara de combustão 34. Na sequência conforme o fluxo de energia, ocorre o processo de expansão adiabática pelo movimento do pistão 36 no interior do cilindro 35, este pistão por meio de uma biela atua girando o eixo ou virabrequim 37. Na sequência ocorre o processo isocórico (3-4), quando o gás 32 escoa para fora do cilindro seguindo para o regenerador. Na sequência ocorre o processo adiabático de compressão (4-1) logo após o gás 33 ser aspirado pelo processo (a-4) do ambiente e comprimido pelo pistão 36 para a câmara de combustão 34.[023] Figures 5 and 6 show the thermodynamic cycle and the mechanical model of the main diesel cycle unit, respectively. The internal combustion energy 31 performs the isobaric process (1-2) and the combustion takes place inside the combustion chamber 34. In the sequence according to the energy flow, the adiabatic expansion process occurs through the movement of the piston 36 inside the cylinder 35, this piston by means of a connecting rod acts by rotating the shaft or crankshaft 37. Next, the isochoric process (3-4) occurs, when the gas 32 flows out of the cylinder and proceeds to the regenerator. Next, the adiabatic compression process (4-1) occurs shortly after the gas 33 is aspirated by the process (a-4) from the environment and compressed by piston 36 to the combustion chamber 34.
[024] As figuras 7 e 8 mostram respectivamente o ciclo termodinâmico e o modelo mecânico da unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado. A energia indicada por 41 do regenerador 43 promove o processo isocórico de aquecimento (5-1) com o movimento a volume constante dos pistões dos cilindros 45 e 46. Na sequência ocorre o processo adiabático de[024] Figures 7 and 8 show the thermodynamic cycle and the mechanical model of the secondary unit respectively by pistons with closed circuit gas. The energy indicated by 41 of the regenerator 43 promotes the isochoric heating process (5-1) with the constant volume movement of the pistons of cylinders 45 and 46. Next, the adiabatic
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11/20 expansão (1-4) com a expansão do gás movimentando o pistão do cilindro 46 gerando força mecânica nos elementos de força motriz 412. Na sequência ocorre o processo isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) com o gás sendo comprimido pelo pistão do cilindro 46 forçando o gás a passar pelo trocador isotérmico 44 movendo o pistão do cilindro 45 e este processo ocorre com o auxílio do turbocompressor 47 movido eletricamente pelo motor elétrico 48.11/20 expansion (1-4) with the expansion of the gas by moving the piston of the cylinder 46, generating mechanical force in the driving force elements 412. Following is the isothermal process of compression and heat rejection (4-5) with the gas being compressed by the piston of the cylinder 46 forcing the gas to pass through the isothermal exchanger 44 moving the piston of the cylinder 45 and this process occurs with the aid of the turbocharger 47 moved electrically by the electric motor 48.
[025] A figura 9 mostra o motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade principal de ciclo Diesel 53 alimentado por combustão interna com outra unidade a pistões com gás em circuito fechado 54 alimentado por um processo regenerativo, sendo que a unidade principal de ciclo Diesel é alimentada por combustão interna 31 contendo uma câmara de combustão 34 a qual expande o gás da combustão em processo isobárico e na sequência adiabático atuando sobre o pistão 36 no interior do cilindro 35 acionando por meio de uma biela ou eixo 37 que por sua vez produz trabalho útil, e parte da energia cinética do eixo atua no pistão 36 fazendo um processo isocórico com exaustão do gás ainda quente através da válvula 39, alimentando, transferindo a energia ao regenerador que é um trocador de calor isocórico 43, e o trocador de calor isocórico 43, responsável pela regeneração, alimenta a unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado 54, por meio de um processo isocórico, atuando no cilindro de deslocamento de gás 45 o qual é auxiliar dos processos isocórico e isotérmico, e no cilindro de força mecânica 46, responsável pelo trabalho útil, que através de um sensor de posição angular dinâmico chamado de encoder 55 fixado no eixo dos elementos de força mecânica 412 e uma unidade de controle eletrônico ou mecânico 56, atua nas válvulas ou conjunto de válvulas (V1) 49, (V2) 410 e (V3) 411 e controlam os processos termodinâmicos da unidade secundária a pistões 