WO2018195632A1 - Motor de ciclo combinado otto e binário-isotérmico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado - Google Patents

Motor de ciclo combinado otto e binário-isotérmico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado Download PDF

Info

Publication number
WO2018195632A1
WO2018195632A1 PCT/BR2018/050129 BR2018050129W WO2018195632A1 WO 2018195632 A1 WO2018195632 A1 WO 2018195632A1 BR 2018050129 W BR2018050129 W BR 2018050129W WO 2018195632 A1 WO2018195632 A1 WO 2018195632A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cycle
binary
otto
adiabatic
motor
Prior art date
Application number
PCT/BR2018/050129
Other languages
English (en)
French (fr)
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 WO2018195632A1 publication Critical patent/WO2018195632A1/pt

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/04—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B73/00—Combinations of two or more engines, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a combined cycle thermal motor formed by a unit operating with the Otto cycle interconnected and integrated with the other unit operating with the binary cycle of three isothermal processes and four adiabatic processes.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and leave this system.
  • closed thermodynamic systems external combustion engines such as Stiriing cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with closed circuit working fluid, Brayton heat cycle or external combustion, Carnot cycle.
  • the energies that come out of this system are the working mechanical energy and part of the heat dissipated, but no matter comes out of these systems, as they do in the open system.
  • Combined-cycle motors known to date were invented and designed by uniting in the same system two idealized motor concepts in the nineteenth century, based on open thermodynamic systems or closed thermodynamic systems, the best known are the combined cycles of an engine. Brayton cycle engine with a Rankine cycle engine and the combined cycle of a Diesel cycle engine with a Rankine cycle engine.
  • the basic concept of a combined cycle is a system composed of a motor operating by means of a temperature source so that the heat rejection 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.
  • 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).
  • ORC Rankine cycle engine
  • 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.
  • the aim of the invention is to eliminate some of the existing problems, to mitigate other problems and to offer new possibilities.
  • a new concept of thermal motors has become indispensable and the creation of new motor cycles.
  • engine efficiency is no longer dependent solely on temperatures.
  • Combined-cycle motors are characterized by having two separate thermodynamic units integrated forming a system such that the energy discarded by the main unit is the power source of the secondary unit and both have an integration of the final mechanical work.
  • thermodynamic unit formed by an Otto31 cycle motor, which performs a four process Otto cycle and a binary-isothermal-adiabatic cycle turbine motor 320, which performs a three isothermal process cycle and four adiabatic processes, and so that the input energy, by combustion, performs an isocoric heating and compression process on the Otto cycle unit, an isochoric cooling process when exhaust goes straight to the environment or isobaric, isothermal or adiabatic when using If exchangers for other purposes, which provide 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 as a whole has not converted to work, and so that both cycles have a common final work conversion.
  • the present invention brings important developments for the conversion of thermal energy into 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.
  • Combined-cycle motors based on motor integration cycle engines 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 a closed-loop gas engine, considering the complete system, this concept Closed-circuit working gas with respect to the external environment indicates that the system must be sealed, or in some cases leaks may be permitted provided they are compensated. Suitable materials for this technology should be noted, which are similar in this respect to Brayton, Stiriing 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.
  • Figure 1 demonstrates in block diagram a current combined cycle system formed by an Otto cycle unit with a Rankine cycle unit. Systems designed with this philosophy today are used to improve mechanical and energy efficiency in traction systems, vehicles;
  • Figure 2 demonstrates in block diagram a combined cycle system designed based on the new thermodynamic system concept formed by a known Otto cycle unit with a binary-isothermal-adiabatic cycle unit. Theoretically, systems designed with this The philosophy of mechanical force generation will be superior to the 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 exchange of the physical state of the fluid. work is a significant item, the energy conservation process provided by the conservation subsystem belonging to the binary cycle reinforces the possibilities of increasing overall efficiency;
  • Figure 3 is a diagram of a system composed of an Otto31 cycle engine with a binary-isothermal-adiabatic cycle turbine engine 320 forming the combined cycle Otto and torque;
  • Figure 4 shows the Otto 41 cycle pressure and volumetric displacement graph curves and the binary-isothermal ico-adiabatic cycle pressure and volumetric graph curves 45 respectively;
  • Figure 5 shows the conventional Otto cycle with two isocoric processes and two adiabatic processes.
  • the Otto-torque-isothermal-adiabatic combined-cycle engine is a system composed of an open thermodynamic system-based engine concept, an Otto-cycle internal combustion engine, designed in the 19th century, with a system-based engine.
  • thermodynamic hybrid the non-differential ico-adiabatic binary-isothermal cycle, idealized in the 21st century, so that the energy discarded by the first, the Otto cycle internal combustion engine, is the energy that drives the second, the binary cycle engine .
