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BR102017008548B1 - DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE - Google Patents

DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE Download PDF

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BR102017008548B1
BR102017008548B1 BR102017008548-1A BR102017008548A BR102017008548B1 BR 102017008548 B1 BR102017008548 B1 BR 102017008548B1 BR 102017008548 A BR102017008548 A BR 102017008548A BR 102017008548 B1 BR102017008548 B1 BR 102017008548B1
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BR
Brazil
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processes
cycle
isothermal
engine
polytropic
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Application number
BR102017008548-1A
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Portuguese (pt)
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BR102017008548A2 (en
BR102017008548A8 (en
Inventor
Marno Iockheck
Saulo Finco
Luis Mauro Moura
Original Assignee
Brazil Innovation Commerce Ltda
Filing date
Publication date
Application filed by Brazil Innovation Commerce Ltda filed Critical Brazil Innovation Commerce Ltda
Priority to BR102017008548-1A priority Critical patent/BR102017008548B1/en
Priority to PCT/BR2018/050108 priority patent/WO2018195620A1/en
Publication of BR102017008548A2 publication Critical patent/BR102017008548A2/en
Publication of BR102017008548A8 publication Critical patent/BR102017008548A8/en
Publication of BR102017008548B1 publication Critical patent/BR102017008548B1/en

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Abstract

Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema híbrido é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo executa em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos ?isotérmicos? e quatro ? politrópicos? com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.The present invention relates to a heat engine and its eight-process thermodynamic cycle, more specifically it is a heat engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each one operating a thermodynamic cycle of four processes, but interdependent between them, forming a complex cycle of eight processes, operating with gas, the circuit of this hybrid system is closed in differential configuration, based on the concept of hybrid thermodynamic system, this system performs a thermodynamic cycle composed of eight processes so that it executes at any time of the cycle, two simultaneous and interdependent, complementary processes, four of which are "isothermal" and four "polytropic" with variable mass transfer, which may be zero or partial.

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃOTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico e seu ciclo termodinâmico de oito processos, mais especificamente, trata-se de uma máquina térmica caracterizada por dois subsistemas termodinâmicos interligados, cada um opera um ciclo termodinâmico de quatro processos, porém interdependentes entre si, formando um ciclo complexo de oito processos, opera com gás, o circuito deste sistema híbrido é fechado em configuração diferencial, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, este sistema realiza um ciclo termodinâmico composto por oito processos de forma que o mesmo execute em qualquer momento do ciclo, dois processos simultâneos e interdependentes, complementares, sendo quatro destes processos “isotérmicos” e quatro “politrópicos” com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.[001] The present invention relates to a heat engine and its eight-process thermodynamic cycle. More specifically, it is a heat engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each operating a four-process thermodynamic cycle, which are interdependent on each other, forming a complex eight-process cycle. It operates with gas. The circuit of this hybrid system is closed in a differential configuration, based on the concept of a hybrid thermodynamic system. This system performs a thermodynamic cycle composed of eight processes so that it performs two simultaneous, interdependent, complementary processes at any time during the cycle, four of which are “isothermal” and four are “polytropic” with variable mass transfer, which may be zero or partial.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃOBACKGROUND 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 19th century at the beginning of the creation of the laws of thermodynamics and underpin 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.[003] The isolated thermodynamic system is defined as a system in which neither matter nor energy passes through it. Therefore, this concept of thermodynamic system does not offer properties that allow the development of engines.

[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico aberto os motores de combustão interna, de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna, de ciclo Rankine com exaustão do vapor ao ambiente. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigênio ou fluido 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] An open thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which energy and matter can enter and leave the system. Examples of open thermodynamic systems are internal combustion engines, Otto cycles, Atkinson cycles, similar to the Otto cycle, Diesel cycles, Sabathe cycles, similar to the Diesel cycles, Brayton internal combustion cycles, and Rankine cycles with steam exhausted to the environment. The materials that enter these systems are fuels and oxygen or working fluid or working gas. The energy that enters these systems is heat. The materials that leave these systems are the exhaust of combustion or working fluid, gases, waste, and the energies that leave these systems are mechanical work energy and part of the dissipated heat.

[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson, de ciclo Rankine com fluido de trabalho em circuito fechado, de ciclo Brayton de calor ou de combustão externa, de ciclo Carnot. A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema é a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorrem no sistema aberto.[005] A closed thermodynamic system is defined as a thermodynamic system in which only energy can enter and leave the system. Examples of closed thermodynamic systems include external combustion engines such as the Stirling cycle, Ericsson cycle, Rankine cycle with working fluid in a closed circuit, Brayton heat cycle or external combustion cycle, and Carnot cycle. The energy that enters this system is heat. The energy that leaves this system is mechanical work energy and part of the dissipated heat, but no matter leaves these systems, as occurs in open systems.

[006] Ambos os sistemas, aberto e fechado, como entrada eles possuem no tempo (t1) a temperatura (Tq), a massa (m1) e o número de mol (n1) e na saída, no tempo (t2), ambos possuem a temperatura (Tf), a massa (m1) e o número de mol (n1), a massa é constante, a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa (m1) atravessa o sistema e no sistema fechado, a massa (m1) permanece no sistema, conforme a figura 1.[006] Both systems, open and closed, as input they have at time (t1) the temperature (Tq), the mass (m1) and the number of moles (n1) and at the output, at time (t2), both have the temperature (Tf), the mass (m1) and the number of moles (n1), the mass is constant, the difference between both is that in the open system the mass (m1) passes through the system and in the closed system, the mass (m1) remains in the system, as shown in figure 1.

O ESTADO ATUAL DA TÉCNICATHE CURRENT STATE OF TECHNIQUE

[007] Os motores conhecidos até o presente são fundamentados em sistemas termodinâmicos aberto ou sistemas termodinâmicos fechado, eles possuem seus ciclos termodinâmicos compostos por uma série de processos sequenciais e independentes, e ocorre um único processo por vez até que o ciclo se complete, como pode ser observado no gráfico pressão/volume na figura 2. Assim são os motores de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Rankine, Stirling, Ericsson e o ciclo teórico ideal de Carnot e o ciclo Brayton também pertence aos sistemas ou aberto ou fechado, porém diferente dos demais, seus quatro processos ocorrem todos simultaneamente.[007] The engines known to date are based on open thermodynamic systems or closed thermodynamic systems. They have their thermodynamic cycles composed of a series of sequential and independent processes, and only one process occurs at a time until the cycle is complete, as can be seen in the pressure/volume graph in Figure 2. These are the Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Rankine, Stirling, Ericsson cycle engines and the theoretical ideal Carnot cycle and the Brayton cycle also belong to either open or closed systems, but unlike the others, its four processes all occur simultaneously.

[008] A energia interna do gás de trabalho dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado não é constante durante o seu ciclo, a equação que representa a energia interna é indicada na equação (a) [008] The internal energy of the working gas of engines based on open and closed systems is not constant during their cycle, the equation that represents the internal energy is indicated in equation (a)

[009] Na equação (a), (U) representa a energia interna em “Joule”, (n) representa o número de mol, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (T) representa a temperatura do gás em “Kelvin” e (Y) representa o coeficiente de expansão adiabática.[009] In equation (a), (U) represents the internal energy in “Joule”, (n) represents the number of moles, (R) represents the universal constant of ideal gases, (T) represents the temperature of the gas in “Kelvin” and (Y) represents the coefficient of adiabatic expansion.

[010] Como ocorre sempre um único processo por vez na maioria dos motores projetados com o conceito de sistema aberto ou fechado, a energia interna varia com o tempo, uma vez que o produto: número de mol (n) pela temperatura (T), (n.T) não é constante durante o ciclo, pois a temperatura (T) é uma variável nos processos e o número de mol (n) é uma constante nos processos.[010] As only one process occurs at a time in most engines designed with the open or closed system concept, the internal energy varies with time, since the product: number of moles (n) by temperature (T), (n.T) is not constant during the cycle, since the temperature (T) is a variable in the processes and the number of moles (n) is a constant in the processes.

[011] O atual estado da técnica que caracteriza todos os motores, é caracterizado ainda pela propriedade onde a saída do processo, o trabalho, é uma consequência direta da entrada da energia, calor ou combustão, ou seja, quando é necessário mais trabalho, injeta-se mais calor ou se promove mais combustão, todos os processos que formam o ciclo do motor são igualmente influenciados, em outras palavras, os motores são controlados pela alimentação direta. Por exemplo, nos motores de combustão interna, Otto, Diesel, Brayton, para se obter maior potência injeta-se mais combustível, mais oxigênio e assim se produz mais trabalho, mais rotação. Para se obter maior potência com rotação constante, normalmente utilizam-se caixas de redução ou transformação de rotação. Por analogia, tais tecnologias podem ser comparadas na eletricidade a motores de corrente contínua, estes, para aumentar a potência, aumenta-se a tensão de alimentação do motor.[011] The current state of the art that characterizes all engines is also characterized by the property where the output of the process, the work, is a direct consequence of the input of energy, heat or combustion, that is, when more work is required, more heat is injected or more combustion is promoted, all the processes that form the engine cycle are equally influenced, in other words, the engines are controlled by direct power. For example, in internal combustion engines, Otto, Diesel, Brayton, to obtain greater power, more fuel and more oxygen are injected and thus more work and more rotation are produced. To obtain greater power with constant rotation, reduction or rotation transformation boxes are normally used. By analogy, such technologies can be compared in electricity to direct current motors, in which, to increase power, the motor's supply voltage is increased.

[012] O atual estado da técnica compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para levá-los a partir, ao funcionamento. Os motores de combustão interna exigem a compressão, mistura de combustível com o oxigênio e uma centelha ou combustão por pressão, desta forma um motor auxiliar de partida, normalmente elétrico, é utilizado. Os motores de combustão externa, como o de ciclo Stirling ou Ericsson por sua vez também exigem motores auxiliares e de alta potência, pois eles precisam vencer o estado de repouso sob pressão para entrar em operação. Uma exceção é o motor de ciclo Rankine, este pode partir através do comando de válvulas para fornecer a pressão do vapor aos elementos de força motriz.[012] The current state of the art comprises a series of internal combustion and external combustion engines, most of which require a second auxiliary engine to start them up and running. Internal combustion engines require compression, mixing fuel with oxygen and a spark or pressure combustion, so an auxiliary starter motor, usually electric, is used. External combustion engines, such as the Stirling or Ericsson cycle, also require auxiliary and high-power engines, as they need to overcome the resting state under pressure to start operating. An exception is the Rankine cycle engine, which can start through the valve control to provide steam pressure to the driving force elements.