54, e de forma que o processo isotérmico da unidade secundária a pistões ocorre pelo rejeito de calor em um trocador isotérmico 44 com o auxílio de um turbocompressor elétrico ou circulador de gás, formado por um rotor 47 e um motor elétrico 48, e[025] Figure 9 shows the integrated internal combustion engine, formed by a main unit of Diesel cycle 53 powered by internal combustion with another unit with pistons with closed loop gas 54 powered by a regenerative process, the main unit being Diesel cycle is fed by internal combustion 31 containing a combustion chamber 34 which expands the combustion gas in an isobaric process and in the adiabatic sequence acting on the piston 36 inside the cylinder 35 acting by means of a connecting rod or shaft 37 which in turn instead produces useful work, and part of the kinetic energy of the shaft acts on piston 36 making an isochorical process with exhaust of the still hot gas through valve 39, feeding, transferring the energy to the regenerator which is an isochoric heat exchanger 43, and the exchanger of isochoric heat 43, responsible for regeneration, feeds the secondary unit to pistons with closed circuit gas 54, by means of u m isochorical process, acting on the gas displacement cylinder 45 which is an aid to the isochoric and isothermal processes, and on the mechanical force cylinder 46, responsible for useful work, which through a dynamic angular position sensor called encoder 55 fixed on the axis of the mechanical force elements 412 and an electronic or mechanical control unit 56, acts on the valves or set of valves (V1) 49, (V2) 410 and (V3) 411 and controls the thermodynamic processes of the piston secondary unit 54, and so that the isothermal process of the piston secondary unit occurs by the rejection of heat in an isothermal exchanger 44 with the aid of an electric turbocharger or gas circulator, formed by a rotor 47 and an electric motor 48, and
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 16/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 16/51
12/20 o resultado do processo é a força mecânica no eixo que interliga os elementos de força 412, caracterizando o motor integrado por uma unidade principal de ciclo Diesel 53 alimentado por combustão interna com uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado 54, alimentado por um processo regenerativo.12/20 the result of the process is the mechanical force on the shaft that connects the power elements 412, featuring the engine integrated by a main unit of Diesel cycle 53 powered by internal combustion with a secondary unit with pistons with closed circuit gas 54, powered by a regenerative process.
[026] As figuras 10 e 11 mostram graficamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna integrado com seu modelo mecânico mostrado na figura 9, formado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel 53 e uma unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado 54. O motor possui um ciclo termodinâmico, cujos fenômenos são gerados a partir de uma fonte térmica a combustão 61, a qual produz a expansão do gás na câmara de combustão 34 da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel 53, e que gera o processo de entrada de energia do ciclo termodinâmico com uma expansão isobárica (1-2), onde o gás aumenta a temperatura com a pressão constante (Ph) de (T1) para (Tq), após o processo de expansão isobárico (1-2), ocorre o processo de expansão adiabático (2-3), com a expansão do gás no interior do cilindro 35 pelo movimento do pistão 36, onde o gás reduz a temperatura de (Tq) para (T3) e reduz a pressão de (Ph) para (P3), após o processo de expansão adiabático (2-[026] Figures 10 and 11 show graphically all the processes that form the thermodynamic cycle of the internal combustion engine integrated with its mechanical model shown in figure 9, formed by a main internal combustion unit of Diesel cycle 53 and a secondary unit by pistons with closed circuit gas 54. The engine has a thermodynamic cycle, the phenomena of which are generated from a combustion thermal source 61, which produces the expansion of the gas in the combustion chamber 34 of the main internal combustion unit of the Diesel cycle. 53, and that generates the energy input process of the thermodynamic cycle with an isobaric expansion (1-2), where the gas increases the temperature with the constant pressure (Ph) from (T1) to (Tq), after the process of isobaric expansion (1-2), the adiabatic expansion process (2-3) occurs, with the expansion of the gas inside the cylinder 35 by the movement of the piston 36, where the gas reduces the temperature from (Tq) to (T3) and reduces the pressure from (Ph) to (P3), after the adiabatic expansion process (2-