  • Figure 3 shows the system featuring an Otto and torque-isothermal-adiabatic combined-cycle engine.
  • This system consists of a machine that operates on the Otto cycle, integrated, interconnected with another machine that operates on a binary cycle and so that its cycles thermodynamics are also integrated as shown in Figure 4.
  • the system of Figure 3 shows an Otto 31 cycle internal combustion engine coupled to a binary-isothermal-adiabatic cycle turbine engine 320.
  • the Otto cycle engine has its discharge manifold 331.
  • the turbine rotor of the power conversion unit 321 conducts its fractionation of the working gas from the control valve 326 to the isothermal cooling chamber 328, it is separated from the other cooling and cooling systems and located at the cooler end of the forced air flow of the fan, that is, at the outermost point of the engine bordering the environment, and the gas entering point (c) inside the chamber 328, where the isothermal compression process is performed and cooling, 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 chamber and heating 319, already with the temperature (Tq) completing the binary thermodynamic cycle of the system.
  • a compressor rotor 314 which pressurizes ambient air into the Otto engine combustion chambers.
  • air 317 first passes through filter 313, enters compressor rotor 314, passes through a chiller 36 and from there to mixer 39 which mixes pressurized air with part of the combustion gases and injects them into the chambers. engine combustion Otto 31.
  • FIG. 3 also shows the main elements that make up an Otto 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 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 328 heat exchanger, unlike other Otto engine needs.
  • Heat exchanger 36 is used for cooling pressurized air by compressor 314.
  • Another heat exchanger, radiator 35 is the main cooling element of the Otto engine, hydraulic and electrical 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 engine on internal combustion to keep it in safe thermal conditions, aided by a thermostat-type sensor 38 for temperature control.
  • Mixing pressurized air with part of the exhaust gas occurs in mixer 39 and proceeds to a distributor 32 which injects into the combustion chambers of the Otto 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.
  • Otto engine power shaft 33 is the main element for bringing mechanical force to the transmission case 34.
  • 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 Eight and the other isothermal-adiabatic, where the first cycle, the Otto cycle is formed by four processes, or also called thermodynamic transformations, being two isochoric processes and two adiabatic processes, which occur one by one sequentially, but with 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 step of the adiabatic expansion process (4-5), can gain isobaric characteristics by describing the energy input to the
  • the combustion system 42 performs an isochoric compression and heating process (3-4), following which expansion proceeds with an adiabatic process (4-5 '), from this point heat transfer to the exchanger 319 occurs.
  • 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.
  • Binary cycle 45 is coupled, integrated with cycle Otto, 41, so that the energy disposal process (5'-5) of the Otto cycle is the binary cycle input energy, and all processes that form the binary cycle occur simultaneously.
  • the energy discharged from the Otto 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 motor conversion unit and an adiabatic process.
  • Table 1 shows the processes (3-4, 4-5 ', 5'-5, 5-2, 2-3) that form the Otto cycle when it is integrated with the adiabatic binary-isothermal cycle, shown step by step.
  • Table 2 shows the seven processes (ab, bc, bc ⁇ cd, c'-a ', da, d'a) that form the non-differential binary-isothermal-adiabatic cycle shown step by step with three isothermal processes and four adiabatic processes.
  • Figure 5 shows the graph of pressure and volume of the optimal Otto cycle, considering a motor without accessories, is a cycle formed by an isocoric combustion heating and compression process (3-4), an adiabatic expansion process (4-5). ), an isocoric cooling process (5-2), and an adiabatic compression process (2-3).
  • the combined Otto-binary isothermal-adiabatic cycle is the junction of a cycle called Otto, 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 input of energy by the combustion of Otto, an isochoric process (3-4), according to figure 4, indicated in 41, heating and compression represented by the expression (a).
  • (Qi) represents the total system input energy, in "Joule”, (/?) Represents the number of mol belonging to the Otto cycle unit, (R) represents the universal gas constant (Tqc) represents the maximum gas temperature in "Kelvin” at process point (4), figure 4, indicated by 42, (7 3 ) represents the temperature at the initial point (3) of the isochoric process, figure 4 , and ( ⁇ ) represents the adiabatic expansion coefficient.
  • 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.
  • (Tq) is the isothermal input temperature of the binary cycle unit.
  • the output energy of the Otto cycle machine minus the turbine energy 315 is equal to the input energy of the binary cycle machine according to equation (c).
  • Turbine input energy 315, (Qt) is an adiabatic process and is represented by the expression (d).
  • Combined-cycle engines by integrating an Otto 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 the Otto cycle and gasoline or alcohol as fuel.
  • Hybrid-based engine technology brings numerous properties that are especially interesting to these designs, the flexibility when operating temperatures, the absence of a number of elements that are required in open and closed-based engines, providing volume and weight. reduced, and controllability, that is, the ability to operate over a wide range of rotation and torque. Therefore the combined cycle technology Otto with torque applies to vehicles, automobiles.