[013] O atual estado da técnica compreende uma série de motores, a maioria deles, dependentes de condições muito específicas e especiais para operar, por exemplo, os motores de combustão interna, cada um deles exige seu combustível específico, controle fino de combustível, oxigênio e o tempo da combustão e em alguns casos exigem condições específicas inclusive de pressão, a flexibilidade no combustível é bem limitada. Nesta categoria, dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, o motor mais flexível é o de ciclo Rankine, de combustão externa ou o Stirling, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto a fonte, mas possuem outras deficiências importantes.[013] The current state of the art comprises a series of engines, most of which depend on very specific and special operating conditions, for example, internal combustion engines, each of which requires its own specific fuel, fine control of fuel, oxygen and combustion time and in some cases they require specific conditions including pressure, fuel flexibility is very limited. In this category, of engines based on open and closed systems, the most flexible engine is the Rankine cycle, with external combustion, or the Stirling, also with external combustion, these are more flexible in terms of source, but have other important deficiencies.

[014] O atual estado da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige combustão, isto é, a queima de algum tipo de combustível, e, portanto, a necessidade de oxigênio.[014] The current state of the art comprises a series of engine cycles, most of which require combustion, that is, the burning of some type of fuel, and therefore the need for oxygen.

[015] O estado atual da técnica compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige altas temperaturas para operação, os de combustão interna especialmente, costumam operar com o gás de trabalho em temperatura superiores a 1000 °C. Os motores de combustão externa ou operante por fontes de calor externas, como de ciclo Rankine e Stirling, normalmente são projetados para operarem com temperaturas do gás de trabalho entre 400 °C e 800 °C. Além dos motores baseados nos sistemas aberto e fechado exigirem na maioria das vezes altas temperaturas para que possam operar, todos eles possuem suas eficiências limitadas ao teorema de Carnot, isto é, suas eficiências máximas dependem exclusivamente das temperaturas conforme definido pela equação (b). [015] The current state of the art comprises a series of engine cycles, most of which require high temperatures for operation, especially internal combustion engines, which usually operate with the working gas at temperatures above 1000 °C. External combustion engines or engines operating by external heat sources, such as the Rankine and Stirling cycles, are typically designed to operate with working gas temperatures between 400 °C and 800 °C. In addition to engines based on open and closed systems often requiring high temperatures to operate, all of them have their efficiencies limited by Carnot's theorem, that is, their maximum efficiencies depend exclusively on the temperatures as defined by equation (b).

[016] Na equação (b), (q) é o rendimento, (Tf) é a temperatura da fonte fria e (Tq) é a temperatura da fonte quente, ambas em “Kelvin”.[016] In equation (b), (q) is the efficiency, (Tf) is the cold source temperature and (Tq) is the hot source temperature, both in “Kelvin”.

[017] O estado atual da técnica, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton, de ciclo Rankine, de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistema aberto e fechado. As últimas novidades do estado atual da técnica vêm sendo apresentadas através de inovações juntando-se mais de um ciclo antigo formando ciclos combinados, isto é: novos sistemas de motores compostos por uma máquina de ciclo Brayton operante com combustíveis de origem fóssil, gás ou óleo e uma máquina de ciclo Rankine dependente do calor rejeitado pela máquina de ciclo Brayton. Ou a mesma filosofia, unindo-se um motor de ciclo Diesel com um de ciclo Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto, também, unindo-o com um motor de ciclo Rankine.[017] The current state of the art, based on open and closed systems, basically comprises six engine cycles and some versions of these: the Otto cycle, the Atkinson cycle, similar to the Otto cycle, the Diesel cycle, the Sabathe cycle, similar to the Diesel cycle, the Brayton cycle, the Rankine cycle, the Stirling cycle, the Ericsson cycle and the Carnot cycle, the ideal theoretical reference for engines based on open and closed systems. The latest developments in the current state of the art have been presented through innovations combining more than one old cycle to form combined cycles, that is: new engine systems composed of a Brayton cycle engine operating with fossil fuels, gas or oil and a Rankine cycle engine dependent on the heat rejected by the Brayton cycle engine. Or the same philosophy, combining a Diesel cycle engine with a Rankine cycle engine or even an Otto cycle engine, also combining it with a Rankine cycle engine.

[018] O estado atual da técnica apresenta uma série de limitações e oferece também uma série de problemas. A maioria dos motores, como os de combustão interna, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe e Brayton, exigem combustíveis específicos para cada conceito, por exemplo: gasolina, óleo diesel, gás, querosene, e de alto poder calorífico, precisam trabalhar sob altas temperaturas e por consequência, durante muitos anos vem dependendo de combustíveis fósseis, trazendo danos graves ao clima e meio-ambiente, isto é, são caracterizados pela não sustentabilidade. O sistema termodinâmico sob os quais estes motores são projetados trazem como limitação de eficiência o teorema de Carnot o qual, em função de seu princípio, impõe o limite da eficiência como função direta e exclusiva das temperaturas, conforme equação (b).[018] The current state of the art presents a series of limitations and also offers a series of problems. Most engines, such as internal combustion engines, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe and Brayton cycles, require specific fuels for each concept, for example: gasoline, diesel oil, gas, kerosene, and high calorific value, need to work at high temperatures and, as a consequence, have depended on fossil fuels for many years, causing serious damage to the climate and environment, that is, they are characterized by non-sustainability. The thermodynamic system under which these engines are designed has as an efficiency limitation Carnot's theorem, which, based on its principle, imposes the efficiency limit as a direct and exclusive function of temperatures, according to equation (b).

[019] A maioria dos motores da atualidade exigem combustíveis refinados e poluentes com efeitos nocivos ao clima, ao ambiente e, portanto, comprometem a sustentabilidade. Uma das mais recentes tecnologias desenvolvidas para minimizar o impacto, foi a junção de dois antigos conceitos de motores, o motor de ciclo Brayton e o motor de ciclo Rankine, formando um sistema composto por dois ciclos combinados, de forma tal que o rejeito de calor da primeira máquina é utilizado pela segunda máquina para melhorar a eficiência do conjunto, porém o uso de combustíveis fósseis e seus efeitos permanecem. O ciclo combinado continua a ser caracterizado por um motor sob conceito de sistema aberto e um motor sob o conceito de sistema fechado, independentes, ou seja, é classificado como sistema combinado, dois ciclos completamente independentes, não se caracteriza como sistema híbrido.[019] Most of today's engines require refined and polluting fuels that have harmful effects on the climate and the environment, and therefore compromise sustainability. One of the most recent technologies developed to minimize this impact was the combination of two old engine concepts, the Brayton cycle engine and the Rankine cycle engine, forming a system composed of two combined cycles, in such a way that the heat waste from the first engine is used by the second engine to improve the efficiency of the set, but the use of fossil fuels and their effects remain. The combined cycle continues to be characterized by an engine under the open system concept and an engine under the closed system concept, independent, that is, it is classified as a combined system, two completely independent cycles, it is not characterized as a hybrid system.

[020] Os demais motores, de ciclo Stirling e Ericsson, são motores sob o conceito de sistema fechado, são de combustão externa ou fonte de calor externo. Em função de suas propriedades, embora tenham os conceitos mais simples de motores, são difíceis de serem construídos. Exigem parâmetros de projetos casados, isto é, funcionam bem, com boa eficiência, apenas em seu regime específico de operação, temperatura, pressão, carga, fora do ponto central de operação suas eficiências caem bruscamente, ou não operam. Portanto são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.[020] The other engines, Stirling and Ericsson cycle, are engines under the closed system concept, they are external combustion or external heat source. Due to their properties, although they have the simplest engine concepts, they are difficult to build. They require matched design parameters, that is, they work well, with good efficiency, only in their specific operating regime, temperature, pressure, load, outside the central operating point their efficiencies drop sharply, or do not operate at all. Therefore, they are machines that are very little used for industrial or popular use.

[021] O motor ideal de Carnot, figura 3, por sua vez, embora seja considerado o motor ideal, mais perfeito até o presente, ele o é na teoria e dentro dos conceitos de sistema aberto e fechado considerando todos os parâmetros ideais, por este motivo é a referência até hoje para todos os conceitos de motores existentes. O motor de Carnot não é encontrado no uso prático porque os materiais reais não possuem as propriedades exigidas para tornar o motor de Carnot uma realidade, as dimensões físicas para que o ciclo de Carnot possa ser executado como na teoria, seriam inviáveis em um caso prático, portanto ele é um Motor ideal nos conceitos de sistema aberto e sistema fechado, porém no conceito teórico.[021] The ideal Carnot engine, figure 3, in turn, although it is considered the ideal engine, the most perfect to date, it is so in theory and within the concepts of open and closed systems considering all ideal parameters, for this reason it is the reference to this day for all existing engine concepts. The Carnot engine is not found in practical use because the real materials do not have the properties required to make the Carnot engine a reality, the physical dimensions for the Carnot cycle to be executed as in theory would be unfeasible in a practical case, therefore it is an ideal engine in the concepts of open system and closed system, but in the theoretical concept.

[022] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Brayton, estes de combustão interna, são decorrentes diretamente da alimentação de combustíveis e oxigênio e como resultado oferecem maior rotação e torque simultaneamente. Para haver separação entre o torque e a rotação, eles exigem caixas de velocidade. Estas máquinas não permitem controlabilidade, ou no mínimo, oferecem dificuldades na controlabilidade através de seus ciclos termodinâmicos.[022] The power, rotation and torque control of existing Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe and Brayton cycle engines, which are internal combustion engines, are a direct result of the supply of fuel and oxygen and, as a result, offer greater rotation and torque simultaneously. In order to separate torque and rotation, they require gearboxes. These machines do not allow controllability, or at least, offer difficulties in controllability through their thermodynamic cycles.

[023] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Rankine, este de combustão externa, são decorrentes da vazão e da pressão do vapor ou gás de trabalho, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação.[023] The power, rotation and torque control of existing Rankine cycle engines, which have external combustion, are the result of the flow and pressure of the steam or working gas, and as a result they offer interdependent variations in rotation and torque simultaneously, there is no separate controllability between torque and rotation.

