WO2018195630A1 - Combined diesel and binary isothermal-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine - Google Patents

Combined diesel and binary isothermal-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine Download PDF

Info

Publication number
WO2018195630A1
WO2018195630A1 PCT/BR2018/050126 BR2018050126W WO2018195630A1 WO 2018195630 A1 WO2018195630 A1 WO 2018195630A1 BR 2018050126 W BR2018050126 W BR 2018050126W WO 2018195630 A1 WO2018195630 A1 WO 2018195630A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cycle
diesel
binary
adiabatic
engine
Prior art date
Application number
PCT/BR2018/050126
Other languages
French (fr)
Portuguese (pt)
Inventor
Marno Iockheck
Saulo Finco
LUIS Mauro MOURA
Original Assignee
Associação Paranaense De Cultura - Apc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Associação Paranaense De Cultura - Apc filed Critical Associação Paranaense De Cultura - Apc
Publication of WO2018195630A1 publication Critical patent/WO2018195630A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B73/00Combinations of two or more engines, not otherwise provided for
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02Profiting from waste heat of exhaust gases
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Combined cycle motors are characterized by having two separate thermodynamic units integrated forming a system such that the energy disposed of by the main unit is the power source of the secondary unit and both have an integration of the final mechanical work.
  • the turbine rotor of the energy conversion unit 321 conducts its fraction of the gas.
  • from the control valve 326 to the isothermal cooling chamber 328 is separated from the other cooling and cooling systems and located at the coldest end of the forced fan air flow, ie the outermost point of the boundary motor with the environment, and the gas entering point (c). inside chamber 328, where the isothermal compression and cooling process is performed, that is, an isothermal cooling process, leaving the gas through point (d) following the compressor rotor of the power conversion unit 325, and this in turn, returning the gas to the inlet of the isothermal expansion and heating chamber 319, already with the temperature (Tq) completing the binary thermodynamic cycle of the system.
  • the gas goes to an exhaust gas circulation control type 312 (EGR), with the function of direct part turbine rotor outlet gases 315 to the combustion chambers of the diesel engine via mixer 39, reducing emissions of nitrous oxides, NOx, another part of the gases leaving unit 312, goes into the environment 316.
  • EGR exhaust gas circulation control type 312
  • Also part of mechanical unit of the binary cycle engine is a compressor rotor 314 which pressurizes ambient air into the combustion chambers of the diesel engine, air 317 first passes through filter 313, enters compressor rotor 314 through a cooler 36 and from there to the mixer 39 which mixes the pressurized air with part of the combustion gases by injecting them into the combustion chambers of the diesel engine 31.

Abstract

The present invention relates to a combined cycle heat engine comprised of a unit that operates on the Diesel cycle and is interconnected and integrated with another unit that operates on a binary cycle of three isothermal processes and four adiabatic processes.