Abstract

Refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Otto interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isotérmicos e quatro processos adiabáticos.

Description

"MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO"
CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO
[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de ciclo combinado formado por uma unidade operando com o ciclo Otto interligado e integrado à outra unidade operando com o ciclo binário de três processos isotérmicos e quatro processos adiabáticos.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente.
[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.
[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e 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.
[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 Stiriíng, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot.A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.
[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, toda a massa do gás de trabalho é exposta à energia de entrada, calor ou combustão e toda ela também, é exposta ao resfriamento ou arrefecimento, isto é, a massa do gás de trabalho é constante em seus processos e a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa de gás de trabalho atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa permanece no sistema.
O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA
[007] Os motores de ciclo combinado conhecidos até o presenteforam inventados e projetados unindo-se no mesmo sistema dois conceitos de motores idealizados no século XIX, fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, os mais conhecidos são os ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo Rankine e o ciclo combinado de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo Rankine. [008] O conceito básico de um cicio combinado é um sistema composto por um motor operante por meio de uma fonte de temperatura aita de forma que o rejeito de calor deste motor é a energia que move um segundo motor que requeira uma temperatura mais baixa de operação, ambos formando um sistema combinado de conversão de energia térmica em energia mecânica para um mesmo fim comum.
[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton ou ciclo Diesel que funciona com uma fonte principal com temperatura superior a 1000 °C e com gases de exaustão na faixa entre 600 °C e 700 °C e estes gases por sua vez são canalizados para alimentar outro motor de ciclo Rankine, geralmente "Rankine orgânico" (ORC). O ciclo Rankine convencional tem como fluido de trabalho a água, o ciclo Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos, estes são mais adequados para projetos em temperaturas menores que os projetos com o ciclo Rankine convencional, portanto normalmente são utilizados nos ciclos combinados.
[010] Algumas das principais desvantagens dos ciclos combinados atuais, considerando a segunda máquina um motor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico são a troca do estado físico do fluido de trabalho, isto é, há uma fase líquida exigida pelos processos do ciclo termodinâmico que deve ser controlada, e a energia do aquecimento da fase líquida e da fase latente, de troca de estado, não podem ser convertidas em energia útil de trabalho, são perdas impostas pelo conceito Rankine. Este sistema exige itens do motor que implicam em mais processos, mais peso, mais controle e mais perdas, são necessários reservatórios do líquido, reservatório para geração de vapor, trocador do tipo resfriador para condensação, reservatório para condensação, bomba para vazão do fluido no estado líquido, válvulas de controle dos processos de estado líquido e gasoso. Este conjunto de particularidades implicam em peso adicional, volume adicional, perdas térmicas adicionais, redução da eficiência global e por consequência, índices de poluição maiores, custos de implementação maiores e menores índices de sustentabilidade nestes projetos.
[011] O estado atua! da técnica, a partir de 2011 , revelou um novo conceito de sistema termodinâmico, o chamado sistema termodinâmico híbrido, e este novo conceito de sistema passou a ser a base de sustentação para novos ciclos motores, os motores de ciclos diferenciais e os motores de ciclos binários não diferenciais de forma que estes novos ciclos motores possuem vantagens significativas para a criação de novos ciclos combinados. Podem ser exemplificados ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Brayton com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo binário, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo diferencial, motor de ciclo Otto com um motor de ciclo binário e algumas outras variações.
OBJETiVOS DA INVENÇÃO
[012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos combinados se encontram justamente na segunda unidade que formam os sistemas, este, geralmente é uma máquina de ciclo Rankine, uma máquina antiga, cujos processos termodinâmicos impõem perdas através da necessidade de troca do estado físico do fluido de trabalho, do calor de aquecimento da fase líquida, do calor de transformação, calor latente, das unidades mecânicas, reservatórios, sistemas de válvulas, condensadores, bombas que agregam peso, volume, perdas e custos.
[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, m inim izar 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 cicios diferenciais e cicios binários, característica própria que fundamenta este novo conceito de ciclo combinado, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura. A eliminação da necessidade da troca do estado físico dos fluidos de trabalho passa a ser representativo para reduzir volume, peso e custo das máquinas. Portanto o ciclo combinado formado por uma unidade de ciclo Otto com uma unidade de ciclo binário-isotérmico-adiabático constitui uma evolução importante, viável para o futuro dos sistemas formados por ciclos combinados.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[014] Os motoresde cicloscom binados são caracterizados por possuírem duas unidades termodinâmicas distintas integradas formando um sistema de forma que a energia descartada pela unidade principal é a fonte de energia da unidade secundária e ambos possuem uma integração do trabalho mecânico final.