3), ocorre o processo regenerativo isocórico (3-4), com a transferência de energia com volume constante (V3) da unidade principal de ciclo Diesel 53 para o trocador de calor, regenerador isocórico 43, liberando o gás resultante da combustão 51 ao ambiente na temperatura fria (Tf), após o processo isocórico regenerativo (3-4) ocorre na unidade principal 53 o processo de exaustão e aspiração (4-a) e (a-4) respectivamente e sequencialmente, após o processo de exaustão e aspiração ocorre o processo de compressão adiabático (4-1) no interior do cilindro 35, pelo movimento de compressão do pistão 36 onde o gás aumenta a temperatura de (Tf) para (T1) e pressão de (PL) para (Ph), finalizando os processos na unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel 53 e estes processos (1-2), (2-3), (3-4), (4-a, a-4) e (4-1) ocorrem em3), the isochoric regenerative process (3-4) occurs, with the transfer of energy with constant volume (V3) from the main unit of the Diesel cycle 53 to the heat exchanger, isochoric regenerator 43, releasing the gas resulting from combustion 51 at the at cold temperature (Tf), after the regenerative isochoric process (3-4), the exhaustion and aspiration process (4-a) and (a-4) occur respectively in the main unit 53 and sequentially, after the exhaustion process and aspiration occurs the adiabatic compression process (4-1) inside the cylinder 35, by the piston compression movement 36 where the gas increases the temperature from (Tf) to (T1) and pressure from (PL) to (Ph), finalizing the processes in the main unit of internal combustion of Diesel cycle 53 and these processes (1-2), (2-3), (3-4), (4-a, a-4) and (4-1) occur in
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 17/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 17/51
13/20 uma ordem de acordo com o fluxo de energia e sequencialmente no domínio do tempo, e a partir do processo isocórico regenerativo (3-4) da unidade principal de ciclo Diesel 53, com o fluxo de gás quente 32 transferindo sua energia ao regenerador 43, ocorre simultaneamente a este o processo isocórico de aquecimento (5-1) da unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado 54, onde o gás em volume constante (V1) com o movimento simultâneo dos pistões dos cilindros 45 e 46, passando o gás pelo regenerador 43 onde o gás aumenta a sua temperatura de (Tf) para (T1) e aumenta a pressão de (P5) para (Ph), após o processo de aquecimento isocórico (5-1) ocorre o processo de expansão adiabático (1-4) no cilindro de força mecânica 46, onde o pistão deste se move a partir do volume (V1) para o volume (V3) com a expansão do gás produzindo força mecânica nos elementos de força motriz 412, e neste processo o gás reduz a temperatura de (T1) para (Tf) e reduz a pressão de (Ph) para (PL), após o processo de expansão adiabático (1-13/20 an order according to the energy flow and sequentially in the time domain, and from the regenerative isochoric process (3-4) of the Diesel 53 main cycle unit, with the hot gas flow 32 transferring its energy to the regenerator 43, the isochoric heating process (5-1) of the secondary unit with pistons with closed circuit gas 54 occurs simultaneously, where the gas in constant volume (V1) with the simultaneous movement of the pistons of cylinders 45 and 46, passing the gas through the regenerator 43 where the gas increases its temperature from (Tf) to (T1) and increases the pressure from (P5) to (Ph), after the isochoric heating process (5-1) the expansion process occurs adiabatic (1-4) in the mechanical force cylinder 46, where the piston moves from the volume (V1) to the volume (V3) with the expansion of the gas producing mechanical force in the driving elements 412, and in this process the gas reduces the temperature from (T1) to (Tf) and reduces the pressure from (Ph) to (PL), after the adiabatic expansion process (1-
4), ocorre por meio da energia cinética armazenada nos eixos e elementos de força motriz 412, o processo de compressão e rejeito de calor 62 isotérmico (4-4), occurs through the kinetic energy stored in the axes and elements of driving force 412, the process of compression and heat rejection 62 isothermal (4-