Description

"MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO"  "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC-ADIABIC COMBINED CYCLE MOTOR AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC COMBINED CYCLE MOTOR CYCLE"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Diesel interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isotérmicos e quatro processos adiabáticos. [001] The present invention relates to a combined cycle thermal motor formed by one unit operating with the interconnected diesel cycle and integrated with the other unit operating with the binary cycle of three isothermal processes and four adiabatic processes.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO BACKGROUND OF THE INVENTION
[002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente. [002] Classical thermodynamics defines three concepts of thermodynamic systems, the open thermodynamic system, the closed thermodynamic system and the isolated thermodynamic system. These three concepts of thermodynamic systems were conceptualized in the nineteenth century in the early days of the creation of the laws of thermodynamics and underlie all motor cycles known to date.
[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores. 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 motors.
[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigénio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. As matérias que saem destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos; as energias que saem destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado. [004] The open thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which energy and matter can enter and leave this system. Examples of an open thermodynamic system are the Otkins cycle Atkinson cycle internal combustion engines, Sabathe cycle Otto cycle diesel cycle, Brayton diesel cycle internal combustion engine, Rankine exhaust cycle from steam to the environment. The materials that come into these systems are fuels and oxygen or fluid working gas or working gas. The energy that enters these systems is heat. The materials that come out of these systems are combustion or working fluid exhaust, gases, waste; The energies that come out of these systems are the working mechanical energy and part of the heat dissipated.
[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot. A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema 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 leave this system. Examples of closed thermodynamic systems are external combustion engines such as Stirling cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat cycle or external combustion, Carnot cycle. The energy that enters this system is heat. The energies that come out of this system are the mechanical working energy and part of the heat dissipated, 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 open and closed systems, all working gas mass is exposed to incoming energy, heat or combustion and all of it is also exposed to cooling or cooling, that is, working gas mass is constant. in their processes and the difference between them is that in the open system the working gas mass goes through the system and in the closed system the mass remains in the system.
O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA THE CURRENT STATE OF TECHNIQUE
[007] 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 aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, os mais conhecidos são os ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo Rankine e o ciclo combinado de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo Rankine. [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. [007] Combined-cycle motors known to date have been invented and designed by uniting in the same system two motor concepts conceived in the nineteenth century, based on open thermodynamic systems or closed thermodynamic systems, the best known are the combined cycles of a Brayton cycle engine with a Rankine cycle engine and the combined cycle of a Diesel cycle engine with a Rankine cycle engine. [008] The basic concept of a combined cycle is a system composed of a motor operating by means of a high temperature source so that the heat waste of this motor is the energy that drives a second motor that requires a lower temperature of operation, both forming a combined system of converting thermal energy into mechanical energy for the same common purpose.
[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton ou ciclo Diesel que funciona com uma fonte principal com temperatura superior a 1000 °C e com gases de exaustão na faixa entre 600 °C e 700 °C e estes gases por sua vez são canalizados para alimentar outro motor de ciclo Rankine, geralmente "Rankine orgânico" (ORC). O ciclo Rankine convencional tem como fluido de trabalho a água, o ciclo Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos, estes são mais adequados para projetos em temperaturas menores que os projetos com o ciclo Rankine convencional, portanto normalmente são utilizados nos ciclos combinados. [009] The current state of the art reveals combined cycles formed by a Brayton or Diesel cycle main engine running on a main source with a temperature of over 1000 ° C and exhaust gases in the range between 600 ° C and 700 ° C and these gases are in turn piped to power another Rankine cycle engine, usually "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 those with the conventional Rankine cycle, so they are usually used in 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 líquida exigida pelos processos do ciclo termodinâmico que deve ser controlada, e a energia do aquecimento da fase líquida e da fase latente, de troca de estado, não podem ser convertidas em energia útil de trabalho, são perdas impostas pelo conceito Rankine. Este sistema exige itens do motor que implicam em mais processos, mais peso, mais controle e mais perdas, são necessários reservatórios do líquido, reservatório para geração de vapor, trocador do tipo resfriador para condensação, reservatório para condensação, bomba para vazão do fluido no estado líquido, válvulas de controle dos processos de estado líquido e gasoso. Este conjunto de particularidades implicam em peso adicional, volume adicional, perdas térmicas adicionais, redução da eficiência global e por consequência, índices de poluição maiores, custos de implementação maiores e, menores índices de sustentabilidade nestes projetos. [010] Some of the major disadvantages of today's combined cycles, considering the second machine a Rankine or organic Rankine cycle engine are the changing of the physical state of the working fluid, that is. There is a liquid phase required by the thermodynamic cycle processes that must be controlled, and the heating energy of the liquid phase and the latent phase change state cannot be converted into working energy, they 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, steam generation reservoir, condenser cooler type, condensation reservoir, fluid flow pump in liquid state, control valves of liquid and gaseous processes. This set of features entails additional weight, additional volume, additional thermal losses, reduced overall efficiency and therefore higher pollution rates, higher implementation costs and lower sustainability indices in these projects.
[011] O estado atual da técnica, a partir de 2011 , revelou um novo conceito de sistema termodinâmico, o chamado sistema termodinâmico híbrido, e este novo conceito de sistema passou a ser a base de sustentação para novos ciclos motores, os motores de ciclos diferenciais e os motores de ciclos binários não diferenciais de forma que estes novos ciclos motores possuem vantagens significativas para a criação de novos ciclos combinados. Podem ser exemplificados ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo binário e algumas outras variações. [011] The current state of the art as of 2011 has revealed a new concept of thermodynamic system, the so-called hybrid thermodynamic system, and this new system concept has become the basis of support for new motor cycles, cycle motors. differential and non-differential binary cycle motors so that these new motor cycles have significant advantages for the creation of new combined cycles. Combined cycles of a Brayton cycle engine with a differential cycle motor, Brayton cycle engine with a binary cycle engine, Diesel cycle engine with a differential cycle engine, Diesel cycle engine with a binary cycle motor can be exemplified. , Otto cycle motor with a differential cycle motor, Otto cycle motor with a binary cycle motor and some other variations.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO OBJECTIVES OF THE INVENTION
[012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos combinados se encontram justamente na segunda unidade que formam os sistemas, este, geralmente é uma máquina de ciclo Rankine. uma máquina antiga, cujos processos termodinâmicos impõe perdas através da necessidade de troca do estado físico do fluido de trabalho, do calor de aquecimento da fase líquida, do calor de transformação, calor latente, das unidades mecânicas, reservatórios, sistemas de válvulas, condensadores, bombas que agregam peso, volume, perdas e custos. [012] The major problems of the state of the art, specifically with regard to combined cycles, lie precisely in the second unit forming systems, which is usually a Rankine cycle machine. an old machine whose thermodynamic processes impose losses through the need to change the physical state of the working fluid, the heat of the liquid phase, the heat of transformation, the latent heat, the mechanical units, reservoirs, valve systems, condensers, pumps that add weight, volume, losses and costs.
[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, um novo conceito de motores térmicos passou a ser indispensável e a criação de novos ciclos-motores são necessários de forma que a eficiência dos motores não fique mais dependente exclusivamente das temperaturas. O conceito de sistema híbrido e ciclos diferenciais e ciclos binários, característica própria que fundamenta este novo conceito de ciclo combinado, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura. A eliminação da necessidade da troca do estado físico dos fluidos de trabalho passa a ser representativo para reduzir volume, peso e custo das máquinas. Portanto o ciclo combinado formado por uma unidade de ciclo Diesel com uma unidade de ciclo binário-isotérmico-adiabático constitui uma evolução importante, viável para o futuro dos sistemas formados por ciclos combinados. [013] The aim of the invention is to eliminate some of the existing problems, minimize other problems and offer new possibilities. To achieve these objectives, a new concept of thermal motors has become indispensable and the creation of new motor motors is necessary. engine efficiency is no longer dependent solely on temperatures. The hybrid system concept and differential and binary cycles, the very characteristic that underlies this new combined cycle concept, eliminates the reliance on efficiency exclusively at temperature. Eliminating the need to change the physical state of work fluids is now representative to reduce machine volume, weight and cost. Therefore the combined cycle formed by a Diesel cycle unit with a binary-isothermal-adiabatic cycle unit is an important, viable evolution for the future of combined cycle systems.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO DESCRIPTION OF THE INVENTION
[014] Os motores de ciclos combinados são caracterizados por possuírem duas unidades termodinâmicas distintas integradas formando um sistema de forma que a energia descartada pela unidade principal é a fonte de energia da unidade secundária e ambos possuem uma integração do trabalho mecânico final. [014] Combined cycle motors are characterized by having two separate thermodynamic units integrated forming a system such that the energy disposed of by the main unit is the power source of the secondary unit and both have an integration of the final mechanical work.