[024] O controle de potência, rotação e torque, dos motores existentes de ciclo Stirling e Ericsson, estes de combustão externa, são decorrentes da massa ou pressão do gás de trabalho, das temperaturas, da geometria construtiva, e como resultado oferecem variações interdependentes de rotação e torque simultaneamente, não há controlabilidade separada entre torque e rotação. Estas máquinas possuem suas curvas de operação muito estreitas oferecendo baixa controlabilidade e uma faixa estreita de operacionalidade. Nestes casos são comuns projetos que não funcionam porque os parâmetros, nas suas interdependências podem não oferecer as condições que levam o motor a funcionar.[024] The power, rotation and torque control of existing Stirling and Ericsson cycle engines, which are external combustion engines, are the result of the mass or pressure of the working gas, temperatures and construction geometry, and as a result offer interdependent variations in rotation and torque simultaneously. There is no separate controllability between torque and rotation. These machines have very narrow operating curves, offering low controllability and a narrow range of operation. In these cases, projects that do not work are common because the parameters, in their interdependencies, may not offer the conditions that allow the engine to operate.

[025] O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos semelhantes do sistema híbrido, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado por oito processos, sempre com dois processos operando simultaneamente em um sistema formado por dois subsistemas integrados. A patente “PI 1000624-9” registrada no Brasil definida como “Conversor de energia termomecânico” é constituído por dois subsistemas que opera por meio de um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos e quatro processos isocóricos, sem regeneração. A patente “PCT/BR2013/000222” registrada nos Estados Unidos da América definida como “Máquina térmica que opera em conformidade com o ciclo termodinâmico de Carnot e processo de controle” a qual é constituída por dois subsistemas e opera em cada subsistema, um ciclo termodinâmico formado por dois processos isotérmicos de dois processos adiabáticos. A patente “PCT/BR2014/000381” registrada nos Estados Unidos da América definida como “Máquina térmica diferencial com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle” a qual é constituída por dois subsistemas e opera um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção quanto aos processos termodinâmicos que formam seus ciclos, cada ciclo oferece ao motor características próprias. O conceito de sistema termodinâmico híbrido oferece a base para o desenvolvimento de uma nova família de motores térmicos, cada motor terá características próprias conforme os processos e fases que constituem os seus respectivos ciclos termodinâmicos, como por exemplo, o motor Otto e o motor Diesel são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto de combustão interna, porém, constituem motores distintos e o que os distingue são detalhes de seus ciclos termodinâmicos, o ciclo do motor Otto é constituído basicamente por um processo adiabático de compressão, um processo isocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um isocórico de exaustão e o ciclo do motor Diesel é constituído por um processo adiabático de compressão, um processo isobárico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo isocórico de exaustão, portanto eles diferem em apenas um dos processos que formam seus ciclos, o suficiente para conferir a cada um, propriedades e usos específicos e diferentes. Da mesma forma, o conceito de sistema híbrido oferece a base para uma nova família de motores térmicos constituídos por dois subsistemas e estes irão operar com ciclos ditos diferenciais formados por processos em que sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias às quais caracterizarão cada um dos ciclos-motores.[025] The current state of the art has recently revealed some references that already have similar concepts of the hybrid system, these are engines that have characteristics of having two interdependent thermodynamic cycles constituting a complex cycle formed by eight processes, always with two processes operating simultaneously in a system formed by two integrated subsystems. The patent “PI 1000624-9” registered in Brazil defined as “Thermomechanical energy converter” consists of two subsystems that operate through a thermodynamic cycle formed by four isothermal processes and four isochoric processes, without regeneration. The patent “PCT/BR2013/000222” registered in the United States of America defined as “Heat engine that operates in accordance with the Carnot thermodynamic cycle and control process” which consists of two subsystems and operates in each subsystem, a thermodynamic cycle formed by two isothermal processes of two adiabatic processes. The patent “PCT/BR2014/000381” registered in the United States of America is defined as “Differential heat engine with cycle of eight thermodynamic transformations and control process” which consists of two subsystems and operates a thermodynamic cycle formed by four isothermal processes of four adiabatic processes. These references differ from the present invention regarding the thermodynamic processes that form their cycles, each cycle offers the engine its own characteristics. The concept of a hybrid thermodynamic system provides the basis for the development of a new family of heat engines. Each engine will have its own characteristics according to the processes and phases that constitute their respective thermodynamic cycles. For example, the Otto engine and the Diesel engine are engines based on the open thermodynamic system of internal combustion. However, they constitute distinct engines and what distinguishes them are details of their thermodynamic cycles. The Otto engine cycle is basically made up of an adiabatic compression process, an isochoric combustion process, an adiabatic expansion process and an isochoric exhaust process. The Diesel engine cycle is made up of an adiabatic compression process, an isobaric combustion process, an adiabatic expansion process and an isochoric exhaust process. Therefore, they differ in only one of the processes that form their cycles, enough to give each one specific and different properties and uses. Likewise, the hybrid system concept provides the basis for a new family of heat engines consisting of two subsystems and these will operate with so-called differential cycles formed by processes in which two simultaneous processes will always occur, each one having its own particularities that will characterize each of the engine cycles.

[026] Em buscas realizadas foram encontrados alguns documentos não relevantes (relevância A) mas que ajudam melhor definir o estado da técnica acerca da invenção, e que são relacionados a seguir.[026] In searches carried out, some irrelevant documents were found (relevance A) but which help to better define the state of the art regarding the invention, and which are listed below.

[027] O documento DE2342103, descreve um MOTOR A GÁS QUENTE, POSSUINDO CICLOS ENVOLVENDO FASES ISOTÉRMICA, ISOCÓRICA E ISOBÁRICA, INCORPORANDO TROCADOR DE CALOR REGENERATIVO, particularmente trata de uma máquina térmica que utiliza um ciclo que possui fases isotérmica, isocórica e isobárica e que produziria altas eficiências de ciclo quando usado como um ciclo propulsor para um veículo motorizado. O motor utiliza dióxido de carbono como meio de trabalho e possui um queimador que fornece calor ao sistema. O gás frio é induzido de um reservatório para um cilindro resfriado a água através de uma válvula. O gás é comprimido no cilindro e entregue a um reservatório de alta pressão, de onde passa para um segundo cilindro maior através de um trocador de calor regenerativo. O cilindro maior passa o gás comprimido adicional através de um trocador de calor aquecido pelo queimador antes de devolvê-lo ao reservatório através do regenerador.[027] Document DE2342103 describes a HOT GAS ENGINE, HAVING CYCLES INVOLVING ISOTHERMAL, ISOCHORIC AND ISOBARIC PHASES, INCORPORATING A REGENERATIVE HEAT EXCHANGE, and particularly deals with a heat engine that utilizes a cycle that has isothermal, isochoric and isobaric phases and that would produce high cycle efficiencies when used as a propulsion cycle for a motor vehicle. The engine utilizes carbon dioxide as the working medium and has a burner that supplies heat to the system. Cold gas is induced from a reservoir into a water-cooled cylinder through a valve. The gas is compressed in the cylinder and delivered to a high-pressure reservoir, from where it passes to a second, larger cylinder through a regenerative heat exchanger. The larger cylinder passes additional compressed gas through a heat exchanger heated by the burner before returning it to the reservoir through the regenerator.

[028] O documento US3928974, descreve um OSCILADOR TÉRMICO, particularmente de um oscilador termomecânico para gerar eletricidade, pressurizar fluido ou bombear calor. O dispositivo inclui uma fonte e um dissipador de calor, elementos oscilantes de deslocamento positivo que submetem um fluido de trabalho a um ciclo termodinâmico no qual trabalho e calor são trocados, e uma carga que extrai energia entálpica do fluido de trabalho por meio de elementos oscilantes de deslocamento positivo. Um ciclo termodinâmico produzido por tal oscilador também é divulgado.[028] Document US3928974 describes a THERMAL OSCILLATOR, particularly a thermomechanical oscillator for generating electricity, pressurizing fluid or pumping heat. The device includes a heat source and heat sink, positive displacement oscillating elements that subject a working fluid to a thermodynamic cycle in which work and heat are exchanged, and a load that extracts enthalpic energy from the working fluid by means of the positive displacement oscillating elements. A thermodynamic cycle produced by such an oscillator is also disclosed.

[029] O documento WO8203252, descreve um MOTOR STIRLING COM TROCADORES DE CALOR DE FLUXO PARALELO, particularmente um sistema trocador de calor para um motor Stirling que inclui um aquecedor (30) conectado ao espaço de expansão (32) por um par de dutos de fluxo paralelo (34, 36) e um resfriador (40) conectado ao espaço de compressão (42) por um par de dutos de fluxo paralelo (44, 46). Um circulador (38, 48) é disposto em um dos dutos de aquecimento e em um dos dutos de resfriamento para circular continuamente o fluido de trabalho do espaço de trabalho, através do trocador de calor, e de volta ao mesmo espaço de trabalho. Os processos de expansão e compressão tornam-se assim mais isotérmicos e os permutadores de calor podem ser menores, mais eficazes e com menor queda de pressão.[029] Document WO8203252 describes a STIRLING ENGINE WITH PARALLEL FLOW HEAT EXCHANGERS, particularly a heat exchanger system for a Stirling engine that includes a heater (30) connected to the expansion space (32) by a pair of parallel flow ducts (34, 36) and a cooler (40) connected to the compression space (42) by a pair of parallel flow ducts (44, 46). A circulator (38, 48) is arranged in one of the heating ducts and in one of the cooling ducts to continuously circulate the working fluid from the working space, through the heat exchanger, and back to the same working space. The expansion and compression processes thus become more isothermal and the heat exchangers can be smaller, more efficient and with lower pressure drop.