[015] O conceito presente considera uma unidade termodinâmica formada por um motor de ciclo Otto31 , o qual executa um ciclo Otto de quatro processos e um motor turbina de ciclo binário-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 isocórico de aquecimento e compressão na unidade de ciclo Otto, um processo de resfriamento isocórico quando a exaustão vai direto ao ambiente ou isobárico, isotérmico 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 formaque ambos os ciclos tenham uma conversão em trabalho final comum. Portanto trata-se de motoresde ciclos combinados completamente distintos dos motores e ciclos combinados atuais, os quais são baseados única e exclusivamente nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 3 é mostrado o conceito gera! do invento e na figura 4 são mostrados os gráficos coma integração de ambos os cicios termodinâmicos formando o ciclo combinado. Aiém da combinação do cicio Otto e binário, a presente invenção considera ainda o emprego de uma turbina auxiliar 315 para executar trabalho por meio de um processo adiabático com a energia residual e um compressor 314 para pressurização do ar nas câmaras de combustão do motor de combustão interna Otto.
[016] A presente invenção traz evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânicapelo conceito da combinação de dois ciclos termodinâmicos distintos. A imensa maioria de ciclos combinados tem como máquina secundária um motor turbina a vapor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico. A figura 1 mostra que o ciclo Rankine possui perdas próprias do conceito dos processos que formam seu ciclo, não permitindo que uma parcela significativa de energia seja convertida em trabalho. Os ciclos Rankine e Rankine orgânico exigem a troca da fase física do gás de trabalho, isto é, há uma fase do processo em estado líquido exigindo elementos de condensação, evaporação e sistemas de bombas auxiliares, e todos estes elementos e processos impõem perdas e impossibilidade de utilizar as energias destas fases na conversão.Algumas das principais vantagens do invento ciclo combinado Otto com binário-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 Otto com binário é expressiva.
[017] Os motores de cicloscom binados baseadosna integração de um motor de ciclo Otto com um motor de ciclo binário poderão ser construídos com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais, como a unidade secundária, de ciclo binárioconsiste de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Brayton, Stiriing 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.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[018] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceitode ciclo combinado, mais especificamente a um sistema formado por uma unidade de ciclo Otto com uma unidade de ciclo binário-isotérmico-adiabático, sendo representadas conforme segue abaixo:
A figura 1 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado atual, formado por uma unidade de ciclo Otto com uma unidade de ciclo Rankine. Sistemas projetados com esta filosofia na atualidade são utilizadas para melhorar a eficiência mecânica e energética em sistemas de tração, veículos;
A figura 2 demonstra em diagrama de blocos, um sistema de ciclo combinado idealizado com base no novo conceito de sistema termodinâmico, formado por uma unidade de ciclo Otto conhecida, com uma unidade de ciclo binário-isotérmico-adiabático. Teoricamente, sistemas projetados com esta filosofia para geração de força mecânica terá eficiência superior aos sistemas de cicio combinado com Rankine ou Rankine orgânico baseado na anáiise teórica do cicio da segunda máquina que forma o sistema, entre as perdas que deixam de existir, a inexistência de troca do estado físico do fluido de trabalho é item significativo, o processo de conservação de energia propiciado pelo subsistema de conservação pertencente ao ciclo binário, reforça as possibilidades do incremento da eficiência geral;
A figura 3apresenta o diagrama de um sistema composto por um motor de ciclo Otto31 , com um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático, 320 formando o ciclo combinado Otto e binário;
A figura 4 mostra respectivamente as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo Otto 41 e as curvas do gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do ciclo binário-isotérm ico-adiabático 45;
A figura 5 mostra o ciclo Otto convencional com dois processosisocóricos e dois processos adiabáticos.
DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO
[019] O motor de ciclo combinado Otto e binário-isotérm ico-adiabáticoé um sistema composto por um conceito de motor baseado no sistema termodinâmico aberto, um motor de combustão interna de ciclo Otto, idealizado no século XIX, com um motor baseado no sistema termodinâmico híbrido, o ciclo binário-isotérm ico-adiabático não diferencial, idealizado no século XXI, de forma que a energia descartada pelo primeiro, o motor de combustão interna de ciclo Otto, é a energia que move o segundo, o motor de ciclo binário.