[015] O conceito presente considera uma unidade termodinâmica formada por um motor de ciclo Diesel 31 , o qual executa um ciclo Diesel de quatro processos e um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático 320. o qual executa um ciclo de três processos isotérmicos e quatro processos adiabáticos, e de forma que a energia de entrada, por combustão, executa um processo isobárico de expansão na unidade de ciclo Diesel, um processo de resfriamento isocórico quando a exaustão vai direto ao ambiente ou isobárico ou adiabático quando utiliza-se trocadores para outros fins o qual cede energia para o processo isotérmico de expansão da unidade de ciclo binário, este por sua vez executa um processo de resfriamento isotérmico cedendo para o ambiente a energia que o sistema em conjunto não tenha convertido em trabalho e de forma que ambos os ciclos tenham uma conversão em trabalho final comum. Portanto trata-se de motores de ciclos combinados completamente distintos dos motores e ciclos combinados atuais, os quais são baseados única e exclusivamente nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 3 é mostrado o conceito geral do invento e na figura 4 sâo mostrados os gráficos coma integração de ambos os ciclos termodinâmicos formando o ciclo combinado. Além da combinação do ciclo Diesel e binário, a presente invenção considera ainda o emprego de uma turbina auxiliar 315 para executar trabalho por meio de um processo adiabático com a energia residual e um compressor 314 para pressurização do ar nas câmaras de combustão do motor de combustão interna Diesel. [015] The present concept considers a thermodynamic unit formed by a diesel cycle engine 31 which performs a four process diesel cycle and a binary isothermal adiabatic cycle turbine engine 320 which performs a three isothermal process cycle. and four adiabatic processes, and so that the input energy, by combustion, performs an isobaric expansion process on the diesel cycle unit, an isochoric cooling process when the exhaust goes straight to the environment or isobaric or adiabatic when using heat exchangers. for other purposes which provides energy for the isothermal process of expansion of the binary cycle unit, this in turn performs an isothermal cooling process giving to the environment the energy that the system together has not converted to work and so that both the cycles have a conversion into common final work. These are therefore combined-cycle motors that are completely different from today's combined-cycle motors, which are based solely on open or closed systems. In figure 3 The general concept of the invention is shown and in Figure 4 the graphs showing the integration of both thermodynamic cycles forming the combined cycle are shown. In addition to the combination of the diesel and torque cycle, the present invention further contemplates the use of an auxiliary turbine 315 to perform work by means of an adiabatic process with residual energy and a compressor 314 for air pressurization in the combustion engine combustion chambers. Diesel internal.
[016] A presente invenção traz evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica pelo conceito da combinação de dois ciclos termodinâmicos distintos. A imensa maioria de ciclos combinados tem como máquina secundária um motor turbina a vapor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico. A figura 1 mostra que o ciclo Rankine possui perdas próprias do conceito dos processos que formam seu ciclo, não permitindo que uma parcela significativa de energia seja convertida em trabalho. Os ciclos Rankine e Rankine orgânico exigem a troca da fase física do gás de trabalho, isto é, há uma fase do processo em estado líquido exigindo elementos de condensação, evaporação e sistemas de bombas auxiliares, e todos estes elementos e processos impõem perdas e impossibilidade de utilizar as energias destas fases na conversão. Algumas das principais vantagens do invento ciclo combinado Diesel com binário-isotérmico-adiabático que podem ser constatadas são a inexistência de elementos de troca de fase física do fluido de trabalho e suas perdas associadas, a inexistência de elementos de condensação e de vaporização, portanto a inexistência também de perdas associadas ao calor latente do fluido de trabalho, a inexistência de circuitos, bombas, elementos de controle destinados aos processos de troca de fase física do fluido e suas perdas associadas e que por consequência, a inexistência do volume, materiais e massa, peso, dos elementos que compõem tais projetos. Portanto, a inovação apresentada pelo ciclo combinado Diesel com binário é expressiva. [017] Os motores de ciclos combinados baseados na integração de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo binário poderão ser construídos com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais, como a unidade secundária, de ciclo binário consiste de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Brayton, Stirling ou Ericsson, todos de combustão externa. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, a escolha do gás poderá ser diversificada, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogénio, nitrogénio, ar seco, neon, entre outros. [016] The present invention brings important developments for the conversion of thermal energy to mechanics by the concept of the combination of two distinct thermodynamic cycles. The vast majority of combined cycles have as their secondary engine a Rankine or organic Rankine cycle steam turbine engine. Figure 1 shows that the Rankine cycle has losses inherent in the concept of the processes that form its cycle, not allowing a significant portion of energy to be converted into work. The Rankine and Organic Rankine cycles require the exchange of the physical phase of the working gas, that is, there is a liquid process phase requiring condensing elements, evaporation and auxiliary pump systems, and all these elements and processes impose losses and impossibility. to utilize the energies of these phases in conversion. Some of the main advantages of the torque-isothermal-adiabatic combined diesel cycle which can be seen are the absence of physical phase shift elements of the working fluid and its associated losses, the absence of condensation and vaporization elements, therefore the no losses associated with latent heat of the working fluid, no circuits, pumps, control elements for fluid phase change processes and their associated losses, and consequently no volume, materials and mass , weight, of the elements that make up such projects. Therefore, the innovation presented by the combined cycle Diesel with torque is significant. [017] Combined-cycle engines based on the integration of a diesel-cycle engine with a binary-cycle engine may be constructed of materials and techniques similar to conventional combined-cycle engines, such as the secondary, binary-cycle unit consisting of an engine. Working with closed-circuit gas, considering the complete system, this closed-circuit working gas concept with respect to the external environment indicates that the system should be sealed, or in some cases leaks may be allowed provided they are compensated. Suitable materials for this technology should be noted, which are similar in this respect to Brayton, Stirling or Ericsson cycle engine design technologies, all with external combustion. The working gas depends on the project, its application and the parameters used, the choice of gas may be diversified, each one will provide specific characteristics, as an example may be suggested the gases: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others. others.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DESCRIPTION OF DRAWINGS
[018] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito de ciclo combinado, mais especificamente a um sistema formado por uma unidade de ciclo Diesel com uma unidade de ciclo binário-isotérmico-adiabático, sendo representadas conforme segue abaixo: [018] The accompanying figures demonstrate the main features and properties of the new combined cycle concept, more specifically a system consisting of a Diesel cycle unit with a binary-isothermal-adiabatic cycle unit, and are represented as follows:
A figura 1 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado atual, formado por uma unidade de ciclo Diesel com uma unidade de ciclo Rankine. Plantas projetadas com esta filosofia na atualidade são utilizadas para melhorar a eficiência mecânica e energética em sistemas de tração, veículos, como caminhões, máquinas, navios; Figure 1 demonstrates in block diagram a current combined cycle system consisting of a Diesel cycle unit with a Rankine cycle unit. Plants designed with this philosophy today are used to improve mechanical and energy efficiency in traction systems, vehicles such as trucks, machines, ships;
A figura 2 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado idealizado com base no novo conceito de sistema termodinâmico, formado por uma unidade de ciclo Diesel conhecida, com uma unidade de ciclo binário-isotérmico-adiabático. Teoricamente, sistemas projetados com esta filosofia para geração de força mecânica terá eficiência superior aos sistemas de ciclo combinado com Rankine ou Rankine orgânico baseado na análise teórica do ciclo da segunda máquina que forma o sistema, entre as perdas que deixam de existir, a inexistência de troca do estado físico do fluido de trabalho é item significativo, o processo de conservação de energia propiciado pelo subsistema de conservação pertencente ao ciclo binário, reforça as possibilidades do incremento da eficiência geral; Figure 2 demonstrates in block diagram a combined cycle system designed on the basis of the new thermodynamic system concept consisting of a known Diesel cycle unit with a cycle unit. binary-isothermal-adiabatic. Theoretically, systems designed with this philosophy for mechanical power generation will have higher efficiency than combined cycle systems with Rankine or organic Rankine based on the theoretical analysis of the second machine cycle that forms the system, among the losses that cease to exist, the absence of changing the physical state of the working fluid is a significant item; the energy conservation process provided by the binary subsystem conservation subsystem reinforces the possibilities of increasing overall efficiency;
A figura 3 apresenta o diagrama de um sistema composto por um motor de ciclo Diesel 31. com um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático. 320 formando o ciclo combinado Diesel e binário; Figure 3 is a diagram of a system consisting of a 31 diesel cycle engine with a binary isothermal adiabatic cycle turbine engine. 320 forming the combined cycle Diesel and torque;
A figura 4 mostra respectivamente as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo Diesel 41 e as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo binário-isotérmico-adiabático 45; Figure 4 shows respectively the curves of the pressure and volumetric displacement graph of the Diesel cycle 41 and the curves of the pressure and volumetric displacement graph of the binary-isothermal-adiabatic cycle 45;
A figura 5 mostra o ciclo Diesel convencional com um processo isobárico, dois processos adiabáticos e um processo isocórico. Figure 5 shows the conventional diesel cycle with one isobaric process, two adiabatic processes and one isochoric process.
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[019] O motor de ciclo combinado Diesel e binário-isotérmico-adiabático é um sistema composto por um conceito de motor baseado no sistema termodinâmico aberto, um motor de combustão interna de ciclo Diesel, idealizado no século XIX, com um motor baseado no sistema termodinâmico híbrido, o ciclo binário-isotérmico-adiabático não diferencial, idealizado no século XXI. de forma que a energia descartada pelo primeiro, o motor de combustão interna de ciclo Diesel, é a energia que move o segundo, o motor de ciclo binário. [019] The diesel-torque-isothermal-adiabatic combined-cycle engine is a system composed of an open thermodynamic system-based engine concept, a diesel-cycle internal combustion engine, designed in the 19th century, with a system-based engine. thermodynamic hybrid, the non-differential binary-isothermal-adiabatic cycle, idealized in the 21st century. so the energy discarded by the first, the diesel cycle internal combustion engine, is the energy that drives the second, the binary cycle engine.
[020] A figura 3 apresenta o sistema que caracteriza um motor de ciclo combinado Diesel e binário-isotérmico-adiabático. Este sistema é constituído por uma máquina que opera pelo ciclo Diesel, integrada, interconectada à outra máquina que opera por um ciclo binário e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados conforme figura 4. O sistema da figura 3 mostra um motor de combustão interna de ciclo Diesel 31 , acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático 320. O motor de ciclo Diesel possui seu coletor de descarga 331 , exaustão dos gases quentes, conectado a um trocador de calor isotérmico 319, neste trocador há uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário que entra pelo ponto (a) sendo aquecido no interior do trocador e sai pelo ponto (b), entrando na válvula proporcional de controle de três vias 326, e esta válvula direciona parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia 321 e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia 322, o rotor de turbina da unidade de conservação 322 conduz o gás de trabalho para a câmara isotérmica e isolada termicamente 323, entrando pelo ponto (c') onde é realizado o processo isotérmico de compressão, saindo o gás pelo ponto (d') seguindo para o rotor do compressor da unidade de conservação de energia 324, e este por sua vez conduz o gás com sua energia associada, conservada, novamente para a câmara de expansão isotérmica e na temperatura da câmara (Tq) de aquecimento 319. O rotor de turbina da unidade de conversão de energia 321 conduz a sua fração do gás de trabalho vindo da válvula de controle 326 para a câmara isotérmica de resfriamento 328, esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, isto é, no ponto mais externo do motor em fronteira com o ambiente, e o gás entrando no ponto (c). no interior da câmara 328, onde é realizado o processo isotérmico de compressão e resfriamento, isto é, um processo isotérmico de resfriamento, saindo o gás pelo ponto (d) seguindo para o rotor do compressor da unidade de conversão de energia 325, e este por sua vez, retornando o gás à entrada da câmara de expansão isotérmica e aquecimento 319, já com a temperatura (Tq) completando