5), finalizando os processos na unidade secundária a pistões 54 com gás em circuito fechado, e estes três processos (5-1), (1-4), e (4-5) ocorrem em uma ordem sequencial no domínio do tempo finalizando os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna, integrado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária com pistões com gás em circuito fechado, de forma a caracterizar uma nova máquina complexa com duas unidades integradas que no conjunto opera mediante um ciclo 611 formado essencialmente por cinco processos termodinâmicos, por um processo de entrada de energia isobárico (1-2) por combustão interna 65, um processo de expansão adiabático (2-3) com realização de trabalho 68, um processo isocórico (3-4) regenerativo 69, um processo de rejeito de calor por compressão isotérmica (4-5), 66, um processo de aquecimento isocórico (5-1), 610 regenerado pelo processo isobárico (3-4) e ainda um processo de exaustão e aspiração (4-a, a-4), de forma que o motor5), ending the processes in the piston secondary unit 54 with closed loop gas, and these three processes (5-1), (1-4), and (4-5) occur in a sequential order in the time domain ending the processes that form the thermodynamic cycle of the internal combustion engine, integrated by a main unit of internal combustion of Diesel cycle and a secondary unit with pistons with gas in closed circuit, in order to characterize a new complex machine with two integrated units that in the set operates through a cycle 611 formed essentially by five thermodynamic processes, by an isobaric energy input process (1-2) by internal combustion 65, an adiabatic expansion process (2-3) with work performance 68, an isochoric process (3-4) regenerative 69, a heat rejection process by isothermal compression (4-5), 66, an isochoric heating process (5-1), 610 regenerated by the isobaric process (3-4) and still a process d and exhaust and suction (4-a, a-4), so that the engine
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 18/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 18/51
14/20 de combustão interna integrado realiza o trabalho líquido 67 resultante da soma de todos os processos que formam o ciclo termodinâmico.14/20 integrated internal combustion performs the liquid work 67 resulting from the sum of all the processes that form the thermodynamic cycle.
[027] A tabela 1 mostra os quatro processos (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) que formam o ciclo parcial do motor da unidade de combustão interna de ciclo Diesel, e os processos (4-a, a-4) de exaustão e aspiração, mostrados passo a passo, com um processo isobárico, dois processos adiabáticos e um processo isocórico.[027] Table 1 shows the four processes (1-2, 2-3, 3-4, 4-1) that form the partial cycle of the engine of the Diesel cycle internal combustion unit, and the processes (4-a , a-4) of exhaustion and aspiration, shown step by step, with an isobaric process, two adiabatic processes and an isochoric process.
Tabela 1Table 1
[028] A tabela 2 mostra os três processos (5-1, 1-4, 4-5) que formam o ciclo da unidade secundária a pistões de circuito fechado mostrados passo a passo, com um processo isocórico de entrada de energia, um processo adiabático de trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor.[028] Table 2 shows the three processes (5-1, 1-4, 4-5) that form the cycle of the secondary unit with closed circuit pistons shown step by step, with an isochoric energy input process, a adiabatic process of useful work and an isothermal process of compression and heat rejection.
Tabela 2Table 2
[029] A tabela 3 mostra os cinco processos (1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-1) que formam o ciclo termodinâmico resultante do motor de combustão interna[029] Table 3 shows the five processes (1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-1) that form the thermodynamic cycle resulting from the internal combustion engine
Petição 870180067608, de 03/08/2018, pág. 19/51Petition 870180067608, of 08/03/2018, p. 19/51
15/20 integrado, mais os processos de exaustão e aspiração (4-a, a-4), formado por uma unidade a combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna, em um processo de expansão isobárico e rejeito de calor por um processo de compressão isotérmico.15/20 integrated, plus the processes of exhaustion and aspiration (4-a, a-4), formed by an internal combustion unit of Diesel cycle integrated to a secondary closed circuit piston unit, forming a mechanically and thermodynamically integrated unit , with energy input by internal combustion, in an isobaric expansion process and heat rejection by an isothermal compression process.