[020] A figura 3 apresenta o sistema que caracteriza um motor de ciclo combinado Otto e binário-isotérmico-adiabático. Este sistema é constituído por uma máquina que opera pelo ciclo Otto, 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 Otto 31 , acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático 320. O motor de ciclo Otto 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 trés 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 docompressor da unidade de conservação de energia 324, e este por sua vez conduz o gás com sua energia associada, conservada, novamente para a câmara de expansão isotérmica e na temperatura da câmara (Tq) de aquecimento 319. O rotor de turbina da unidade de conversão de energia 321 conduz a sua f ração 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 ciclo binário no eixo 327, este eixo é acoplado direta ou indiretamente a todos os rotores de compressão e turbina, 314, 315, 321 , 322, 324 e 325, e é acoplada ao eixo mecânico principal 33, da unidade de ciclo Otto por meio de uma caixa de engrenagens 34 para transmissão da força do eixo da unidade de ciclo binário somando com o eixo 33 do motor principal 31. Fazendo parte da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra ainda um rotor de turbina 315, onde é executado um processo adiabático, por onde passam os gases da exaustão do motor Otto, logo após sua passagem pelo trocador de calor 319, o gás saindo do trocador, entra no rotor de turbina 315, este é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor 314, e a partir do rotor de turbina 315, o gás segue para uma unidade de controle 312, tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina 315 às câmaras de combustão do motor Otto via misturador 39, reduzindo as emissões de óxidos nitrosos, NOx, outra parte dos gases, ao sair da unidade 312, segue para o ambiente 316. Fazendo parte também da unidade mecânica do motor de ciclo binário, se encontra um rotor do compressor 314, o qual pressuriza ar do ambiente para as câmaras de combustão do motor Otto, o ar 317 primeiramente passa pelo filtro 313, entra no rotor do compressor 314, passando por um resfriador 36 e deste para o misturador 39 o qual executa a mistura do ar pressurizado com parte dos gases da combustão, injetando-os para as câmaras de combustão do motor Otto 31.
[021] Existem 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 e conservação, estes devem ser projetados para levar o gás nos processos adiabáticos na pressão que corresponda, no processo, o retomo 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 contrário 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.
[022] A figura 3 apresenta também os principais elementos que configuram um motor Otto, em 318 a entrada de ar de arrefecimento do motor e todos os sistemas que necessitam de resfriamento, o trocador de calor 328 é o elemento mais externo e é a câmara de compressão 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 Otto. O trocador de calor 36 é usado para resfriamento do ar pressurizado pelo compressor 314. Outro trocador de calor, radiador 35 é o principal elemento de arrefecimento do motor Otto, unidades hidráulicas e elétricas. Uma ventoinha 329 é usada para forcar 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-ίο em condições térmicas seguras, auxiliado por um sensor tipo termostato 38 para o controle da temperatura. A mistura do ar pressurizado com parte do gás da exaustão ocorre no misturador 39 e segue para um distribuidor 32 o qual injeta nas câmaras de combustão do motor Otto a mistura do ar com parte do gás da exaustão. A linha 330 é um tubo de retorno do fluido de arrefecimento do motor. A linha 310 é um duto que conduz parte dos gases da combustão a partir do regulador (EGR) para o misturador 39. Os gases, resíduos da combustão são conduzidos pela linha 311 a partir do coletor 331 , passando pelo trocador de calor 319 e seguindo para a entrada do rotor de turbina 315. O eixo de força 33, do motor Otto, é o principal elemento para levar a força mecânica à caixa de transmissão 34.
[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 Oito e outro binário-isotérmico- adiabático, onde o primeiro ciclo, o ciclo Otto é formado por quatro processos, ou também chamado de transformações termodinâmicas, sendo dois processos ou transformação isocórícos e dois processos adiabáticos, que ocorrem um a um sequencialmente, porém com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento. A introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, tornando-o, em síntese, adiabático e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), pode ganhar características isobáricas sendo descritas da seguinte forma, a energia de entrada no sistema pela combustão, 42, executa um processo de aquecimento e compressão isocórica (3-4), na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5'), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador 319 gerando o segmento isobárico (5'- 5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou ainda adiabático, ou variável, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina 315, em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Otto. A 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.
[024] O ciclo binário 45 é acoplado, integrado ao ciclo Otto, 41 , de forma que o processo de descarte de energia (5'-5) do ciclo Otto é a energia de entrada do ciclo binário, e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente. A energia descartada do ciclo Otto 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 Otto, indicado por 42, parte da energia descartada 44, alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina 315, parte restante da energia descartada 43 do ciclo Otto alimenta o ciclo binário 45, a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por 46.
[025] A tabela 1 mostra os processos (3-4, 4-5', 5'-5, 5-2, 2-3) que formam o ciclo Otto quando o mesmo é integrado ao ciclo binário-isotérmico^adiabático, mostrados passo a passo.
Tabela 1
Figure imgf000015_0001
[026] A tabela 2 mostra os sete processos (a-b, b-c, b-c\ c-d, c'-à', d-a, d'-a) que formam o cicio binário-isotérmico-adiabático não diferencial, mostrados passo a passo, com três processos isotérmicos e quatro processos adiabáticos.
Tabela 2
Figure imgf000016_0001
A figura 5 mostra o gráfico da pressão e volume do ciclo Otto ideal, considerando um motor sem acessórios, é um ciclo formado por um processo isocóríco de aquecimento e compressão 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 isocóríco, 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. [027] O cicio combinado Otto com binário-isotérmico-adiabático é a junção de um ciclo chamado Otto, cujo ciclo é formado por processos que se realizam um a um sequencialmente, com um ciclo binário-isotérmico-adiabático de sete processos os quais se realizam todos simultaneamente e este sistema possui a entrada de energia pela combustão do Otto, um processo isocórico (3-4), conforme figura 4, indicado em 41 , de aquecimento e compressão representado pela expressão (a).