o ciclo termodinâmico binário do sistema. A energia mecânica convertida pela unidade de cicio binário no eixo 327, este eixo é acoplado direta ou indiretamente a todos os rotores de compressão e turbina, 314, 315, 321 , 322, 324 e 325, e é acoplada ao eixo mecânico principal 33, da unidade de ciclo Diesel por meio de uma caixa de engrenagens 34 para transmissão da força do eixo da unidade de ciclo binário somando com o eixo 33 do motor principal 31. Fazendo parte da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra ainda um rotor de turbina 315, onde é executado um processo adiabático, por onde passam os gases da exaustão do motor Diesel, logo após sua passagem pelo trocador de calor 319, o gás saindo do trocador, entra no rotor de turbina 315, este é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor 314. e a partir do rotor de turbina 315, o gás segue para uma unidade de controle 312, tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina 315 às câmaras de combustão do motor Diesel via misturador 39, reduzindo as emissões de óxidos nitrosos, NOx, outra parte dos gases, ao sair da unidade 312, segue para o ambiente 316. Fazendo parte também da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra um rotor do compressor 314, o qual pressuriza ar do ambiente para as câmaras de combustão do motor Diesel, o ar 317 primeiramente passa pelo filtro 313, entra no rotor do compressor 314, passando por um resfriador 36 e deste para o misturador 39 o qual executa a mistura do ar pressurizado com parte dos gases da combustão, injetando-os para as câmaras de combustão do motor Diesel 31. [020] Figure 3 shows the system featuring a combined diesel and torque-isothermal-adiabatic engine. This system consists of by an integrated diesel cycle machine interconnected with another binary cycle machine and so that its thermodynamic cycles are also integrated as shown in figure 4. The system in figure 3 shows a diesel cycle internal combustion engine 31 , coupled to a binary-isothermal-adiabatic cycle turbine engine 320. The diesel cycle engine has its discharge manifold 331, hot gas exhaust, connected to an isothermal heat exchanger 319, in this exchanger there is a gas circulation line. the cycle cycle that enters point (a) being heated inside the exchanger and exits point (b), enters proportional three-way control valve 326, and this valve directs part of the gas to the turbine rotor of the power conversion unit 321 and gas part for power conservation unit turbine rotor 322, power conservation unit turbine rotor drives working gas to the isothermal and thermally insulated chamber 323, entering at the point (c ') where the isothermal compression process is carried out, the gas exiting at the point (d') following the compressor rotor of the energy conservation unit 324, and it in turn conducts the gas with its associated conserved energy back into the isothermal expansion chamber and at the temperature of the heating chamber (Tq) 319. The turbine rotor of the energy conversion unit 321 conducts its fraction of the gas. from the control valve 326 to the isothermal cooling chamber 328 is separated from the other cooling and cooling systems and located at the coldest end of the forced fan air flow, ie the outermost point of the boundary motor with the environment, and the gas entering point (c). inside chamber 328, where the isothermal compression and cooling process is performed, that is, an isothermal cooling process, leaving the gas through point (d) following the compressor rotor of the power conversion unit 325, and this in turn, returning the gas to the inlet of the isothermal expansion and heating chamber 319, already with the temperature (Tq) completing the binary thermodynamic cycle of the system. Mechanical energy converted by the torque unit on shaft 327, this shaft is coupled directly or indirectly to all compression and turbine rotors, 314, 315, 321, 322, 324, and 325, and is coupled to the main mechanical shaft 33 of the drive unit. Diesel cycle by means of a gearbox 34 for transmitting the torque force of the torque cycle unit adding to the shaft 33 of the main engine 31. Also part of the torque cycle engine mechanical unit is a 315 turbine rotor , where an adiabatic process is performed, through which exhaust gases from the diesel engine pass, immediately after passing it through the heat exchanger 319, the gas leaving the exchanger enters the turbine rotor 315, it is connected to the main engine shaft torque cycle, with the function of driving the compressor rotor 314. and from the turbine rotor 315, the gas goes to an exhaust gas circulation control type 312 (EGR), with the function of direct part turbine rotor outlet gases 315 to the combustion chambers of the diesel engine via mixer 39, reducing emissions of nitrous oxides, NOx, another part of the gases leaving unit 312, goes into the environment 316. Also part of mechanical unit of the binary cycle engine is a compressor rotor 314 which pressurizes ambient air into the combustion chambers of the diesel engine, air 317 first passes through filter 313, enters compressor rotor 314 through a cooler 36 and from there to the mixer 39 which mixes the pressurized air with part of the combustion gases by injecting them into the combustion chambers of the diesel engine 31.
[021] Existe condições necessárias para que o ciclo do motor de ciclo binário seja formado por processos isotérmicos e adiabáticos, o primeiro está relacionado aos rotores dos compressores da unidade de conversão 325. e conservação 324, estes devem ser projetados para levar o gás nos processos adiabáticos na pressão que corresponda, no processo, o retorno do mesmo à temperatura do trocador isotérmico 319 e que o trocador de calor 319 seja projetado para que a troca de calor com o gás seja eficiente e termicamente isonômico, isto é. as câmaras internas do trocador devem ser projetadas com características de isonomia na temperatura do gás em toda a sua extensão, permitindo evidentemente, diferenciais da pressão conforme ocorre o fluxo do gás de trabalho, ao contrario dos trocadores de calor das unidades isobáricas, estes por sua vez, para exemplificar, devem ser projetados para haver isonomia na pressão e não na temperatura. [021] There are conditions necessary for the binary cycle motor cycle to be formed by isothermal and adiabatic processes, the first is related to the conversion unit compressor rotors 325. and conservation 324, these must be designed to carry the gas in the adiabatic processes at the pressure that corresponds in the process to its return to the temperature of the isothermal exchanger 319 and that the heat exchanger 319 is designed so that the heat exchange with the gas is efficient and thermally isonomic, that is. The internal chambers of the exchanger must be designed with isonomic characteristics in the gas temperature throughout, allowing, of course, pressure differentials as the working gas flow occurs, unlike the heat exchangers of the isobaric units, these in turn. Instead, to exemplify, they must be designed for pressure, not temperature, equality.
[022] A figura 3 apresenta também os principais elementos que configuram um motor Diesel, em 318 a entrada de ar de arrefecimento do motor e todos os sistemas que necessitam de resfriamento, o trocador de calor 328 é o elemento mais externo e é a câmara de compressão isotérmica de baixa temperatura da unidade de ciclo binário, é o mais externo porque a eficiência da unidade de ciclo binário aumenta quanto menor for a temperatura do processo isotérmico que ocorre no trocador 328, diferente de outras necessidades do motor Diesel. O trocador de calor 36 é usado para resfriamento do ar pressurizado pelo compressor 31 . Outro trocador de calor, radiador 35 é o principal elemento de arrefecimento do motor Diesel, unidades hidráulicas e elétricas. Uma ventoinha 329 é usada para forçar a ventilação e melhorar a troca de calor, arrefecimento. Uma bomba 37, de fluido de arrefecimento, normalmente água, circula o fluido no interior do motor a combustão interna para mantê-lo em condições térmicas seguras, auxiliado por um sensor tipo termostato 38 para o controle da temperatura. A mistura do ar pressurizado com parte do gás da exaustão ocorre no misturador 39 e segue para um distribuidor 32 o qual injeta nas câmaras de combustão do motor Diesel a mistura do ar com parte do gás da exaustão. A linha 330 é um tubo de retomo do fluido de arrefecimento do motor. A linha 310 é um duto que conduz parte dos gases da combustão a partir do regulador (EGR) para o misturador 39. Os gases, resíduos da combustão são conduzidos pela linha 311 a partir do coletor 331 , passando pelo trocador de calor 319 e seguindo para a entrada do rotor de turbina 315. O eixo de força 33, do motor Diesel, é o principal elemento para levar a força mecânica à caixa de transmissão 34. [023] Na figura 4 são mostrados os gráficos da pressão e deslocamento volumétrico que na união deles formam o ciclo combinado, um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Diesel e outro binário-isotérmico- adiabático, onde o primeiro ciclo, o ciclo Diesel é formado por quatro processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo um processo ou transformação isobárica, dois processos adiabáticos e um processo isocórico, que ocorrem um a um sequencialmente, porém com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento. A introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, tomando-o, em síntese, adiabático e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), pode ganhar características isobáricas sendo descritas da seguinte forma, a energia de entrada no sistema pela combustão, 42, executa um processo de expansão isobárica (3-4). na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5'), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador 319 gerando o segmento isobárico (5'-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou ainda adiabático, ou variável, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina 315. em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Diesel. A energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5'-5) indicado por 43, a energia canalizada para o rotor de turbina 315 é definida pelo processo (5-2) indicado por 44. [022] Figure 3 also shows the main elements that configure a diesel engine, at 318 the engine cooling air intake and all systems requiring cooling, the heat exchanger 328 is the outermost element and is the chamber The low temperature isothermal binary cycle unit compression is the most external because the efficiency of the binary cycle unit increases the lower the temperature of the isothermal process that occurs in the heat exchanger 328, unlike other diesel engine needs. Heat exchanger 36 is used for cooling pressurized air by compressor 31. Another heat exchanger, radiator 35 is the main cooling element of the diesel engine, hydraulic and electric units. A 329 fan is used to force ventilation and improve heat exchange, cooling. A coolant, typically water, pump 37 circulates the fluid within the internal combustion engine to keep it in safe thermal conditions, aided by a thermostat-type sensor 38 for temperature control. Mixing of pressurized air with part of the exhaust gas takes place in mixer 39 and goes to a manifold 32 which injects into the combustion chambers of the diesel engine the mixture of air with part of the exhaust gas. Line 330 is an engine coolant return pipe. Line 310 is a duct that conducts part of the combustion gases from the regulator (EGR) to the mixer 39. The combustion waste gases are driven by line 311 from the manifold 331, through the heat exchanger 319 and following turbine rotor input 315. Diesel engine power shaft 33 is the main element for bringing mechanical force to the transmission case 34. [023] Figure 4 shows the graphs of pressure and volumetric displacement that in their union form the combined cycle, a process composed by the combination of two cycles, one Diesel and the other isothermal-adiabatic, where the first cycle, the cycle Diesel is formed by four processes, or also called thermodynamic transformations, being an isobaric process or transformation, two adiabatic processes and an isochoric process, which occur one by one sequentially, but with the integration with other mechanical elements, the processes may vary as in the case of this invention. The introduction of a turbine rotor alters the isocoric process, making it, in short, adiabatic and the final stage of the adiabatic expansion process (4-5), can gain isobaric characteristics and the energy input to the turbine is described as follows. The combustion system 42 performs an isobaric expansion process (3-4). Following expansion, an adiabatic process proceeds (4-5 '), from this point heat transfer occurs to exchanger 319 generating the isobaric segment (5'-5) or depending on the design or regulation parameters. it may be isothermal or adiabatic, or variable, ending the expansion with another adiabatic process (5-2) next to turbine rotor 315. then another adiabatic but compression process (2-3) ending the diesel cycle. The piped energy for the binary cycle turbine engine is defined by process (5'-5) indicated by 43, the piped energy for turbine rotor 315 is defined by process (5-2) indicated by 44.