Tabela 3Table 3
[030] Todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor integrado, podem ser demonstrados por meio de equações matemáticas. A energia de entrada do motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, ocorre por meio de um processo isobárico, e a combustão na câmara de combustão 34 produz um acréscimo da energia a partir do ponto (1), figura 10, do processo isobárico (1-2) de expansão e aquecimento representado pela expressão (a).[030] All the processes that form the thermodynamic cycle of the integrated motor, can be demonstrated by means of mathematical equations. The input energy of the internal combustion engine of the diesel cycle integrated into a secondary closed circuit piston unit, occurs through an isobaric process, and combustion in the combustion chamber 34 produces an increase in energy from the point ( 1), figure 10, of the isobaric process (1-2) of expansion and heating represented by the expression (a).
¢ = (a) [031] Na equação (a), (Q,) representa a energia total de entrada no sistema por combustão, em “Joule”, (n) representa o número de mol pertencendo à unidade principal de ciclo Diesel, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (Tq) representa a temperatura máxima do gás em “Kelvin” no¢ = (a) [031] In equation (a), (Q,) represents the total energy entering the system by combustion, in “Joule”, (n) represents the number of moles belonging to the main diesel cycle unit, (R) represents the universal constant of perfect gases, (T q ) represents the maximum gas temperature in “Kelvin” at
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16/20 ponto (2) do processo, figura 10, (Ti) representa a temperatura no ponto (1) inicial do processo isobárico, figura 10, e (γ) representa o coeficiente de expansão adiabática. A temperatura (T1) no ponto (1) é igual à temperatura (T3) do ponto (3).16/20 point (2) of the process, figure 10, (Ti) represents the temperature at the initial point (1) of the isobaric process, figure 10, and (γ) represents the coefficient of adiabatic expansion. The temperature (T1) at point (1) is equal to the temperature (T3) at point (3).
[032] O processo subsequente ao processo isobárico (1-2), do ciclo, é um processo de expansão adiabático (2-3), é um processo de trabalho com o movimento do pistão 36 no interior do cilindro 35 e é representada pela expressão (b).[032] The process following the isobaric process (1-2), of the cycle, is an adiabatic expansion process (2-3), it is a working process with the movement of the piston 36 inside the cylinder 35 and is represented by expression (b).
(b) [033] O processo subsequente do ciclo é um processo isocórico regenerativo (3-4), figura 10, onde o gás da unidade de combustão interna de ciclo Diesel, transfere sua energia a um regenerador, trocador de calor isocórico 43 e é representada pela expressão (c).(b) [033] The subsequent process of the cycle is an isochoric regenerative process (3-4), figure 10, where the gas of the diesel cycle internal combustion unit transfers its energy to a regenerator, isochoric heat exchanger 43 and is represented by the expression (c).
Qreg=-^.(Tf-TJ (c) [034] Na equação (c), (Qreg) representa a energia total transferida ao regenerador pelo processo isocórico (3-4), em “Joule”, esta energia alimentará a unidade secundária a pistões a gás de circuito fechado.Qr and g = - ^. (Tf-TJ (c) [034] In equation (c), (Q reg ) represents the total energy transferred to the regenerator by the isochoric process (3-4), in “Joule”, this energy will feed the secondary unit with closed circuit gas pistons.
[035] O processo subsequente do ciclo é um processo de compressão adiabático (4-1), figura 10, onde o pistão 36 comprime o gás à pressão (Ph) e temperatura (T1) e é representado pela expressão (d).[035] The subsequent process of the cycle is an adiabatic compression process (4-1), figure 10, where piston 36 compresses the gas at pressure (Ph) and temperature (T1) and is represented by the expression (d).
M4-i= ^-(Ti-T» (d) [036] Os processos da unidade a combustão interna de ciclo Diesel, ocorrem em uma ordem de fluxo de energia, e sequencialmente no domínio do tempo.M4-i = ^ - (Ti-T »(d) [036] The processes of the diesel cycle internal combustion unit, occur in an order of energy flow, and sequentially in the time domain.
[037] O processo que alimenta a unidade secundária, é um processo isocórico[037] The process that feeds the secondary unit, is an isochoric process
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17/20 (5-1) e é o processo regenerativo do processo isocórico (3-4) da unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel, este processo foi definido pela expressão (c) por (Qreg). Na unidade secundária a pistões a gás de circuito fechado é representado pela expressão (e).17/20 (5-1) and is the regenerative process of the isochoric process (3-4) of the main internal combustion unit of Diesel cycle, this process was defined by the expression (c) by (Q reg ). In the secondary unit with closed circuit gas pistons it is represented by the expression (e).