Figure imgf000017_0001
[028] Na equação (a), (Qi) representa a energia total de entrada no sistema, em "Joule", (/?) representa o número de mol pertencendo à unidade ciclo Otto, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (Tqc) representa a temperatura máxima do gás em "Kelvin" no ponto (4) do processo, figura 4, indicado por 42, (73) representa a temperatura no ponto (3), inicial do processo isocórico, figura 4, e (γ) representa o coeficiente de expansão adiabática.
[029] O descarte da energia não convertida em trabalho pela máquina principal, o ciclo Otto, é a energia de entrada da máquina secundária, de ciclo binário somada à energia de alimentação da turbina 315, e a expressão da energia descartada, fornecida às unidades posteriores é representada pela expressão (b), considerando o processo (5'-5) isobárico, dependendo do controle, este processo poderá ser isotérmico ou adiabático, neste caso considerou-se isobárico na equação a seguir.
Figure imgf000017_0002
[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 imgf000017_0003
[031] A energia de saída da máquina de cicio Otto descontado a energia da turbina 315 é iguai à energia de entrada da máquina de cicio binário conforme equação (c).
[032] A energia de entrada da turbina 315, (Qt) é um processo adiabático e é representado peia expressão (d).
Figure imgf000018_0001
[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 imgf000018_0002
[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 imgf000018_0003
[035] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo combinado Otto e binário-isotérmico-adiabático é dada pela expressão (g), considerando que caracterizando que os ciclos combinados de uma máquina
Figure imgf000018_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_0001
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
[036] Os motoresde cicios combinados peia integração de uma unidade de ciclo Otto com um motor fundamentado no sistema híbrido, por exemplo, um motor turbina de cicio binário-isotérmico-adiabático, possui algumas aplicações importantes, a mais óbvia é a sua aplicação em veículos de transportes que utilizam o ciclo Otto e gasolina ou álcool como combustível. A tecnologia de motores fundamentados no sistema híbrido trás inúmeras propriedades que são especialmente interessantes a estes projetos, a flexibilidade quando às temperaturas de operação, a inexistência de uma série de elementos que são obrigatórios nos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, propiciando volume e peso reduzidos, e a controlabilidade, isto é, a capacidade de operar em uma larga faixa de rotação e torque. Portanto a tecnologia de ciclo combinado Otto com binário se aplica a veículos, automóveis.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", caracterizado por ser constituído peia integração de duas máquinas térmicas, dois ciclos termodinâmicos, formando um sistema combinado, sendo um deles uma máquina que opera pelo ciclo Otto(31 ), integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320), e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados, um motor de combustão interna de ciclo Otto(31 ), acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático (320), onde o motor de ciclo Otto possui um coletor de descarga (331 ) conectado a um trocador de calor (319), este 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 f ração 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, retomando o gás à entrada da câmara de expansão isotérmicae de aquecimento (319), completando o ciclo termodinâmico binário-isotérmico- adiabático do sistema, aforça mecânicado eixo (327), do motor turbina de ciclo binário, é acoplada ao eixo mecânico principal (33), da unidade de ciclo Otto por meio de uma caixa de engrenagens de transmissão(34), do motor principal (31 ), um rotor de turbina (315) é conectado ao eixo principal do motor de ciclo binário, com a função de acionar o rotor do compressor (314), e a partir do rotor de turbina (315),o gás segue para uma unidade de controle (312), tipo (EGR), de circulação do gás de exaustão, com a função de direcionar parte dos gases de saída do rotor da turbina (315) às câmaras de combustão do motor Otto via misturador (39), um rotor de compressor (314) é conectado também ao eixo principal do motor de ciclo binário, o qual pressuriza ar do ambiente aspirado via filtro (313), e pressurizando as câmaras de combustão do motor Otto(31 ). via resfriador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312), para as câmaras de combustão do motor Otto(31 ), através do distribuidor (32).
2) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-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 Otto(31 ), integrada, interconectada a outra máquina que opera por um ciclo binário (320), e de forma que seus ciclos termodinâmicos sejam também integrados.
3) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por ser constituído por um motor de combustão interna de ciclo Otto(31 ), acoplado a um motor turbina de ciclo binário-isotérmico-adiabático (320).
4) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-ISOTÉRMICO- ADIABÁTICO", de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por ser constituído por um motor de ciclo Ottocom um coletor de descarga (331 ) conectado a um trocador de calor (319), e o trocador (319) possui uma linha de circulação do gás de trabalho do ciclo binário. 5) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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 gásvindo do trocador (319) para o rotor de turbina da unidade de conversão de energia (321 ) e parte do gás para o rotor de turbina da unidade de conservação de energia (322).
6) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO E BINÁRIO-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.
7) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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).
8) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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 f ração 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.
9) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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 binárío-isotérmico-adiabático do sistema.
10) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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 Otto por meio de uma caixa de engrenagens de transmissão (34).
11 ) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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).
12) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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 Otto via misturador (39).
13) "MOTOR DE CICLO COMBINADO OTTO 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 as câmaras de combustão do motor Otto(31 ), via resfríador (36) e misturador (39), injetando-os juntamente à parcela do gás da combustão vindo do elemento de controle (EGR) (312), para as câmaras de combustão do motor Otto(31 ), através do distribuidor (32). 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 peia combinação de dois ciclos, um Otto e outro binário-isotérmico-adiabático formando o ciclo combinado, onde o primeiro ciclo, o ciclo Otto, com a integração com outros elementos mecânicos, os processos podem variar como no caso deste invento, a introdução de um rotor de turbina altera o processo isocórico, 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 aquecimento e compressão isocórica (3-4), na sequência, a expansão prossegue ocorrendo um processo adiabático (4-5'), a partir deste ponto ocorre a transferência de calor para o trocador (319) gerando o segmento isobárico (5'-5) ou dependendo dos parâmetros de projeto ou regulação, este poderá ser isotérmico ou adiabático, ou variável entre adiabático e isobárico, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315), em seguida outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Otto, a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5'-5) indicado por (43), a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo (5- 2) indicado por (44),o ciclo binário (45) é acoplado, integrado ao ciclo Otto(41 ), de forma que o processo de descarte de energia (5'~5) do ciclo Otto é a energia de entrada do ciclo binário, e este forma o processo isotérmico de expansão (a- b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente, partindo do ponto (b) do ciclo binárioocorrem 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 Otto(41 ), parte da energia descartada (44) alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, (315), outra parte da energia descartada do ciclo Otto(43) alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46).
15) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo composto pela combinação de dois ciclos, um Otto e outro binário-isotérmico-adiabático e com a união deles formam o ciclo combinado, onde o primeiro ciclo, o ciclo Otto, com a integração de elementos mecânicos, rotores de turbinas e trocadores de calor, os processos se modificam de forma que o processo isocórico ganha características adiabáticas (5-2) e a etapa final do processo adiabático de expansão (4-5), obtém características isobáricas (5'-5).
16) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia de entrada no sistema pela combustão(42), executa um processo de aquecimento e compressão isocórica
(3-4).
17) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o aquecimento e compressão isocórica (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.
18) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática, isotérmica ou isobárica (5'-5), a expansão prossegue, terminando a expansão com outro processo adiabático (5-2) junto ao rotor de turbina (315).
19) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão adiabática (5-2) junto ao rotor de turbina (315), ainda dentro do ciclo Otto ocorre outro processo adiabático, porém de compressão (2-3) finalizando o ciclo Otto.
20) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o motor turbina de ciclo binário é definida pelo processo (5'-5) do ciclo Ottoindicado por
(43).
21 ) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde a energia canalizada para o rotor de turbina (315) é definida pelo processo adiabático (5-2) indicado por (44).
22) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo tal que o ciclo binário (45) é acoplado, integrado ao ciclo Otto(41 ), de forma que o processo de descarte de energia (5'-5) do ciclo Otto, é a energia de entrada do ciclo binário(45), e forma o processo isotérmico de expansão (a-b), e todos os processos que formam o ciclo binário ocorrem simultaneamente.
23) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR DE CICLO COMBINADO", de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por um processo onde após o processo de expansão 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.
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.
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). 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 cicio Otto (41 ), parte da energia descartada(44), alimenta por um processo adiabático um rotor de turbina, (315), outra parte da energia(43), descartada do cicio Otto(41 ), alimenta o ciclo binário, e a energia descartada do ciclo binário é, em caso ideal sem perdas, a energia total perdida, indicada por (46).
PCT/BR2018/050129 2017-04-26 2018-04-25 Motor de ciclo combinado otto e binário-isotérmico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado WO2018195632A1 (pt)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BR102017008580-5A BR102017008580A2 (pt) 2017-04-26 2017-04-26 motor de ciclo combinado otto e binário-isotérmico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
BRBR102017008580-5 2017-04-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018195632A1 true WO2018195632A1 (pt) 2018-11-01