[024] O ciclo binário 45 é acoplado, integrado ao ciclo Diesel. 41 , de forma que o processo de descarte de energia (5' -5) do ciclo Diesel é a energia de entrada do ciclo binário e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente. A energia descartada do ciclo Diesel forma o processo isotérmico de expansão (a-b), partindo do ponto (b) do ciclo binário ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b- c') da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos ocorrem dois processos isotérmicos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário ocorre um processo de compressão isotérmico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c') ocorre um processo de compressão isotérmico (c'-d') da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isotérmicos de compressão ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d' -a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizando o ciclo binário 45. Portanto, em condições ideais, sem perdas, a energia entra por combustão no ciclo Diesel, indicado por 42, parte da energia descartada 44, alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina 315, parte restante da energia descartada 43 do ciclo Diesel alimenta o ciclo binário 45, a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por 46. [024] Binary cycle 45 is coupled, integrated with the diesel cycle. 41, so that the diesel cycle energy disposal process (5 '-5) is the binary cycle input energy and all the processes that form the binary cycle occur simultaneously. The energy discarded from the diesel cycle forms the isothermal expansion process (ab), starting from point (b) of the binary cycle two processes occur, an adiabatic expansion process (bc) of the binary cycle engine conversion unit and an adiabatic process. (b-c ') of the binary cycle motor adiabatic expansion processes occur two isothermal compression processes, starting from point (c) of the binary cycle occurs an isothermal compression process (cd) of the binary engine power conversion unit and starting from point (c ' ) a process of isothermal compression (c'-d ') of the energy conservation unit, ending the isothermal compression processes two adiabatic compression processes occur, starting from point (d) of the binary cycle an adiabatic compression process (da) of the torque-cycle engine power conversion and an adiabatic compression process (d '-a) of the torque-cycle engine servicing unit, completing torque-cycle 45. Therefore, under ideal, lossless conditions, energy enters combustion in the Diesel cycle, indicated by 42, part of the waste energy 44, is fed by an adiabatic process to a turbine rotor 315, the remaining part of the waste energy 43 of the cycle. clo Diesel feeds the binary cycle 45, the energy discarded from the binary cycle is ideally lossless, the total energy lost, indicated by 46.
[025] A tabela 1 mostra os processos (3-4. 4-5', 5'-5. 5-2. 2-3) que formam o ciclo Diesel quando o mesmo é integrado ao ciclo binário-isotérmico-adiabático, mostrados passo a passo. Table 1 shows the processes (3-4. 4-5 ', 5'-5. 5-2. 2-3) that form the Diesel cycle when it is integrated with the binary-isothermal-adiabatic cycle, shown step by step.
Tabela 1 Table 1
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001
[026] A tabela 2 mostra os sete processos (a-b, b-c, b-c', c-d, c'-d!, d-a, d'-a) que formam o ciclo binário-isotérmico-adiabático não diferencial, mostrados passo a passo, com três processos isotérmicos e quatro processos adiabáticos. Table 2 shows the seven processes (ab, bc, b-c ', cd, c'-d !, Da, d'a) that form the non-differential binary-isothermal-adiabatic cycle shown step by step. step, with three isothermal processes and four adiabatic processes.
Tabela 2 Table 2
Figure imgf000016_0002
A figura 5 mostra o gráfico da pressão e volume do ciclo Diesel ideal, considerando um motor sem acessórios, é um ciclo formado por um processo isobárico de aquecimento pela combustão (3-4). um processo adiabático de expansão (4-5), um processo isocórico de resfriamento (5-2), e um processo adiabático de compressão (2-3). Ao implantar mudanças mecânicas no motor, o acréscimo de uma turbina 315 e um trocador de calor 319, ocorre também uma alteração no ciclo termodinâmico, o processo (5-2) deixa de ser isocórico, pois há uma turbina para movimentar que em conjunto com o trocador de calor 319 e um sistema de controle, produzirá mudanças nesta região do ciclo termodinâmico e esta mudança pode ser variável em função da operação em que o motor estará funcionando. O presente documento propõe uma aproximação considerando os itens essenciais mecânicos e de processos que caracterizam a ideia.
Figure imgf000016_0002
Figure 5 shows the ideal diesel cycle pressure and volume graph, considering an engine without accessories, is a cycle formed by an isobaric combustion heating process (3-4). an adiabatic expansion process (4-5), an isochoric cooling process (5-2), and an adiabatic compression process (2-3). When implanting mechanical changes in the engine, the addition of a 315 turbine and a 319 heat exchanger, there is also a change in the thermodynamic cycle, the process (5-2) is no longer isochoric because there is a turbine to move that together with The 319 heat exchanger and a control system will produce changes in this region of the thermodynamic cycle and this change may vary depending on the operation in which the engine will be running. This paper proposes an approximation considering the mechanical and process essentials that characterize the idea.
[027] O ciclo combinado Diesel com binário-isotérmico-adiabático é a junção de um ciclo chamado Diesel, cujo ciclo é formado por processos que se realizam um a um sequencialmente, com um ciclo binário-isotérmico-adiabático de sete processos os quais se realizam todos simultaneamente e este sistema possui a entrada de energia pela combustão do Diesel, um processo isobárico (3-4), conforme figura 4. indicado em 41 , de expansão e aquecimento representado pela expressão (a). [027] The combined diesel-torque-isothermal-adiabatic cycle is the junction of a cycle called Diesel, whose cycle is formed by one-to-one processes sequentially, with a seven-process binary-isothermal-adiabatic cycle. all perform simultaneously and this system has the energy input by combustion of Diesel, an isobaric process (3-4), as shown in Figure 4. indicated in 41, of expansion and heating represented by the expression (a).
Qi = ^y irqc - T3) (a) Qi = ^ y ir qc - T 3 ) (a)
[028] Na equação (a), (Q,) representa a energia total de entrada no sistema, em "Joule", (n) representa o número de mol pertencendo à unidade ciclo Diesel, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (Τ^) representa a temperatura máxima do gás em "Kelvin" no ponto (4) do processo, figura 4, indicado por 42, (T3) representa a temperatura no ponto (3), inicial do processo isobárico, figura 4, e (y) representa o coeficiente de expansão adiabática. [029] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina principal, o ciclo Diesel, é a energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário somada à energia de alimentação da turbina 315. e a expressão da energia descartada, fornecida às unidades posteriores é representada pela expressão (b), considerando o processo (5'-5) isobárico, dependendo do controle, este processo poderá ser isotérmico ou adiabático. neste caso considerou-se isobárico na equação a seguir.
Figure imgf000018_0001
[028] In equation (a), (Q,) represents the total system input energy, in "Joule", (n) represents the number of mol belonging to the Diesel cycle unit, (R) represents the universal gas constant. (Τ ^) represents the maximum "Kelvin" gas temperature at process point (4), figure 4, indicated by 42, (T 3 ) represents the temperature at isobaric process starting point (3), figure 4, and (y) represents the adiabatic expansion coefficient. [029] Discarding energy not converted to work by the main machine, the Diesel cycle, is the input energy of the secondary, binary-cycle machine plus 315 turbine power and the expression of the discarded energy supplied to the units. later is represented by expression (b), considering the isobaric process (5'-5), depending on the control, this process may be isothermal or adiabatic. In this case, it was considered isobaric in the following equation.
Figure imgf000018_0001
[030] A energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário é representado pela expressão (c), onde (Tq) é a temperatura isotérmica de entrada da unidade de ciclo binário.
Figure imgf000018_0002
[030] The binary cycle secondary machine input energy is represented by the expression (c), where (Tq) is the isothermal input temperature of the binary cycle unit.
Figure imgf000018_0002
[031] A energia de saída da máquina de ciclo Diesel descontado a energia da turbina 315 é igual à energia de entrada da máquina de ciclo binário conforme equação (c).  [031] Diesel cycle machine output energy minus turbine 315 energy is equal to binary cycle machine input energy according to equation (c).
[032] A energia de entrada da turbina 315, (Qt) é um processo adiabático e é representado pela expressão (d).
Figure imgf000018_0003
Turbine input energy 315, (Q t ) is an adiabatic process and is represented by the expression (d).
Figure imgf000018_0003
[033] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina secundária, de ciclo binário, é representada pela expressão (e). Esta. no conceito ideal, é o total de energia descartada ao meio, a qual não realiza trabalho útil.
Figure imgf000019_0001
[033] Discarding energy not converted to work by the secondary, binary-cycle machine is represented by the expression (e). It is. In the ideal concept, it is the total energy discarded in the middle, which does not perform useful work.
Figure imgf000019_0001
[034] O trabalho útil total do sistema ciclo combinado, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (f) abaixo.
Figure imgf000019_0002
[034] The total useful work of the combined cycle system, considering an ideal lossless model, is the difference between input and output of energy and is represented by the expression (f) below.
Figure imgf000019_0002
[035] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo combinado Diesel e binário-isotérmico-adiabático é dada pela expressão (g), considerando que caracterizando que os ciclos combinados de uma máquina
Figure imgf000019_0004
[035] The theoretical final demonstration of the combined diesel-torque-isothermal-adiabatic cycle efficiency is given by the expression (g), whereas characterizing that the combined cycles of a machine
Figure imgf000019_0004
fundamentada no sistema aberto ou fechado com uma máquina fundamentada no sistema híbrido possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa, característica herdada da máquina fundamentada no sistema híbrido, e portanto, não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas.
Figure imgf000019_0003
based on the open or closed system with a hybrid based machine have as efficiency parameter also the number of moles or mass, inherited characteristic of the hybrid based machine, and therefore do not have their efficiencies exclusively temperature dependent.
Figure imgf000019_0003
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES  APPLICATION EXAMPLES
[036] Os motores de ciclos combinados pela integração de uma unidade de ciclo Diesel com um motor fundamentado no sistema híbrido, por exemplo um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático, possui algumas aplicações importantes, a mais óbvia é a sua aplicação em veículos de transportes que utilizam o Diesel como combustível, seja terrestre ou marítimo. A tecnologia de motores fundamentados no sistema híbrido traz inúmeras propriedades que são especialmente interessantes a estes projetos, a flexibilidade quando às temperaturas de operação, a inexistência de uma série de elementos que são obrigatórios nos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, propiciando volume e peso reduzidos, e a controlabilidade, isto é, a capacidade de operar em uma larga faixa de rotação e torque. Portanto a tecnologia de ciclo combinado Diesel com binário se aplica a veículos de carga, caminhões, embarcações, barcos, navios e ao transporte ferroviário. [036] Cycle engines combined by the integration of a Diesel cycle unit with a hybrid-based engine, for example a binary-isothermal-adiabatic cycle turbine engine, have some important applications, the most obvious being their application in transport vehicles using diesel as a fuel, whether on land or sea. Hybrid-based engine technology brings numerous properties that are especially interesting to these designs, the flexibility when operating temperatures, the lack of a number of elements that are required in open and closed-based engines, providing volume and weight. reduced, and controllability, ie the ability to to operate over a wide range of rotation and torque. Therefore torque-combined diesel-cycle technology applies to cargo vehicles, trucks, vessels, boats, ships and rail.