[030] O documento US4455825, descreve um MOTOR A GÁS QUENTE COM EFICIÊNCIA TÉRMICA MAXIMIZADA, particularmente um motor a gás quente de ciclo fechado aprimorado, no qual praticamente toda a massa de gás de trabalho executa o mesmo ciclo Ericsson, alcançando assim eficiência térmica maximizada. As modalidades de motor da invenção consistem em cilindros emparelhados conectados entre si por meios vedados contra vazamentos para operação controlada de gás de trabalho. O gás de trabalho é simultaneamente aquecido e expandido no cilindro de aquecimento e, em seguida, simultaneamente resfriado e comprimido no cilindro de resfriamento para atingir as etapas de expansão e compressão isotérmicas, respectivamente, do circuito do Ciclo Ericsson de quatro etapas. As melhorias consistem em meios para proporcionar tanto a operação alternativa dos pistões dos cilindros como também o controle do movimento relativo dos pistões entre si. O movimento relativo do pistão é tal que durante toda a etapa simultânea de expansão e aquecimento, virtualmente todo o gás de trabalho está contido no cilindro de aquecimento e, durante toda a etapa simultânea de compressão e resfriamento, praticamente toda a massa do gás de trabalho está contida no cilindro de resfriamento. Entre estas duas etapas isotérmicas, a massa de gás é transferida isobaricamente entre os cilindros pelo armazenamento ou recuperação, respectivamente, do calor do gás de trabalho em um regenerador de última geração localizado em série no caminho de fluxo entre os cilindros de aquecimento e resfriamento.[030] Document US4455825 describes a HOT GAS ENGINE WITH MAXIMIZED THERMAL EFFICIENCY, particularly an improved closed cycle hot gas engine in which substantially the entire mass of working gas runs the same Ericsson cycle, thereby achieving maximized thermal efficiency. The engine embodiments of the invention consist of paired cylinders connected together by leak-tight means for controlled working gas operation. The working gas is simultaneously heated and expanded in the heating cylinder and then simultaneously cooled and compressed in the cooling cylinder to achieve the isothermal expansion and compression stages, respectively, of the four-stage Ericsson Cycle circuit. The improvements consist of means for providing both reciprocating operation of the cylinder pistons and also control of the relative motion of the pistons relative to each other. The relative motion of the piston is such that during the entire simultaneous expansion and heating stage, virtually all of the working gas is contained in the heating cylinder, and during the entire simultaneous compression and cooling stage, virtually all of the mass of the working gas is contained in the cooling cylinder. Between these two isothermal stages, the mass of gas is transferred isobarically between the cylinders by storing or recovering, respectively, the heat of the working gas in a state-of-the-art regenerator located in series in the flow path between the heating and cooling cylinders.

[031] O documento US4676067, descreve um MOTOR A GÁS QUENTE ACIONADO POR MANIVELA COM EFICIÊNCIA TÉRMICA MAZIMIZADA, particularmente um motor a gás quente de pistão alternativo acionado por manivela aprimorado, no qual praticamente toda a massa de gás de trabalho executa o mesmo ciclo Ericsson, alcançando assim eficiência térmica maximizada. As modalidades de motor da invenção consistem em cilindros quentes e frios emparelhados, conectados entre si através de caminhos de fluxo vedados contra vazamentos com válvulas e regenerador incluídos. São apresentadas modalidades para operações de ciclo aberto e de ciclo fechado. As melhorias consistem no posicionamento relativo da manivela do pistão e na operação da válvula temporizada, de modo que o gás de trabalho que iniciou a expansão isotérmica em um cilindro quente permaneça essencialmente naquele cilindro quente durante toda a duração da etapa de expansão isotérmica, e o gás de trabalho que iniciou a expansão isotérmica a compressão em um cilindro frio permanece essencialmente naquele cilindro frio durante toda a duração da etapa de compressão isotérmica. A segunda melhoria diz respeito à transferência de calor dentro dos cilindros. Nas modalidades da invenção, a área de transferência de calor é gerada dentro dos cilindros, dentro dos volumes varridos pelos pistões, minimizando assim o vazio ou espaço morto dentro dos cilindros.[031] Document US4676067, describes a CRANK-DRIVED HOT GAS ENGINE WITH ENHANCED THERMAL EFFICIENCY, particularly an improved crank-driven reciprocating piston hot gas engine in which substantially the entire mass of working gas runs the same Ericsson cycle, thereby achieving maximized thermal efficiency. The engine embodiments of the invention consist of paired hot and cold cylinders connected to each other through leak-sealed flow paths with valves and regenerator included. Embodiments for both open-cycle and closed-cycle operations are disclosed. The improvements consist of the relative positioning of the piston crank and the timing valve operation such that the working gas that has initiated isothermal expansion in a hot cylinder remains essentially in that hot cylinder throughout the duration of the isothermal expansion step, and the working gas that has initiated isothermal compression in a cold cylinder remains essentially in that cold cylinder throughout the duration of the isothermal compression step. The second improvement concerns the heat transfer within the cylinders. In embodiments of the invention, the heat transfer area is generated within the cylinders, within the volumes swept by the pistons, thus minimizing the void or dead space within the cylinders.

[032] O documento EP0411699, descreve uma BOMA DE CALOR DE CICLO STIRLING PARA SISTEMAS DE AQUECIMENTO E/OU REFRIGERAÇÃO, notadamente motores térmicos de ciclo Stirling (10) adaptados para uso como aquecimento ambiente e/ou ar- condicionado. Uma modalidade apresenta um motor principal Stirling (14) proporcionando uma máquina Stirling híbrida (10). Outra modalidade utiliza um motor de acionamento elétrico (104) como motor principal e uma modalidade final é um motor térmico Stirling de acionamento aberto (128) particularmente adaptado para aplicações automotivas acionadas por correia. As diminuições nas relações de pressão são proporcionadas pela adição intencional de volume morto ao ciclo e, particularmente, pela adição estratégica deste volume morto no regenerador (64) do dispositivo, o que se descobriu proporcionar benefícios de desempenho. Os sistemas de acordo com esta invenção podem ser utilizados tanto como aquecedores de ambiente quanto como condicionadores de ar, direcionando adequadamente o calor absorvido e rejeitado dos trocadores de calor (60, 62) do dispositivo para o ambiente apropriado.[032] Document EP0411699 describes a STIRLING CYCLE HEAT PUMP FOR HEATING AND/OR COOLING SYSTEMS, notably Stirling cycle heat engines (10) adapted for use as space heating and/or air conditioning. One embodiment features a Stirling prime mover (14) providing a hybrid Stirling machine (10). Another embodiment utilizes an electric drive motor (104) as prime mover and a final embodiment is an open drive Stirling heat engine (128) particularly adapted for belt driven automotive applications. Decreases in pressure ratios are provided by the intentional addition of dead volume to the cycle and particularly by the strategic addition of this dead volume in the regenerator (64) of the device, which has been found to provide performance benefits. The systems according to this invention can be used both as space heaters and as air conditioners, properly directing the heat absorbed and rejected from the heat exchangers (60, 62) of the device to the appropriate environment.

[033] O documento DE4024992, descreve um PROCESSO DE CONVERSÃO DE CALOR EM ENERGIA USANDO O PRINCÍPIO DE STIRLING COM COMBUSTÃO INTERNA, mais especificamente descreve uma mistura de gases de escape e ar passa por um ciclo. Em cada ciclo, uma certa fração dos gases de escape é removida no ponto de menor energia e substituída por ar fresco. O resfriamento integrado em contrafluxo (6) seguido de compressão suave, com uma pequena diferença entre as curvas isotérmica e adiabática, evita as desvantagens de um processo puramente isotérmico. As válvulas (11, 12) ficam no lado frio e a combustão ocorre em uma câmara de combustão cerâmica quente. A posição e a natureza do circuito significam que é gerado um mínimo de NOx, com o maior gradiente termodinâmico possível.[033] DE4024992 describes a HEAT TO ENERGY CONVERSION PROCESS USING THE STIRLING PRINCIPLE WITH INTERNAL COMBUSTION, more specifically it describes a mixture of exhaust gases and air passing through a cycle. In each cycle, a certain fraction of the exhaust gases is removed at the point of lowest energy and replaced by fresh air. Integrated counterflow cooling (6) followed by gentle compression, with a small difference between the isothermal and adiabatic curves, avoids the disadvantages of a purely isothermal process. The valves (11, 12) are on the cold side and combustion takes place in a hot ceramic combustion chamber. The position and nature of the circuit means that a minimum of NOx is generated, with the largest possible thermodynamic gradient.

OBJETIVOS DA INVENÇÃOOBJECTIVES OF THE INVENTION

[034] Os grandes problemas do estado da técnica são, portanto, a dificuldade das tecnologias atuais a atender projetos sustentáveis, em função da dependência de combustíveis fósseis, poluentes, com impactos graves ao ambiente e ao clima, baixa eficiência, limitada exclusivamente às temperaturas, demonstrado pelo teorema de Carnot, baixo nível de controlabilidade em função das limitações na variabilidade dos parâmetros dos modelos fundamentados nos sistemas termodinâmicos aberto e fechado, falta de flexibilidade quanto às fontes de energia, muitos exigem combustíveis refinados e específicos, alta dependência do ar (oxigênio) para combustão e muitos deles dependem de um segundo motor para leva-los à operação (um motor de partida).[034] The major problems of the state of the art are, therefore, the difficulty of current technologies in meeting sustainable projects, due to the dependence on fossil fuels, pollutants, with serious impacts on the environment and climate, low efficiency, limited exclusively to temperatures, demonstrated by Carnot's theorem, low level of controllability due to limitations in the variability of the parameters of models based on open and closed thermodynamic systems, lack of flexibility regarding energy sources, many requiring refined and specific fuels, high dependence on air (oxygen) for combustion and many of them depend on a second engine to drive them into operation (a starter motor).

[035] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes e minimizar outros problemas, porém, o maior objetivo é desenvolver novos ciclos- motores baseados em um novo conceito de sistema termodinâmico de forma que a eficiência dos motores não fique mais dependentes exclusivamente das temperaturas e cujas fontes de energia possam ser diversificadas e que permitam projeto de motores para ambientes inclusive sem ar (oxigênio). O conceito de sistema híbrido, característica própria que fundamenta esta invenção, elimina a dependência da eficiência de forma exclusiva à temperatura, a eficiência de qualquer máquina térmica depende dos seus potenciais e de seus diferenciais de potenciais, enquanto que os sistemas aberto e fechado geram potenciais onde a massa do gás é constante e por este motivo elas se cancelam nas equações, nos sistemas híbridos a massa não necessariamente é constante, portanto não se cancelam e as suas eficiências dependem dos potenciais dos quais se originam a força motriz, isto é, das pressões. O conceito de sistema híbrido proporciona potenciais dependentes, proporcionais ao produto da massa de gás de trabalho pela temperatura, como no sistema híbrido, diferente dos sistemas aberto e fechado, a massa é variável, a sua eficiência passa a ser uma função não exclusiva da temperatura, mas dependente da massa e para um motor de ciclo diferencial composto por quatro processos isotérmicos, quatro processos politrópicos regenerativos, a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e figura 4. [035] The objective of the invention focuses on eliminating some of the existing problems and minimizing others, however, the main objective is to develop new cycle engines based on a new concept of thermodynamic system so that the efficiency of the engines is no longer exclusively dependent on temperatures and whose energy sources can be diversified and which allow the design of engines for environments even without air (oxygen). The concept of hybrid system, a characteristic that underpins this invention, eliminates the dependence of efficiency exclusively on temperature. The efficiency of any heat engine depends on its potentials and their potential differentials, while open and closed systems generate potentials where the mass of the gas is constant and for this reason they cancel each other out in the equations. In hybrid systems, the mass is not necessarily constant, therefore they do not cancel each other out and their efficiencies depend on the potentials from which the driving force originates, that is, the pressures. The hybrid system concept provides dependent potentials, proportional to the product of the mass of working gas by the temperature, as in the hybrid system, unlike open and closed systems, the mass is variable, its efficiency becomes a function not exclusive to the temperature, but dependent on the mass and for a differential cycle engine composed of four isothermal processes, four regenerative polytropic processes, the efficiency is demonstrated as shown in equation (c) and figure 4.