Family

ID=63917824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/BR2018/050129 WO2018195632A1 (pt) 2017-04-26 2018-04-25 Motor de ciclo combinado otto e binário-isotérmico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado

Country Status (2)

Country Link
BR (1) BR102017008580A2 (pt)
WO (1) WO2018195632A1 (pt)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1447830A (en) * 1973-06-20 1976-09-02 Mueller T Motor vehicle or power craft drive system
US20020062646A1 (en) * 2000-10-06 2002-05-30 Giancarlo Dellora Turbocompound internal combustion engine
US20060254565A1 (en) * 2003-11-28 2006-11-16 Michael Bottcher Internal combustion engine comprising a mechanical charger and a turbo-compound
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 (de) * 2007-10-30 2009-05-07 Voith Patent Gmbh Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang mit einem Turbocompoundsystem und Antriebsstrang
CN105464769A (zh) * 2015-12-30 2016-04-06 东风商用车有限公司 一种双流道动力涡轮系统及其控制方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1447830A (en) * 1973-06-20 1976-09-02 Mueller T Motor vehicle or power craft drive system
US20020062646A1 (en) * 2000-10-06 2002-05-30 Giancarlo Dellora Turbocompound internal combustion engine
US20060254565A1 (en) * 2003-11-28 2006-11-16 Michael Bottcher Internal combustion engine comprising a mechanical charger and a turbo-compound
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 (de) * 2007-10-30 2009-05-07 Voith Patent Gmbh Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung in einem Antriebsstrang mit einem Turbocompoundsystem und Antriebsstrang
CN105464769A (zh) * 2015-12-30 2016-04-06 东风商用车有限公司 一种双流道动力涡轮系统及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
BR102017008580A2 (pt) 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 (zh) 基于二氧化碳气液相变的热能转化机械能储能装置
EA014465B1 (ru) Система теплового двигателя
Chen et al. Thermodynamic analysis of three ejector based organic flash cycles for low grade waste heat recovery
Yue et al. Analysis of the integrated characteristics of the CPS (combined power system) of a bottoming organic Rankine cycle and a diesel engine
Wojewoda et al. Numerical model and investigations of the externally heated valve Joule engine
WO2010048100A2 (en) Ultra-high-efficiency engines and corresponding thermodynamic system
CN104712403A (zh) 超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置
CN204476527U (zh) 超临界蓄热式有机朗肯循环尾气余热综合利用装置
WO2018195631A1 (pt) Motor de ciclo combinado otto e binário-isobárico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
WO2018195630A1 (pt) Motor de ciclo combinado diesel e binário-isotérmico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
WO2018195633A1 (pt) Motor de ciclo combinado atkinson ou miller e binário-isobárico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
WO2018195634A1 (pt) Motor de ciclo combinado atkinson ou miller e binário-isotérmico- adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
WO2018195632A1 (pt) Motor de ciclo combinado otto e binário-isotérmico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
Liu et al. Thermodynamic performance analysis of horizontal ‘8’cycle
WO2018195629A1 (pt) Motor de ciclo combinado diesel e binário-isobárico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
WO2018195636A1 (pt) Motor de ciclo combinado diesel e diferencial-isobárico-isocórico regenerativo e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
WO2018195635A1 (pt) Motor de ciclo combinado diesel e diferencial-isotérmico-isocórico regenerativo e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor de ciclo combinado
WO2018195628A1 (pt) Motor turbina de ciclo combinado brayton e binário-isotérmico- adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor turbina de ciclo combinado
WO2018195627A1 (pt) Motor turbina de ciclo combinado brayton e binário-isobárico-adiabático e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor turbina de ciclo combinado
Yu et al. State-of-the-art review on the CO2 combined power and cooling system: System configuration, modeling and performance
Al-Tameemi Thermal analysis of combined Organic Rankine-Vapour compression system for heating and cooling applications
WO2020026215A1 (pt) Motor de combustão interna integrado formado por uma unidade principal de ciclo otto e uma unidade secundária a pistões e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor
WO2020024034A1 (pt) Motor de combustão interna integrado formado por uma unidade principal de ciclo diesel e uma unidade secundária a pistões e processo de controle para o ciclo termodinâmico do motor

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: 18791046

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: 18791046

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1