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 ) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", caracterizado por ser constituído pela integração de duas máquinas térmicas, dois ciclos termodinâmicos, formando um sistema combinado, sendo um deles uma máquina que opera pelo ciclo Diesel (31 ), integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320). e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados, onde um motor de combustão interna de ciclo Diesel (31) é acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático (320), possuindo o motor de ciclo Diesel um coletor de descarga (331 ) conectado a um trocador de calor (319), o trocador (319) possui uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário que entra em uma válvula proporcional de controle de três vias (326). e esta válvula direciona parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia (322). o rotor de turbina da unidade de conservação (322) conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente (323), onde é realizado o processo isotérmico de compressão, seguindo para o rotor do compressor da unidade de conservação de energia (324), conduzindo o gás com sua energia associada, conservada, para a câmara de expansão isotérmica de aquecimento (319), o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) conduz a sua fração do gás de trabalho para a câmara de resfriamento (328), esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, e o gás entrando no ponto (c) no interior da câmara (328), onde é realizado o processo isotérmico de compressão e resfriamento, seguindo para o rotor do compressor da unidade de conversão de energia (325). e este, retornando o gás à entrada da câmara de expansão isotérmica e de aquecimento (319), completando o ciclo termodinâmico binário-isotérmico- adiabático do sistema, a força mecânica do eixo (327), do motor turbina de ciclo binário, é acoplada ao eixo mecânico principal (33). da unidade de ciclo Diesel por meio de uma caixa de engrenagens de transmissão (34), do motor principal (31), um rotor de turbina (315) é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor (314), e a partir do rotor de turbina (315), o gás segue para uma unidade de controle (312), tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina (315) às câmaras de combustão do motor Diesel via misturador (39), um rotor de compressor (314) é conectado também ao eixo principal do motor de ciclo binário, o qual pressuriza ar do ambiente aspirado via filtro (313), e pressurizando às câmaras de combustão do motor Diesel (31 ). via resfriador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312), para as câmaras de combustão do motor Diesel (31 ), através do distribuidor (32). 1) "DIESEL AND TINARY-ISOTHERMIC-ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR", characterized by the integration of two thermal machines, two thermodynamic cycles, forming a combined system, one of them being a machine operating by the Diesel cycle (31); interconnected to another machine operating on a binary cycle (320). and so that their thermodynamic cycles are also integrated, where a diesel-cycle internal combustion engine (31) is coupled to a binary-isothermal-adiabatic cycle turbine engine (320), the diesel-cycle engine having a discharge manifold. (331) Connected to a heat exchanger (319), the exchanger (319) has a binary cycle working gas circulation line that enters a proportional three-way control valve (326). and this valve directs part of the gas to the turbine rotor of the power converter unit (321) and part of the gas to the turbine rotor of the power conservation unit (322). the turbine rotor of the conservation unit (322) conducts the working gas to the thermally insulated chamber (323), where the isothermal compression process is performed, following to the compressor rotor of the energy conservation unit (324), conducting the gas with its conserved associated energy to the heating isothermal expansion chamber (319), the turbine rotor of the power conversion unit (321) conducts its working gas fraction to the cooling chamber (328). ) is separated from the other cooling systems and is located at the coldest end of the forced air flow of the fan, and the gas entering point (c) inside the chamber (328), where the isothermal compression process is performed. and cooling, following to the compressor rotor of the power conversion unit (325). and by returning the gas to the inlet of the isothermal expansion and heating chamber (319), completing the binary-isothermal-adiabatic thermodynamic cycle of the system, the mechanical force of the shaft (327) of the binary cycle turbine engine is coupled. to the main mechanical shaft (33). of cycle unit By means of a transmission gearbox (34) of the main engine (31), a turbine rotor (315) is connected to the main shaft of the torque-cycle engine with the function of driving the compressor rotor (314). ), and from the turbine rotor (315), the gas flows to an exhaust gas circulation control unit (312), type (EGR), with the function of directing part of turbine (315) to the combustion chambers of the diesel engine via mixer (39), a compressor rotor (314) is also connected to the main shaft of the binary cycle engine, which pressurizes air from the suction environment via filter (313), and pressurizing the combustion chambers of the diesel engine (31). via the cooler (36) and mixer (39) by injecting them together with the portion of the combustion gas from the control element (EGR) (312) into the combustion chambers of the diesel engine (31) via the distributor (32). ).
2) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído pela integração de duas máquinas térmicas, dois ciclos termodinâmicos, formando um sistema combinado, sendo um deles uma máquina que opera pelo ciclo Diesel (31 ). integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320), e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados. 2) "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it consists of the integration of two thermal machines, two thermodynamic cycles, forming a combined system, one of which is a machine that operates by the diesel cycle (31). interconnected to another machine operating on a binary cycle (320), and so that its thermodynamic cycles are also integrated.
3) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser constituído por um motor de combustão interna de ciclo Diesel (31 ), acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático (320). 3) "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE ENGINE" according to claims 1 and 2, characterized in that it consists of a diesel-cycle internal combustion engine (31) coupled to a binary-cycle turbine engine isothermal adiabatic (320).
4) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um motor de ciclo Diesel (31) com um coletor de descarga (331 ) conectado a um trocador de calor (319), e o trocador (319) possui uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário. 5) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por uma válvula proporcional de controle de três vias (326), conectada ao trocador de calor (319), e esta válvula direciona parte do gás vindo do trocador (319) para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia (322). 4) "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it consists of a diesel cycle engine (31) with a discharge manifold (331) connected to a heat exchanger 319, and exchanger 319 has a binary cycle working gas circulation line. 5) "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it comprises a proportional three-way control valve (326) connected to the heat exchanger (319), and This valve directs part of the gas from the exchanger (319) to the turbine rotor of the power conversion unit (321) and part of the gas to the turbine rotor of the energy conservation unit (322).
6) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina da unidade de conservação (322) o qual conduz o gás de trabalho para a câmara isolada termicamente (323), onde é realizado o processo isotérmico de compressão. 6. "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it consists of a conservation unit turbine rotor which conducts the working gas to the insulated chamber. thermally (323), where the isothermal compression process is performed.
7) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um rotor do compressor da unidade de conservação de energia (324) ligado à saída da câmara isolada (323). com a função de conduzir o gás com sua energia associada, conservada, para a câmara de expansão isotérmica de aquecimento (319). 7. "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it consists of a compressor of the energy conservation unit (324) connected to the outlet of the isolated chamber (323). . with the function of conducting the gas with its conserved associated energy into the isothermal expansion chamber (319).
8) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) com a função de conduzir a sua fração do gás de trabalho para a câmara de resfriamento (328), esta separada dos demais sistemas de resfriamento e arrefecimento e situada no extremo mais frio do fluxo do ar forçado da ventoinha, e o gás entrando no ponto (c) no interior da câmara (328), onde é realizado o processo isotérmico de compressão e resfriamento. 8. "DIESEL AND TINARY-ISOTHERMIC-ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it consists of a turbine rotor of the power conversion unit (321) to drive its fraction of the working gas for the cooling chamber (328), is separated from the other cooling and cooling systems and is located at the coldest end of the forced fan air flow, and the gas entering point (c) inside the cooling chamber (328) ), where the isothermal compression and cooling process is performed.
9) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um rotor do compressor da unidade de conversão de energia (325), e este com a função de conduzir o gás à entrada da câmara de expansão isotérmica e de aquecimento (319), completando o ciclo termodinâmico binário-isotérmico-adiabático do sistema. 9. "DIESEL AND BINARY ISOTHERMIC ADIABATHIC CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it is consisting of a compressor rotor of the energy conversion unit (325), which is designed to drive the gas into the isothermal expansion and heating chamber (319), completing the binary-isothermal-adiabatic thermodynamic cycle of the system .
10) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um eixo de força mecânica (327), conectado direta ou indiretamente a todos os rotores de compressão e de turbina, (314), (315), (321 ), (322), (324) e (325), e este eixo é acoplado ao eixo mecânico principal (33), do motor principal (31 ), da unidade de ciclo Diesel por meio de uma caixa de engrenagens de transmissão (34). 10) "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to Claim 1, characterized in that it consists of a mechanical power shaft (327) connected directly or indirectly to all compression and turbine rotors. , (314), (315), (321), (322), (324) and (325), and this axis is coupled to the main mechanical shaft (33) of the main engine (31) of the Diesel cycle unit. by means of a transmission gearbox (34).
11 ) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um rotor de turbina (315) conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor (314). 11. "DIESEL AND TINARY-ISOTHERMIC-ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it consists of a turbine rotor (315) connected to the main shaft of the binary cycle motor, with the function of driving the compressor rotor (314).
12) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por uma unidade de controle (312), tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina (315) às câmaras de combustão do motor Diesel via misturador (39). 12) "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it comprises an exhaust gas circulation control unit (312) with the function of directing part of the turbine rotor outlet gases (315) to the combustion chambers of the diesel engine via mixer (39).