[036] Na equação (c), (q) é o rendimento, (Tq) é a temperatura do processo isotérmico de aquecimento, (Tf) é a temperatura do processo isotérmico de resfriamento, todas as temperaturas em “Kelvin”, (n1) é o número de moles do subsistema 1, indicado pela região 21 da figura 4, (n2) é o número de moles do subsistema 2, indicado pela região 23 da figura 4.[036] In equation (c), (q) is the yield, (Tq) is the temperature of the isothermal heating process, (Tf) is the temperature of the isothermal cooling process, all temperatures in “Kelvin”, (n1) is the number of moles of subsystem 1, indicated by region 21 of figure 4, (n2) is the number of moles of subsystem 2, indicated by region 23 of figure 4.

[037] A dependência de altas temperaturas da maioria dos motores do atual estado da técnica levam também à dependência de combustíveis com alto poder calorífico, dificultando o uso de fontes limpas as quais normalmente oferecem menor temperatura, O conceito de ciclo diferencial sob o sistema híbrido, e fluido de trabalho cujos processos não obriguem a troca de fase física, elimina esta obrigatoriedade da dependência de altas temperaturas, O conceito diferencial onde o ciclo opera sempre dois processos por vez, (26 e 27) da figura 5, simultaneamente e interdependentes, viabiliza máquinas que possam operar com baixas temperaturas e por consequência, as fontes limpas renováveis, como a termossolar, geotermal, passam a ser plenamente viáveis e suas eficiências passam a ter a massa, ou número de moles, como mostrado na equação (c), como parâmetro para a obtenção de eficiências melhores, mesmo com diferenciais de temperatura relativamente baixos.[037] The dependence on high temperatures of most engines in the current state of the art also leads to dependence on fuels with high calorific value, making it difficult to use clean sources which normally offer lower temperatures. The concept of a differential cycle under the hybrid system, and a working fluid whose processes do not require physical phase change, eliminates this requirement of dependence on high temperatures. The differential concept where the cycle always operates two processes at a time, (26 and 27) in figure 5, simultaneously and interdependently, makes machines viable that can operate at low temperatures and, consequently, clean renewable sources, such as solar thermal and geothermal, become fully viable and their efficiencies now have the mass, or number of moles, as shown in equation (c), as a parameter for obtaining better efficiencies, even with relatively low temperature differentials.

[038] Os principais ciclos termodinâmicos conhecidos, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Stirling, Ericsson, Rankine e o ciclo Carnot executam um único processo por vez sequencialmente, conforme mostrado na figura 2, referenciado ao ciclo mecânico dos elementos de força motriz, seu controle é uma função direta da alimentação da fonte de energia, por sua vez, os ciclos diferenciais do sistema híbrido, executam dois processos por vez, figura 5, viabilizando o controle do ciclo termodinâmico separado do ciclo mecânico, o ciclo pode ser modulado e desta forma o ciclo mecânico passa a ser uma consequência do ciclo termodinâmico e não mais o contrário.[038] The main known thermodynamic cycles, Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe, Stirling, Ericsson, Rankine and the Carnot cycle execute a single process at a time sequentially, as shown in figure 2, referenced to the mechanical cycle of the driving force elements, its control is a direct function of the power supply of the energy source, in turn, the differential cycles of the hybrid system, execute two processes at a time, figure 5, enabling the control of the thermodynamic cycle separate from the mechanical cycle, the cycle can be modulated and in this way the mechanical cycle becomes a consequence of the thermodynamic cycle and no longer the other way around.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃODESCRIPTION OF THE INVENTION

[039] Os motores de ciclos diferenciais são caracterizados por possuírem dois subsistemas, formando um sistema híbrido, representado por (21 e 23) da figura 4, cada subsistema executa um ciclo referenciado ao outro subsistema de modo a executarem sempre dois processos simultâneos e interdependentes. De outra forma, considerando um sistema híbrido com propriedades dos sistemas aberto e do fechado simultaneamente, diz-se que o sistema executa um ciclo termodinâmico composto, figura 5, isto é, executa sempre dois processos por vez simultâneos (26 e 27) da figura 5, interdependentes, inclusive com transferência de massa. Portanto trata-se de motores e ciclos completamente distintos dos motores e ciclos baseados nos sistemas aberto ou fechado. Na figura 6 pode ser observada a relação entre o sistema híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial.[039] Differential cycle engines are characterized by having two subsystems, forming a hybrid system, represented by (21 and 23) in Figure 4, each subsystem executes a cycle referenced to the other subsystem so that they always execute two simultaneous and interdependent processes. Otherwise, considering a hybrid system with properties of both open and closed systems simultaneously, it is said that the system executes a compound thermodynamic cycle, Figure 5, that is, it always executes two simultaneous processes (26 and 27) in Figure 5, interdependent, including mass transfer. Therefore, these are engines and cycles completely different from engines and cycles based on open or closed systems. Figure 6 shows the relationship between the hybrid system and the differential thermodynamic cycle.

[040] O conceito de sistema termodinâmico híbrido é novo, é formado por dois subsistemas interdependentes e entre eles há troca de matéria e energia e ambos fornecem para fora de seus limites, energia em forma de trabalho e parte da energia em forma de calor dissipada. Este sistema termodinâmico foi criado no século XXI e oferece novas possibilidades para o desenvolvimento de motores térmicos.[040] The concept of a hybrid thermodynamic system is new. It is formed by two interdependent subsystems, between which there is an exchange of matter and energy, and both provide energy in the form of work and part of the energy in the form of dissipated heat outside their limits. This thermodynamic system was created in the 21st century and offers new possibilities for the development of heat engines.

[041] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica seja esta para uso em geração de energia ou outro uso, como força mecânica para movimentação e tração. Algumas das principais vantagens que podem ser constatadas são: a total flexibilidade quanto à fonte da energia (calor), a independência de atmosfera, não necessita de atmosfera para que um motor do ciclo diferencial possa operar, a flexibilidade quanto às temperaturas, o motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar em uma faixa muito extensa de temperatura, bem superior à maioria dos motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado, inclusive, um motor de ciclo diferencial pode ser projetado para funcionar com ambas as temperaturas abaixo de zero grau Celsius, basta que as condições de projeto promovam a expansão e contração do gás de trabalho e basta que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Outras vantagens importantes que distinguem o motor de ciclo diferencial fundamentado no sistema híbrido são a sua controlabilidade em função da facilidade na modulação dos processos termodinâmicos e em projetos de motores que dispensam o uso de motores de partida, ou no mínimo, estes seriam de pequeno porte, em função da facilidade de gerar um torque por meio do diferencial de forças propiciado pelo sistema formado por duas subcâmaras de conversão, isto é, dois subsistemas. Portanto as vantagens constatadas abrangem a flexibilidade das fontes, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em quaisquer faixas de temperatura e sua propriedade de controle da rotação e torque.[041] The present invention brings important developments for the conversion of thermal energy into mechanical energy, whether for use in power generation or other uses, such as mechanical force for movement and traction. Some of the main advantages that can be seen are: total flexibility regarding the source of energy (heat); independence from the atmosphere; no atmosphere is required for a differential cycle engine to operate; flexibility regarding temperatures; the differential cycle engine can be designed to operate in a very wide temperature range, much higher than most engines based on open and closed systems; in fact, a differential cycle engine can be designed to operate at both temperatures below zero degrees Celsius; it is sufficient that the design conditions promote the expansion and contraction of the working gas and it is sufficient that the materials chosen for its construction have the properties to perform their operational functions at the design temperatures. Other important advantages that distinguish the differential cycle engine based on the hybrid system are its controllability due to the ease of modulating thermodynamic processes and engine designs that do not require the use of starter motors, or at least, these would be small, due to the ease of generating torque through the differential of forces provided by the system formed by two conversion subchambers, i.e., two subsystems. Therefore, the advantages observed include the flexibility of the sources, promoting the use of clean and renewable sources as well as the operational advantages, being able to theoretically operate in any temperature range and its property of controlling rotation and torque.

[042] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais e motores de ciclo Stirling, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, isto é, o sistema completo é formado por dois subsistemas termodinâmicos integrados, 31 e 37, configurando um sistema termodinâmico híbrido, cada subsistema é formado por uma câmara, 33 e 35, contendo gás de trabalho e cada uma destas, são formadas por três subcâmaras, uma aquecida, 33 com 317 e 35 com 42, uma resfriada, 33 com 41 e 35 com 318, e outra isolada, 33 com 32 e 35 com 36, ou em alguns casos, esta inexistente, conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz 312, cada subsistema possui um regenerador, 310 e 314, podendo ser ativo ou passivo, entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, 34, portanto os subsistemas são abertos entre si, entre o sistema completo e o meio externo é considerado fechado, estes dois subsistemas executam simultaneamente cada ambas as temperaturas abaixo de zero grau Celsius, basta que as condições de projeto promovam a expansão e contração do gás de trabalho e basta que os materiais escolhidos para a sua construção tenham as propriedades para executar as suas funções operacionais nas temperaturas de projeto. Outras vantagens importantes que distinguem o motor de ciclo diferencial fundamentado no sistema híbrido são a sua controlabilidade em função da facilidade na modulação dos processos termodinâmicos e em projetos de motores que dispensam o uso de motores de partida, ou no mínimo, estes seriam de pequeno porte, em função da facilidade de gerar um torque por meio do diferencial de forças propiciado pelo sistema formado por duas subcâmaras de conversão, isto é, dois subsistemas. Portanto as vantagens constatadas abrangem a flexibilidade das fontes, promovendo o uso de fontes limpas e renováveis como as vantagens operacionais, podendo operar teoricamente em quaisquer faixas de temperatura e sua propriedade de controle da rotação e torque.[042] The differential cycle engine based on the hybrid system concept can be built with materials and techniques similar to conventional engines and Stirling cycle engines, as it is an engine that works with gas in a closed circuit, considering the complete system, that is, the complete system is formed by two integrated thermodynamic subsystems, 31 and 37, configuring a hybrid thermodynamic system, each subsystem is formed by a chamber, 33 and 35, containing working gas and each of these are formed by three subchambers, one heated, 33 with 317 and 35 with 42, one cooled, 33 with 41 and 35 with 318, and another isolated, 33 with 32 and 35 with 36, or in some cases, this one does not exist, connected to these two chambers there is a driving force element 312, each subsystem has a regenerator, 310 and 314, which can be active or passive, among others. The subsystems have a mass transfer element, 34, therefore the subsystems are open to each other, between the complete system and the external environment it is considered closed, these two subsystems execute simultaneously each at temperatures below zero degrees Celsius, it is enough that the design conditions promote the expansion and contraction of the working gas and it is enough that the materials chosen for its construction have the properties to perform its operational functions at the design temperatures. Other important advantages that distinguish the differential cycle engine based on the hybrid system are its controllability due to the ease in modulating the thermodynamic processes and in engine designs that dispense with the use of starter motors, or at least, these would be small, due to the ease of generating torque through the differential of forces provided by the system formed by two conversion subchambers, that is, two subsystems. Therefore, the advantages observed include the flexibility of the sources, promoting the use of clean and renewable sources as well as the operational advantages, being able to operate theoretically in any temperature range and its property of controlling rotation and torque.