Qs-i (e) [038] Considerando que o número de mol de gás da unidade secundária a pistões seja definido como (np), para haver uma equalização da regeneração, as equações (c) e (e) devem ser iguais, desta forma o número de mol de gás da unidade secundária a pistões deverá ser (np=n), portanto a equação do processo isocórico compensado passará a ser definido pela expressão (f).Qs-i (e) [038] Considering that the number of moles of gas of the piston secondary unit is defined as (np), to have an equalization of the regeneration, the equations (c) and (e) must be equal, this way so the number of moles of gas of the piston secondary unit must be (n p = n), therefore the equation of the compensated isochoric process will be defined by the expression (f).
^=^-(^1-^)( [039] O processo de expansão adiabático (1-4) da unidade secundária a pistões será representado pela expressão (g).^ = ^ - (^ 1 - ^) ([039] The adiabatic expansion process (1-4) of the piston secondary unit will be represented by the expression (g).
=(g) [040] O processo de rejeito de calor da unidade secundária a pistões é um processo isotérmico (4-5), este processo de compressão isotérmico e rejeito de calor será representado pela expressão (h).= (g) [040] The heat rejection process of the piston secondary unit is an isothermal process (4-5), this isothermal compression and heat rejection process will be represented by the expression (h).
W4_5=n.R.Tf.\n^(h) [041] O trabalho útil total, do motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, é representado graficamente pela área hachurada, indicada por 67 da figura 11, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado expressão (i) abaixo.W 4 _ 5 = nRT f . \ N ^ (h) [041] The total useful work, from the internal combustion engine of diesel cycle integrated to a secondary closed circuit unit with pistons, is represented graphically by the hatched area, indicated by 67 of figure 11, considering an ideal lossless model, is the difference between the input and output of the energy and expression (i) is shown below.
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18/20 = -Tk) - n.R.TfAn(^ (i) [042] Desta forma, a eficiência do motor térmico de combustão interna de ciclo Diesel integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, ideal, é representado pela expressão (j) ou (k), as quais revelam em condições ideais que o motor integrado de combustão interna por ciclo Diesel pode atingir eficiências na ordem de 80%.18/20 = -Tk) - nRT f An (^ (i) [042] In this way, the efficiency of the internal combustion thermal engine of Diesel cycle integrated with a secondary closed circuit piston unit, ideal, is represented by the expression (j) or (k), which reveal in ideal conditions that the integrated internal combustion engine per Diesel cycle can achieve efficiencies in the order of 80%.
η.= 1Y-(Tq~Ti) (j) n=i/(Tq-Tl) (k) [043] As equações de (a) a (k) demonstram matematicamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor, o trabalho útil e a eficiência. Estas equações demonstram matematicamente como os fenômenos ocorrem, sua origem por meio da combustão interna, cada um dos processos decorrentes, o trabalho útil resultante e a energia não utilizada na conversão do trabalho rejeitada ao ambiente.η. = 1Y- (Tq ~ Ti) (j) n = i / (Tq-Tl) (k) [043] The equations (a) to (k) demonstrate mathematically all the processes that form the thermodynamic cycle of the motor , useful work and efficiency. These equations demonstrate mathematically how the phenomena occur, their origin through internal combustion, each of the resulting processes, the resulting useful work and the unused energy in converting the work rejected to the environment.
[044] O motor integrado formado por uma unidade de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado, constitui uma única máquina plenamente integrada de forma que ambas as unidades possuem um único eixo comum, virabrequim, mostrado no desenho da figura 16 indicado por 113.[044] The integrated engine formed by an internal combustion unit with a diesel cycle and a secondary piston unit with closed circuit gas, constitutes a single fully integrated machine so that both units have a single common shaft, crankshaft, shown in drawing in figure 16 indicated by 113.