13) "MOTOR DE CICLO COMBINADO DIESEL E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um rotor de compressor (314) conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de pressurizar ar do ambiente aspirado via filtro (313). e pressurizando às câmaras de combustão do motor Diesel (31 ), via resfriador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312). para as câmaras de combustão do motor Diesel (31), através do distribuidor (32). 14) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", para efetuar o clico combinado dos motores das reivindicações 1 a 13, caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Diesel e outro binário-isotérmico- adiabático. onde o primeiro ciclo, o ciclo Diesel, com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento, a introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, tornando -o, em síntese, adiabático e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), pode ganhar características isobáricas sendo descritas da seguinte forma, a energia de entrada no sistema pela combustão (42), executa um processo de expansão isobárica (3-4), na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5'), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador (319) gerando o segmento isobárico (5' -5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou adiabático, ou variável entre adiabático e isobárico, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315), em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Diesel, a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5' -5) indicado por (43), a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo (5-2) indicado por (44).o ciclo binário (45) é acoplado, integrado ao ciclo Diesel (41 ), de forma que o processo de descarte de energia (5' -5) do ciclo Diesel é a energia de entrada do ciclo binário, e este forma o processo isotérmico de expansão (a-b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente, partindo do ponto (b) do ciclo binário ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b-c') da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos ocorrem dois processos isotérmicos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário ocorre um processo de compressão isotérmico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c') ocorre um processo de compressão isotérmico (c!-d!) da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isotérmicos de compressão ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário ocorre um processo adiabático de compressão (d-a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d' -a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário finalizando o ciclo binário (45), portanto, em condições ideais, sem perdas, a energia (42) entra por combustão no ciclo Diesel (41 ), parte da energia descartada (44), alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, (315), outra parte da energia descartada do ciclo Diesel (43), alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46). 13. "DIESEL AND BINARY-ISOTHERMIC-ADIABATHIC COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 1, characterized in that it consists of a compressor rotor (314) connected to the main shaft of the binary cycle motor, with the function of pressurizing ambient air drawn in via the filter (313). and pressurizing the combustion chambers of the diesel engine (31) via the cooler (36) and mixer (39), injecting them together with the portion of the combustion gas from the control element (EGR) (312). into the combustion chambers of the diesel engine (31) via the distributor (32). 14) "CONTROL PROCEDURE FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE ENGINE CYCLE CONTROL" to perform the combined engine cycle of claims 1 to 13, characterized by a process consisting of the combination of two cycles, one Diesel and one torque-isothermal-adiabatic . where the first cycle, the Diesel cycle, with the integration with other mechanical elements, the processes may vary as in the case of this invention, the introduction of a turbine rotor alters the isochoric process, making it, in synthesis, adiabatic and the step. At the end of the adiabatic expansion process (4-5), it can gain isobaric characteristics and is described as follows: The input energy into the system by combustion (42) performs an isobaric expansion process (3-4), following this. expansion proceeds with an adiabatic process (4-5 '), from this point heat transfer to the exchanger (319) occurs generating the isobaric segment (5' -5) or depending on the design or regulation parameters, this may be isothermal or adiabatic, or variable between adiabatic and isobaric, ending the expansion with another adiabatic process (5-2) next to the turbine rotor (315), then another adiabatic but compression process (2-3) ends. In the Diesel cycle, the piped energy for the binary cycle turbine engine is defined by process (5 '-5) indicated by (43), the piped energy for the turbine rotor (315) is defined by process (5-2). ) indicated by (44) .The torque cycle (45) is coupled, integrated with the Diesel cycle (41), so that the power cycle (5 '-5) of the Diesel cycle is the binary cycle input energy , and this forms the isothermal expansion process (ab), and all processes that form the binary cycle occur simultaneously, starting from point (b) of the binary cycle two processes occur, an adiabatic expansion process (bc) of the conversion unit. of the binary cycle motor and an adiabatic expansion process (b-c ') of the binary cycle motor conservation unit, finished adiabatic expansion processes occur two isothermal compression processes, starting from point (c) of the binary cycle occurs isothermal compression process (cd) of the engine power conversion unit torque and starting from point (c ') there is an isothermal compression process (c ! -d ! ) of the energy conservation unit, ending the isothermal compression processes occur two adiabatic compression processes, starting from point (d) of the cycle torque occurs an adiabatic compression process (da) of the binary cycle motor power conversion unit and an adiabatic compression process (d '-a) of the binary cycle engine servicing unit ending the binary cycle (45), therefore, under ideal, lossless conditions, the energy (42) enters combustion in the diesel cycle (41), part of the discarded energy (44), by an adiabatic process feeds a turbine rotor, (315), another part of the energy Discarded from the Diesel cycle (43), feeds the binary cycle, and the discarded energy from the binary cycle is ideally lossless, the total energy lost, indicated by (46).
15) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Diesel e outro binário-isotérmico-adiabático e com a união deles formam o ciclo combinado, onde o primeiro ciclo, o ciclo Diesel, com a integração de elementos mecânicos, rotores de turbinas e trocadores de calor, os processos se modificam de forma que o processo isocórico ganha características adiabáticas (5-2) e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5). obtém características isobáricas (5'-5). 15. "CONTROL PROCEDURE FOR THE COMBINED CYCLE ENGINE THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that a process consisting of the combination of two cycles, one Diesel and the other isothermal-adiabatic, and the union thereof the combined cycle, where the first cycle, the diesel cycle, with the integration of mechanical elements, turbine rotors and heat exchangers, the processes change so that the isochoric process gains adiabatic characteristics (5-2) and the final stage adiabatic expansion process (4-5). obtain isobaric characteristics (5'-5).
16) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia de entrada no sistema pela combustão (42), executa um processo de expansão isobárica (3-4). 16. "CONTROL PROCESS FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that a process wherein the input energy into the system by combustion (42) performs an isobaric expansion process (3- 4).
17) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após a expansão isobárica (3-4), a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5!), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador (319) gerando o segmento isobárico (5'-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou adiabático, ou variável assumindo propriedades de ambos dinamicamente. 17) "CONTROL PROCESS FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that after an isobaric expansion (3-4), the expansion proceeds with an adiabatic process (4-5). ! ) from this At this point heat transfer occurs to the exchanger (319) generating the isobaric segment (5'-5) or depending on the design or regulation parameters, this may be isothermal or adiabatic, or variable assuming properties of both dynamically.
18) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática, isotérmica ou isobárica (5 -5), a expansão prossegue, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315). 18. "CONTROL PROCEDURE FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that after the adiabatic, isothermal or isobaric expansion process (5 -5), expansion proceeds, ending expansion with another adiabatic process (5-2) near the turbine rotor (315).
19) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática (5-2) junto ao rotor de turbina (315), ainda dentro do ciclo Diesel, ocorre outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Diesel. 19) "CONTROL PROCEDURE FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that after the adiabatic expansion process (5-2) next to the turbine rotor (315), Within the Diesel cycle, another adiabatic process occurs, but of compression (2-3) ending the Diesel cycle.
20) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5' -5) do ciclo Diesel indicado por (43). 20) "CONTROL PROCEDURE FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that a process where the piped energy to the binary cycle turbine motor is defined by the process (5 '-5) of the Diesel cycle indicated by (43).
21 ) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo adiabático (5-2) indicado por (44). 21. "CONTROL PROCEDURE FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that a process where the energy channeled to the turbine rotor (315) is defined by the adiabatic process (5-2) indicated by (44).
22) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo tal que o ciclo binário (45) é acoplado, integrado ao ciclo Diesel. (41), de forma que o processo de descarte de energia (5'-5) do ciclo Diesel, é a energia de entrada do ciclo binário (45), e forma o processo isotérmico de expansão (a-b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente. 22. "CONTROL PROCEDURE FOR THE COMBINED CYCLE ENGINE THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that a process such that the binary cycle (45) is coupled, integrated with the diesel cycle. (41), so that the process of energy disposal (5'-5) of the Diesel cycle, is the input energy of the binary cycle (45), and forms the isothermal expansion process (ab), and all processes that form the binary cycle occur simultaneously.
23) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão isotérmica (a-b), partindo do ponto (b) do ciclo binário, ocorrem dois processos, um processo adiabático de expansão (b-c) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de expansão (b-c') da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizado os processos de expansão adiabáticos. 23) "CONTROL PROCESS FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that a process whereby after the isothermal expansion process (ab) starting from point (b) of the binary cycle occurs two processes, an adiabatic expansion process (bc) of the binary cycle engine power conversion unit and an adiabatic expansion process (b-c ') of the binary cycle engine servicing unit, completed adiabatic expansion processes .
24) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após os processos (b-c) e (b-c'), ocorrem dois processos isotérmicos de compressão, partindo do ponto (c) do ciclo binário, ocorre um processo de compressão isotérmico (c-d) da unidade de conversão de energia do motor binário e partindo do ponto (c'), ocorre um processo de compressão isotérmico (c'-d:) da unidade de conservação de energia, finalizando os processos isotérmicos de compressão. 24) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE COMBINED CYCLE MOTOR" according to claim 14, characterized in that after processes (bc) and (b-c '), two isothermal compression processes occur, starting from point (c) of the torque cycle, occurs an isothermal compression process (DC) of the power conversion unit and the motor torque from the point (C ') is an isothermal compression process (c'-d:) energy conservation unit, finalizing the isothermal compression processes.
25) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após os processos (c-d) e (c'-d'), ocorrem dois processos adiabáticos de compressão, partindo do ponto (d) do ciclo binário, ocorre um processo adiabático de compressão (d -a) da unidade de conversão de energia do motor de ciclo binário e um processo adiabático de compressão (d'-a) da unidade de conservação do motor de ciclo binário, finalizando o ciclo binário (45). 25) "CONTROL PROCEDURE FOR THE COMBINED CYCLE MOTOR THERMODYNAMIC CYCLE" according to claim 14, characterized in that after processes (cd) and (c'-d '), two adiabatic compression processes occur starting from point (d) of the binary cycle, there is an adiabatic compression process (d-a) of the binary cycle engine power conversion unit and an adiabatic compression process (d'-a) of the torque motor, ending the torque cycle (45).
26) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo que em condições ideais, sem perdas, a energia (42) entra por combustão no ciclo Diesel (41 ), parte da energia descartada, (44), alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina. (315). outra parte da energia (43), descartada do ciclo Diesel (41 ), alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46). 26) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF COMBINED CYCLE ENGINE "according to claim 14, characterized in that a process which under ideal conditions, without loss, energy (42) enters combustion in the diesel cycle (41), part of the discarded energy, (44), feeds by an adiabatic process a turbine rotor (315), another part of the energy (43), discarded from the Diesel cycle (41), feeds the binary cycle, and the discarded energy of the binary cycle is, ideally without losses, the same. total energy lost, indicated by (46).
PCT/BR2018/050126 2017-04-26 2018-04-24 Combined diesel and binary isothermal-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine WO2018195630A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BRBR102017008573-2 2017-04-26
BR102017008573-2A BR102017008573A2 (en) 2017-04-26 2017-04-26 diesel and torque-isothermal-adiabatic combined cycle engine and process control for thermodynamic cycle of combined cycle engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018195630A1 true WO2018195630A1 (en) 2018-11-01