[043] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais e motores de ciclo Stirling, como se trata de um motor que trabalha com gás em circuito fechado, considerando o sistema completo, isto é, o sistema completo é formado por dois subsistemas termodinâmicos integrados, 31 e 37, configurando um sistema termodinâmico híbrido, cada subsistema é formado por uma câmara, 33 e 35, contendo gás de trabalho e cada uma destas, são formadas por três subcâmaras, uma aquecida, 33 com 317 e 35 com 42, uma resfriada, 33 com 41 e 35 com 318, e outra isolada, 33 com 32 e 35 com 36, ou em alguns casos, esta inexistente, conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz 312, cada subsistema possui um regenerador, 310 e 314, podendo ser ativo ou passivo, entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, 34, portanto os subsistemas são abertos entre si, entre o sistema completo e o meio externo é considerado fechado, estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, 82, único, de oito processos, sendo quatro deles isotérmicos, (a-b), (1-2), (c-d) e (3-4), quatro politrópicos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4- 1), com transferência de massa variável. Este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Stirling. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser vários, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo pode ser sugerido os gases: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.[043] The differential cycle engine based on the hybrid system concept can be built with materials and techniques similar to conventional engines and Stirling cycle engines, as it is an engine that works with gas in a closed circuit, considering the complete system, that is, the complete system is formed by two integrated thermodynamic subsystems, 31 and 37, configuring a hybrid thermodynamic system, each subsystem is formed by a chamber, 33 and 35, containing working gas and each of these are formed by three subchambers, one heated, 33 with 317 and 35 with 42, one cooled, 33 with 41 and 35 with 318, and another isolated, 33 with 32 and 35 with 36, or in some cases, this one does not exist, connected to these two chambers there is a driving force element 312, each subsystem has a regenerator, 310 and 314, which can be active or passive, among others. the subsystems have a mass transfer element, 34, therefore the subsystems are open to each other, between the complete system and the external environment it is considered closed, these two subsystems simultaneously execute each of them a cycle of four interdependent processes forming a differential thermodynamic cycle, 82, unique, of eight processes, four of which are isothermal, (a-b), (1-2), (c-d) and (3-4), four polytropic, (b-c), (2-3), (d-a) and (4-1), with variable mass transfer. This closed circuit concept of working gas in relation to the external environment indicates that the system must be sealed, or in some cases, leaks can be admitted, as long as they are compensated. Suitable materials for this technology must be observed, they are similar, in this aspect, to the technologies of Stirling cycle engine designs. The working gas depends on the project, its application and the parameters used. There may be several gases, each one will provide specific characteristics. Examples of gases that can be suggested include: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others.

[044] As câmaras de conversão, itens que caracterizam o sistema híbrido, poderão ser construídas com diversos materiais, dependendo das temperaturas de projeto, do gás de trabalho utilizado, das pressões envolvidas, do ambiente e condições de operação. Estas câmaras possuem cada uma, três subcâmaras e estas devem ser projetadas observando a exigência de isolamento térmico entre si para minimizar o fluxo de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Estas câmaras possuem internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre as subcâmaras quente, fria, e isoladas quando esta existir, estes elementos podem ser de diversas formas geométricas, depende da exigência e dos parâmetros do projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de discos, em forma cilíndrica ou outra que permita a movimentação do gás de trabalho de forma controlada entre as subcâmaras.[044] The conversion chambers, items that characterize the hybrid system, may be built with different materials, depending on the design temperatures, the working gas used, the pressures involved, the environment and operating conditions. These chambers each have three subchambers and these must be designed observing the requirement for thermal insulation between them to minimize the flow of energy from the hot to the cold areas, this condition is important for the overall efficiency of the system. These chambers have internal elements that move the working gas between the hot and cold subchambers, and insulated when this exists. These elements may have different geometric shapes, depending on the requirements and design parameters. They may, for example, be in the form of discs, cylindrical or other shapes that allow the movement of the working gas in a controlled manner between the subchambers.

[045] O elemento de transferência de massa, 34, interliga as duas câmaras, 33 e 35, este elemento é o responsável pela transferência de parte da massa de gás de trabalho entre as câmaras que ocorre em momento específico durante os processos politrópicos. Este elemento poderá ser projetado de várias formas dependendo das exigências do projeto, poderá operar pela simples diferença de pressão, isto é, em forma de válvula, ou poderá operar de modo forçado, por exemplo, em forma de turbina, em forma de pistões ou em outra forma geométrica que lhe permita executar a transferência de massa de parte do gás de trabalho.[045] The mass transfer element, 34, interconnects the two chambers, 33 and 35. This element is responsible for transferring part of the mass of working gas between the chambers that occurs at a specific moment during the polytropic processes. This element may be designed in various ways depending on the project requirements; it may operate by simple pressure difference, that is, in the form of a valve, or it may operate in a forced manner, for example, in the form of a turbine, in the form of pistons or in another geometric shape that allows it to perform the mass transfer of part of the working gas.

[046] os regeneradores ativos, 310 e 314, operam com um gás de trabalho específico e este gás armazena a energia do gás do motor durante os processos politrópicos de abaixamento de temperatura através da expansão interna e regenera, isto é, devolve esta energia para o gás do motor durante os processos politrópicos de elevação da temperatura através da compressão. Este regenerador é chamado de regenerador ativo por realizar o seu processo de regeneração dinamicamente através de elementos mecânicos móveis e de um gás de trabalho próprio, diferentemente dos regeneradores conhecidos, passivos, os quais operam através de troca térmica entre o gás e um elemento estático, operante por condução de calor entre o gás o seu corpo. No caso em que for considerado no projeto o uso de regenerador passivo, este geralmente opera com troca de calor por condução entre o gás de trabalho e os elementos que formam o regenerador. Os regeneradores passivos não utilizam gás e elementos móveis.[046] The active regenerators, 310 and 314, operate with a specific working gas and this gas stores the energy of the engine gas during the polytropic processes of lowering the temperature through internal expansion and regenerates, that is, returns this energy to the engine gas during the polytropic processes of raising the temperature through compression. This regenerator is called an active regenerator because it performs its regeneration process dynamically through mobile mechanical elements and its own working gas, unlike the known passive regenerators, which operate through heat exchange between the gas and a static element, operating by heat conduction between the gas and its body. In the case where the use of a passive regenerator is considered in the design, this generally operates with heat exchange by conduction between the working gas and the elements that form the regenerator. Passive regenerators do not use gas and mobile elements.

[047] O elemento de força motriz, 312, é o responsável por executar o trabalho mecânico e disponibilizá-lo para usos. Este elemento de força motriz opera pelas forças do gás de trabalho do motor, este elemento poderá ser projetado de várias formas, dependendo das exigências de projeto, poderá, por exemplo, ser em forma de turbina, em forma de pistões com cilindro, bielas, virabrequins, em forma de diafragma ou em outra forma que permita a realização de trabalho a partir das forças do gás durante as conversões termodinâmicas.[047] The driving force element, 312, is responsible for performing the mechanical work and making it available for use. This driving force element operates by the forces of the engine's working gas. This element may be designed in various ways, depending on the design requirements. It may, for example, be in the form of a turbine, in the form of pistons with cylinders, connecting rods, crankshafts, in the form of a diaphragm or in another form that allows work to be performed from the forces of the gas during thermodynamic conversions.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOSDESCRIPTION OF DRAWINGS