[045] Os parâmetros de cada uma das unidades, da unidade de ciclo Diesel e da unidade de circuito fechado, sistema fechado, não necessitam necessariamente serem iguais, isto é, os volumes (V1), (V3), o número de mol (n), tipo de gás, etc, estes não precisam ser iguais, tais parâmetros não alteram a eficiência teórica do motor. Vários parâmetros podem ser alterados oferecendo novas características, como por exemplo, a densidade de potência,[045] The parameters of each unit, the Diesel cycle unit and the closed circuit unit, closed system, do not necessarily need to be the same, that is, the volumes (V1), (V3), the number of moles ( n), type of gas, etc., these need not be the same, such parameters do not alter the theoretical efficiency of the engine. Various parameters can be changed offering new features, such as power density,
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19/20 rotação das unidades, sem alterar a eficiência e o conceito principal.19/20 rotation of the units, without changing efficiency and the main concept.
[046] Para o máximo aproveitamento térmico e eficiência do motor integrado, sugere-se que seja considerado o emprego de turbocompressores elétricos também na unidade Diesel, evitando a utilização dos gases quentes da exaustão, deixando este, o gás da exaustão, exclusivamente para a regeneração da unidade secundária.[046] For maximum thermal efficiency and efficiency of the integrated engine, it is suggested that the use of electric turbochargers be considered also in the Diesel unit, avoiding the use of hot exhaust gases, leaving this, the exhaust gas, exclusively for the secondary unit regeneration.
[047] Um modelo construtivo do motor integrado, formado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado e seus principais elementos é mostrado na figura 17. A unidade principal de combustão interna de ciclo Diesel mostrado na figura 17, tem um misturador 1215 para a entrada de ar, os cilindros da unidade principal por combustão interna 121, a unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado 122, um eixo, virabrequim comum 128, bomba d’agua 1213, sensor tipo termostato 1214, ventoinha 1211, radiador para a unidade principal a combustão interna 129, radiador para o resfriamento do processo isotérmico de compressão 1210, regenerador 125, trocador resfriador do processo isotérmico 126, turbocompressor elétrico 123, coletor da saída do gás quente 124, saída final da exaustão 127.[047] A constructive model of the integrated engine, formed by a main unit of internal combustion of Diesel cycle and a piston unit with gas in closed circuit and its main elements is shown in figure 17. The main unit of internal combustion of Diesel cycle shown in figure 17, it has a mixer 1215 for the air intake, the cylinders of the main unit for internal combustion 121, the secondary unit for pistons with closed circuit gas 122, a shaft, common crankshaft 128, water pump 1213, thermostat type sensor 1214, fan 1211, radiator for the internal combustion main unit 129, radiator for cooling the isothermal compression process 1210, regenerator 125, isothermal process cooler exchanger 126, electric turbocharger 123, hot gas outlet manifold 124 , exhaust exhaust end 127.
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES [048] Motores integrados formado por uma unidade de combustão interna de ciclo Diesel e uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado, possuem inúmeras aplicações, uma delas pode ser destinado a veículos, como uma alternativa frente aos ciclos combinado do motor Diesel com Rankine Orgânico, outra aplicação seria em plantas de geração de energia, pois tem como benefício direto, a sua capacidade de converter maior quantidade de energia em trabalho em se comparando com as tecnologias tradicionais e com as tecnologias atuais de ciclos combinados. Este motor integrado possui uma eficiência teórica superior aos conhecidos motores de ciclo Diesel, cicloEXAMPLES OF APPLICATIONS [048] Integrated engines formed by an internal combustion unit with a diesel cycle and a secondary unit with pistons with gas in closed circuit, have numerous applications, one of which can be intended for vehicles, as an alternative to the combined cycles of the Diesel engine with Organic Rankine, another application would be in power generation plants, as it has the direct benefit of its ability to convert a greater amount of energy into work compared to traditional technologies and the current technologies of combined cycles. This integrated engine has a theoretical efficiency superior to the well-known Diesel cycle engines,
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Brayton, ciclo Rankine e os ciclos combinados destes, conforme demonstrado pelas equações apresentadas e pela equação (j) da eficiência.Brayton, Rankine cycle and their combined cycles, as shown by the presented equations and by the efficiency equation (j).
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