Family

ID=63917822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/BR2018/050126 WO2018195630A1 (en) 2017-04-26 2018-04-24 Combined diesel and binary isothermal-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine

Country Status (2)

Country Link
BR (1) BR102017008573A2 (en)
WO (1) WO2018195630A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020026215A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-06 Saulo Finco Integrated internal-combustion engine formed by an otto-cycle main unit and a secondary unit with pistons and control process for the thermodynamic cycle of the engine

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020062646A1 (en) * 2000-10-06 2002-05-30 Giancarlo Dellora Turbocompound internal combustion engine
DE19516971B4 (en) * 1994-05-13 2006-07-06 Scania Cv Ab Internal combustion engine in turbocompound design with exhaust brake
US20070214786A1 (en) * 2006-03-20 2007-09-20 Stephan Arndt Internal combustion engine and method of operating the engine
EP1903197A2 (en) * 2006-07-27 2008-03-26 Iveco S.p.A. Engine with energy recovery and catalytic exhaust gas treatment process
DE102007052118A1 (en) * 2007-10-30 2009-05-07 Voith Patent Gmbh Power transmission controlling method for power train of e.g. lorry, involves interrupting power transmission in turbo-compound system within range of rotational speed-torque-values depending on detected rotational speed and detected torque
CN104329148A (en) * 2014-09-30 2015-02-04 东风商用车有限公司 Two-level power turbine system
JP2016176419A (en) * 2015-03-20 2016-10-06 株式会社豊田自動織機 Internal combustion engine

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19516971B4 (en) * 1994-05-13 2006-07-06 Scania Cv Ab Internal combustion engine in turbocompound design with exhaust brake
US20020062646A1 (en) * 2000-10-06 2002-05-30 Giancarlo Dellora Turbocompound internal combustion engine
US20070214786A1 (en) * 2006-03-20 2007-09-20 Stephan Arndt Internal combustion engine and method of operating the engine
EP1903197A2 (en) * 2006-07-27 2008-03-26 Iveco S.p.A. Engine with energy recovery and catalytic exhaust gas treatment process
DE102007052118A1 (en) * 2007-10-30 2009-05-07 Voith Patent Gmbh Power transmission controlling method for power train of e.g. lorry, involves interrupting power transmission in turbo-compound system within range of rotational speed-torque-values depending on detected rotational speed and detected torque
CN104329148A (en) * 2014-09-30 2015-02-04 东风商用车有限公司 Two-level power turbine system
JP2016176419A (en) * 2015-03-20 2016-10-06 株式会社豊田自動織機 Internal combustion engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020026215A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-06 Saulo Finco Integrated internal-combustion engine formed by an otto-cycle main unit and a secondary unit with pistons and control process for the thermodynamic cycle of the engine

Also Published As

Publication number Publication date
BR102017008573A2 (en) 2018-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Su et al. Performance analysis and multi-objective optimization of an integrated gas turbine/supercritical CO2 recompression/transcritial CO2 cogeneration system using liquefied natural gas cold energy
US8707701B2 (en) Ultra-high-efficiency engines and corresponding thermodynamic system
WO2022166384A1 (en) Carbon dioxide gas-liquid phase change-based energy storage apparatus capable of converting heat energy into mechanical energy
BR112016019829B1 (en) METHOD FOR GENERATING ENERGY IN A SYSTEM THAT INCLUDES A SUPERCRITICAL FLUID CYCLE AND SYSTEM CONFIGURED TO GENERATE ENERGY
EA014465B1 (en) A heat engine system
Wojewoda et al. Numerical model and investigations of the externally heated valve Joule engine
WO2010048100A2 (en) Ultra-high-efficiency engines and corresponding thermodynamic system
WO2018195630A1 (en) Combined diesel and binary isothermal-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
WO2018195631A1 (en) Combined otto and binary isobaric-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
WO2018195633A1 (en) Combined atkinson or miller and binary isobaric-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
WO2018195634A1 (en) Combined atkinson or miller and binary isothermal-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
WO2018195629A1 (en) Combined diesel and binary isobaric-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
WO2018195632A1 (en) Combined otto and binary isothermal-adiabatic cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
WO2018195636A1 (en) Combined diesel and regenerative differential isobaric-isochoric cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
WO2018195635A1 (en) Combined diesel and regenerative differential isothermal-isochoric cycle engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle engine
CN210105937U (en) Cold and hot electric antithetical couplet device of LNG power ship
WO2018195628A1 (en) Combined brayton and binary isothermal-adiabatic cycle turbine engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle turbine engine
WO2018195627A1 (en) Combined brayton and binary isobaric-adiabatic cycle turbine engine and process for controlling the thermodynamic cycle of the combined cycle turbine engine
Al-Tameemi Thermal analysis of combined Organic Rankine-Vapour compression system for heating and cooling applications
Spale et al. Experimental investigation of combustion engine with novel jacket and flue gas heat recovery
WO2020024034A1 (en) Integrated internal-combustion engine formed by a diesel-cycle main unit and a secondary unit with pistons and control process for the thermodynamic cycle of the engine
BR102018068525A2 (en) BRAYTON INTEGRATED CYCLE TURBINE ENGINE WITH REGENERATIVE CLOSED CIRCUIT FOR GENERATION FROM HELIOTHERMAL OR THERMONUCLEAR SOURCE AND CONTROL PROCESS FOR THE ENGINE THERMODYNAMIC CYCLE
BR102018016747A2 (en) THERMAL POTENTIAL TRANSFORMER
WO2018195622A1 (en) Binary-cycle turbine engine comprising three isothermal processes and four adiabatic processes and a method for controlling the thermodynamic cycle of the turbine engine
WO2020026215A1 (en) Integrated internal-combustion engine formed by an otto-cycle main unit and a secondary unit with pistons and control process for the thermodynamic cycle of the engine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18791277

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18791277

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1