[048] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema híbrido, nas quais estão representadas:A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado;A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado;A figura 3 mostra a ideia original da máquina térmica de Carnot, conceituada em 1824 por Nicolas Sadi Carnot;A figura 4 representa o conceito de sistema termodinâmico híbrido;A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos diferenciais fundamentados no sistema híbrido;A figura 6 mostra o sistema termodinâmico híbrido e um ciclo termodinâmico diferencial e o detalhe dos dois processos termodinâmicos que ocorrem simultaneamente; A figura 7 mostra o modelo mecânico constituído pelos dois subsistemas termodinâmicos que formam um motor térmico sob o conceito de sistema híbrido e seu regenerador ativo;A figura 8 mostra o motor indicando a fase em que um dos regeneradores, elemento 310, equaliza a sua temperatura a temperatura da fonte quente;A figura 9 mostra o motor indicando a fase em que o segundo regenerador, elemento 314, equaliza a sua temperatura a temperatura da fonte quente;A figura 10 mostra um dos subsistemas, grupo 31, realizando o processo isotérmico de alta temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isotérmico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico;A figura 11 mostra um dos subsistemas, grupo 31, realizando o processo politrópico de abaixamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo politrópico de levantamento da temperatura do ciclo termodinâmico;A figura 12, mostra por sua vez, o primeiro subsistema, grupo 31, realizando o seu processo isotérmico de baixa temperatura do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo isotérmico de alta temperatura do ciclo termodinâmico;A figura 13 mostra primeiro subsistema, grupo 31, realizando o processo politrópico de levantamento da temperatura, do ciclo termodinâmico e o segundo subsistema, grupo 37, realizando o processo politrópico de abaixamento da temperatura do ciclo termodinâmico;A figura 14 mostra o ciclo termodinâmico ideal do regenerador ativo;A figura 15 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de transferência de calor para o seu respectivo regenerador ativo; A figura 16 mostra o detalhe do ciclo termodinâmico de um dos subsistemas e o ciclo termodinâmico no processo de regeneração do calor por parte de seu respectivo regenerador ativo;A figura 17 mostra o ciclo termodinâmico diferencial ideal composto por dois processos isotérmicos de alta temperatura, dois processos isotérmicos de baixa temperatura dois processos politrópicos de abaixamento de temperatura, transferência de calor, dois processos politrópicos de elevação de temperatura, regeneração de calor, e os processos termodinâmicos do regenerador ativo;A figura 18 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia geotermal;A figura 19 mostra um exemplo de aplicação do motor para uma planta geradora de eletricidade tendo como fonte primária a energia termossolar;A figura 20 mostra um exemplo de aplicação do motor de ciclo diferencial para um projeto de um sistema combinado, formando um ciclo combinado com um motor de combustão interna do sistema aberto.[048] The attached figures demonstrate the main characteristics and properties of the old concepts of heat engines and the proposed innovations based on the hybrid system, in which they are represented: Figure 1 represents the concept of an open thermodynamic system and the concept of a closed thermodynamic system; Figure 2 represents the characteristics of all thermodynamic cycles based on open and closed systems; Figure 3 shows the original idea of Carnot's heat engine, conceptualized in 1824 by Nicolas Sadi Carnot; Figure 4 represents the concept of a hybrid thermodynamic system; Figure 5 represents the characteristics of the differential thermodynamic cycles based on the hybrid system; Figure 6 shows the hybrid thermodynamic system and a differential thermodynamic cycle and the detail of the two thermodynamic processes that occur simultaneously; Figure 7 shows the mechanical model consisting of the two thermodynamic subsystems that form a heat engine under the concept of a hybrid system and its active regenerator; Figure 8 shows the engine indicating the phase in which one of the regenerators, element 310, equalizes its temperature to the temperature of the hot source; Figure 9 shows the engine indicating the phase in which the second regenerator, element 314, equalizes its temperature to the temperature of the hot source; Figure 10 shows one of the subsystems, group 31, performing the high-temperature isothermal process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, performing the low-temperature isothermal process of the thermodynamic cycle; Figure 11 shows one of the subsystems, group 31, performing the polytropic process of lowering the temperature of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, performing the polytropic process of raising the temperature of the thermodynamic cycle; Figure 12, in turn, shows the first subsystem, group 31, carrying out its low temperature isothermal process of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, carrying out the high temperature isothermal process of the thermodynamic cycle; Figure 13 shows the first subsystem, group 31, carrying out the polytropic process of raising the temperature of the thermodynamic cycle and the second subsystem, group 37, carrying out the polytropic process of lowering the temperature of the thermodynamic cycle; Figure 14 shows the ideal thermodynamic cycle of the active regenerator; Figure 15 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat transfer process to its respective active regenerator; Figure 16 shows the detail of the thermodynamic cycle of one of the subsystems and the thermodynamic cycle in the heat regeneration process by its respective active regenerator; Figure 17 shows the ideal differential thermodynamic cycle composed of two high-temperature isothermal processes, two low-temperature isothermal processes, two polytropic processes of temperature lowering, heat transfer, two polytropic processes of temperature raising, heat regeneration, and the thermodynamic processes of the active regenerator; Figure 18 shows an example of application of the engine for an electricity generating plant having geothermal energy as the primary source; Figure 19 shows an example of application of the engine for an electricity generating plant having solar thermal energy as the primary source; Figure 20 shows an example of application of the differential cycle engine for a combined system design, forming a combined cycle with an open system internal combustion engine.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[049] O motor de ciclo diferencial constituído por dois processos isotérmicos de alta temperatura, dois processos isotérmicos de baixa temperatura, dois processos politrópicos de transferência de calor, dois processos politrópicos de regeneração de calor com regenerador ativo ou passivo é fundamentado em um sistema termodinâmico híbrido por possuir dois subsistemas termodinâmicos interdependentes os quais cada um realiza um ciclo termodinâmico que interagem entre si, podendo trocar calor, trabalho e massa conforme é representado na figura 4. Em 22, da figura 4, é mostrado o sistema híbrido composto por dois subsistemas indicados por 21 e 23.[049] The differential cycle engine consisting of two high temperature isothermal processes, two low temperature isothermal processes, two polytropic heat transfer processes, two polytropic heat regeneration processes with active or passive regenerator is based on a hybrid thermodynamic system as it has two interdependent thermodynamic subsystems which each perform a thermodynamic cycle that interacts with each other, being able to exchange heat, work and mass as represented in figure 4. In 22, of figure 4, the hybrid system composed of two subsystems indicated by 21 and 23 is shown.

[050] Na figura 6 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial, detalhando, neste caso os processos, que quando em um dos subsistemas, no tempo (t1) o ciclo opera com massa (m1), número de mol (n1) e temperatura (Tq), neste mesmo instante, simultaneamente, no outro subsistema, o ciclo opera com massa (m2), número de mol (n2), temperatura (Tf). Em uma máquina baseada em um sistema híbrido composto por dois subsistemas, a soma da massa de gás de trabalho é sempre constante (m1 + m2 = cte), porém não necessariamente são constantes nos seus respectivos subsistemas, entre eles pode haver troca de massa.[050] Figure 6 shows again the hybrid thermodynamic system and the differential thermodynamic cycle, detailing, in this case, the processes, that when in one of the subsystems, at time (t1) the cycle operates with mass (m1), number of moles (n1) and temperature (Tq), at this same time, simultaneously, in the other subsystem, the cycle operates with mass (m2), number of moles (n2), temperature (Tf). In a machine based on a hybrid system composed of two subsystems, the sum of the mass of working gas is always constant (m1 + m2 = cte), but they are not necessarily constant in their respective subsystems, between them there may be an exchange of mass.

[051] Na figura 7 é mostrado o modelo de motor baseado no sistema híbrido contendo dois subsistemas indicado por 31 e 37. Cada subsistema possui sua câmara de conversão termomecânica, 33 e 35, um elemento de força motriz, 312, um regenerador ativo, 310 e 314, seus eixos de transmissão, respectivamente, 38, 39, 311 e 313, 315, 316. Fazendo conexão entre os subsistemas para os processos de transferência de massa, há um elemento de transferência de massa 34.[051] Figure 7 shows the engine model based on the hybrid system containing two subsystems indicated by 31 and 37. Each subsystem has its thermomechanical conversion chamber, 33 and 35, a driving force element, 312, an active regenerator, 310 and 314, its transmission shafts, respectively, 38, 39, 311 and 313, 315, 316. Connecting the subsystems for the mass transfer processes, there is a mass transfer element 34.

[052] Na figura 8 e figura 9 é mostrado o processo responsável por gerar o estado inicial de operação dos regeneradores, 310 e 314. No estado inicial de operação, os regeneradores são, ambos, levados a equalizar-se com a temperatura da fonte quente (Tq). Na figura 8, enquanto um dos subsistemas, 31, realiza seu processo isotérmico de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, 38, 39 e 311, equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema 31 em (Tq), mostrado no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em 71. Na figura 9, enquanto o segundo subsistema, 37, realiza seu processo isotérmico de alta temperatura, seu respectivo regenerador é pressurizado por força mecânica através das transmissões, 316, 315 e 313, equalizando-se com a temperatura do gás de trabalho do subsistema 37 em (Tq), mostrado também no gráfico da figura 14 no trajeto indicado em 71.[052] Figure 8 and Figure 9 show the process responsible for generating the initial operating state of the regenerators 310 and 314. In the initial operating state, the regenerators are both brought to equalize with the temperature of the hot source (Tq). In Figure 8, while one of the subsystems, 31, performs its high-temperature isothermal process, its respective regenerator is pressurized by mechanical force through transmissions, 38, 39 and 311, equalizing with the temperature of the working gas of subsystem 31 at (Tq), shown in the graph of Figure 14 in the path indicated at 71. In Figure 9, while the second subsystem, 37, performs its high-temperature isothermal process, its respective regenerator is pressurized by mechanical force through transmissions, 316, 315 and 313, equalizing with the temperature of the working gas of subsystem 37 at (Tq), also shown in the graph of Figure 14 in the path indicated at 71.

[053] As figuras 10, 11, 12 e 13 mostram como ocorrem mecanicamente os oitoprocessos, quatro isotérmicos e quatro politrópicos com transferência de massa e com regeneração do calor. Na figura 10, o subsistema 31 expõe o gás de trabalho à fonte quente, na temperatura (Tq), indicado em 317, este subsistema executa o processo isotérmico de alta temperatura e simultaneamente o subsistema indicado por 37 expõe o gás de trabalho à fonte fria, na temperatura (Tf), indicado em 318, e neste instante, simultaneamente, este subsistema executa o processo isotérmico de baixa temperatura. Estes processos se alternam ente os subsistemas, conforme mostrado na figura 12. Após finalização dos processos isotérmicos, na figura 11 e 13 são mostrados como os subsistemas processam os seus respectivos processos politrópicos com ou sem transferência de massa e com regeneração, após o subsistema 31 finalizar seu processo isotérmico de alta temperatura, o gás é exposto a uma região isolada termicamente, indicado por 32, o gás, inicialmente na temperatura quente (Tq), cede calor para o regenerador 310 o qual parte do estado quente, expande o gás interno até retirar o calor do gás de trabalho e seu próprio, até atingir uma temperatura fria (Tf) através da expansão do gás, transferindo a energia para seu eixo em forma de energia cinética mecânica, simultaneamente, parte do gás de trabalho do subsistema 31, com pressão maior, é transferido para o subsistema 37 em pressão menor através do elemento de transferência de massa indicado em 34, conclui-se assim o processo politrópico deabaixamento da temperatura do subsistema 31, simultaneamente, o subsistema 37recebe parte da massa de gás de trabalho do subsistema 31, e ocorre também,simultaneamente a regeneração do calor do regenerador 314, levando o gás datemperatura fria (Tf) para uma temperatura mais quente na qual inicia-se o processo isotérmico de alta temperatura através da pressurização do gás interno do regenerador pela energia mecânica nos eixos obtida no processo de expansão, finalizando o processo politrópico de regeneração. E o subsistema 37 passa a ter massa maior que o subsistema 31. Porém nos processos politrópicos, os elementos de força motriz também executam compressões e expansões e existe um compartilhamento no processo de calor e energia entre o gás como o regenerador e com os elementos de força motriz simultaneamente.[053] Figures 10, 11, 12 and 13 show how the eight processes occur mechanically, four isothermal and four polytropic with mass transfer and heat regeneration. In Figure 10, subsystem 31 exposes the working gas to the hot source, at temperature (Tq), indicated in 317, this subsystem executes the high temperature isothermal process and simultaneously the subsystem indicated by 37 exposes the working gas to the cold source, at temperature (Tf), indicated in 318, and at this moment, simultaneously, this subsystem executes the low temperature isothermal process. These processes alternate between the subsystems, as shown in Figure 12. After the isothermal processes are completed, Figures 11 and 13 show how the subsystems process their respective polytropic processes with or without mass transfer and with regeneration. After subsystem 31 completes its high-temperature isothermal process, the gas is exposed to a thermally isolated region, indicated by 32. The gas, initially at a hot temperature (Tq), gives off heat to regenerator 310, which starts from the hot state and expands the internal gas until it removes heat from the working gas and its own heat, until it reaches a cold temperature (Tf) through the expansion of the gas, transferring the energy to its axis in the form of mechanical kinetic energy. At the same time, part of the working gas from subsystem 31, with higher pressure, is transferred to subsystem 37 at lower pressure through the mass transfer element indicated in 34. This concludes the polytropic process of lowering the temperature of the subsystem. 31, simultaneously, subsystem 37 receives part of the mass of working gas from subsystem 31, and the heat from regenerator 314 is also regenerated simultaneously, taking the gas from the cold temperature (Tf) to a hotter temperature at which the isothermal high temperature process begins through the pressurization of the internal gas of the regenerator by the mechanical energy in the shafts obtained in the expansion process, ending the polytropic regeneration process. And subsystem 37 now has a greater mass than subsystem 31. However, in polytropic processes, the driving force elements also perform compressions and expansions and there is a sharing in the process of heat and energy between the gas and the regenerator and with the driving force elements simultaneously.

[054] O processo politrópico neste ciclomotor possui características intermediárias entre os processos isocóricos e adiabáticos e pode ser descrito pela expressão (d). [054] The polytropic process in this cycle engine has intermediate characteristics between the isochoric and adiabatic processes and can be described by expression (d).

[055] No limite onde (k → +∞), o processo politrópico ganha características isocóricas, e no limite onde (k → Y), o processo politrópico ganha características isentrópicas ou adiabáticas, portanto, em projetos na prática, o parâmetro (k) será maior que (Y), o coeficiente de expansão adiabático, e a inclinação da curva da variação da pressão com o volume estará entre a inclinação do processo isocórico e a inclinação do processo adiabático.[055] In the limit where (k → +∞), the polytropic process gains isochoric characteristics, and in the limit where (k → Y), the polytropic process gains isentropic or adiabatic characteristics, therefore, in practical projects, the parameter (k) will be greater than (Y), the adiabatic expansion coefficient, and the slope of the pressure variation curve with volume will be between the slope of the isochoric process and the slope of the adiabatic process.

[056] O gráfico da figura 14 esclarece como o regenerador ativo funciona, a curva indicada por 71 mostra o processo inicial para condicionar a operacionalidade do regenerador, a curva indicada por 72 mostra o processo do regenerador em operação com o ciclo do motor, ocorre alternadamente e sequencialmente a transferência de calor do gás do motor para o regenerador, este saindo da temperatura quente (Tq) para a temperatura (Tf) e a regeneração quando o processo ocorre ao contrário, partindo da temperatura (Tf) para a temperatura (Tq). Estes processos sempre ocorrem durante os processos politrópicos do ciclo do motor.[056] The graph in figure 14 clarifies how the active regenerator works, the curve indicated by 71 shows the initial process to condition the regenerator's operability, the curve indicated by 72 shows the regenerator process in operation with the engine cycle, the heat transfer from the engine gas to the regenerator occurs alternately and sequentially, this leaving the hot temperature (Tq) for the temperature (Tf) and the regeneration when the process occurs in reverse, starting from the temperature (Tf) for the temperature (Tq). These processes always occur during the polytropic processes of the engine cycle.

[057] A curva 71 da figura 14 é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão: [057] Curve 71 in figure 14 is an adiabatic process and its energy in units (Joule) is represented by the following expression:

[058] Esta energia (W71) é a energia interna do gás do próprio regenerador que permanece internamente durante todo o tempo em que o motor estará funcionando.[058] This energy (W71) is the internal energy of the gas in the regenerator itself, which remains internally throughout the entire time the engine is running.

[059] A curva 72 da figura 14 também é um processo adiabático e sua energia na unidade (Joule) é representada pela seguinte expressão: [059] Curve 72 in figure 14 is also an adiabatic process and its energy in units (Joule) is represented by the following expression:

[060] O primeiro termo da energia (W72) é a própria energia interna do gás mostrado por (W71) e permanece indefinidamente no regenerador, o segundo termo, é a energia das adiabáticas do ciclo do motor nos processo politrópicos, corresponde a soma das energias da expansão do gás do regenerador e da expansão do gás do próprio motor, os parâmetros (Tq) e (Tf) são substituídos pelos parâmetros do respectivo intervalo em que ocorrem a transferência de calor para o regenerador e a regeneração, ambos são iguais.[060] The first energy term (W72) is the internal energy of the gas shown by (W71) and remains indefinitely in the regenerator, the second term is the adiabatic energy of the engine cycle in polytropic processes, corresponding to the sum of the energies of the expansion of the gas in the regenerator and the expansion of the gas in the engine itself, the parameters (Tq) and (Tf) are replaced by the parameters of the respective interval in which heat transfer to the regenerator and regeneration occur, both are equal.

[061] O processo termodinâmico da curva 72 da figura 14 ocorre nas condições mostradas nos desenhos mecânicos das figuras 11 e 13.[061] The thermodynamic process of curve 72 in Figure 14 occurs under the conditions shown in the mechanical drawings of Figures 11 and 13.

[062] A figura 15 mostra em 73 os processos que formam o ciclo de um dos subsistemas. O processo (b-c) do ciclo mostrado em 73 é politrópico e inicia no ponto (b) na temperatura quente (Tq), com (n1) mol de gás e segue para o ponto (c), transferindo parte da massa de gás, equivalente a (n 1 -n2) mol de gás para o outro subsistema e transferindo seu calor (energia) para o regenerador e parte simultaneamente para o elemento de força motriz do motor, chegando ao ponto (c) numa temperatura mais fria de início do processo isotérmico (Tf) e com (n2) mol de gás. O gráfico 75 mostra o processo em que o regenerador retira o calor do gás do subsistema, através da expansão do gás interno do regenerador ativo.[062] Figure 15 shows in 73 the processes that form the cycle of one of the subsystems. Process (b-c) of the cycle shown in 73 is polytropic and starts at point (b) at the hot temperature (Tq), with (n1) mole of gas and continues to point (c), transferring part of the mass of gas, equivalent to (n1 -n2) mole of gas to the other subsystem and transferring its heat (energy) to the regenerator and part simultaneously to the driving force element of the engine, reaching point (c) at a colder temperature at the start of the isothermal process (Tf) and with (n2) mole of gas. Graph 75 shows the process in which the regenerator removes heat from the gas in the subsystem, through the expansion of the internal gas of the active regenerator.

[063] A figura 16 mostra em 77, simultaneamente ao ciclo mostrado na figura 15, os processos que formam o ciclo do outro subsistema que compreende o conceito do motor formado por dois subsistemas interdependentes. O processo politrópico (b-c) mostrado na figura 15 no primeiro subsistema é de abaixamento da temperatura do gás, a sua energia é transferida ao regenerador ativo e ao elemento de força motriz, simultaneamente ocorre no segundo subsistema um processo politrópico (4-1) de crescimento da temperatura, mostrado na figura 16, a massa de gás equivalente a (n1 - n2) mol de gás do primeiro subsistema é transferido a partir do ponto (b), mostrado em 73, para o segundo subsistema, indicado no detalhe 78, figura 16, o qual inicia este processo politrópico com (n2) mol de gás em (4) e chega em (1) com (n1) mol de gás na temperatura quente (Tq) recebida da energia armazenada do regenerador ativo e do elemento de força motriz do motor, cuja curva da parcela do regenerador de seu processo está indicada em 76.[063] Figure 16 shows in 77, simultaneously with the cycle shown in figure 15, the processes that form the cycle of the other subsystem that comprises the concept of the engine formed by two interdependent subsystems. The polytropic process (b-c) shown in figure 15 in the first subsystem is a lowering of the gas temperature, its energy is transferred to the active regenerator and to the driving force element, simultaneously a polytropic process (4-1) of temperature increase occurs in the second subsystem, shown in figure 16, the mass of gas equivalent to (n1 - n2) mole of gas from the first subsystem is transferred from point (b), shown in 73, to the second subsystem, indicated in detail 78, figure 16, which starts this polytropic process with (n2) mole of gas in (4) and arrives in (1) with (n1) mole of gas at the hot temperature (Tq) received from the stored energy of the active regenerator and the driving force element of the engine, whose curve of the regenerator portion of its process is indicated in 76.

[064] A figura 17 mostra o ciclo diferencial ideal do motor, de oito processos, completo, baseado no conceito de sistema termodinâmico híbrido, onde sempre ocorrem dois processos simultâneos no motor, exemplificado pelas indicações 86 e 88, até formar o ciclo completo de oito processos e ciclos de dois processos em cada um dos dois regeneradores ativos. Em 82, a sequência (1-2-3-4-1) mostra os processos de um dos subsistemas que formam o ciclo do motor, a sequência (a-b-c-d-a) mostra os processos do outro subsistema, em 81 são mostrados os processos de um dos regeneradores ativos, em 83 são mostrados os processos do outro regenerador ativo, todos interdependentes.[064] Figure 17 shows the complete, ideal eight-process differential engine cycle, based on the hybrid thermodynamic system concept, where two simultaneous processes always occur in the engine, exemplified by indications 86 and 88, until forming the complete eight-process cycle and two-process cycles in each of the two active regenerators. In 82, the sequence (1-2-3-4-1) shows the processes of one of the subsystems that form the engine cycle, the sequence (a-b-c-d-a) shows the processes of the other subsystem, in 81 the processes of one of the active regenerators are shown, in 83 the processes of the other active regenerator are shown, all interdependent.

[065] Na figura 17, em 82. A curva indicada por 87 mostra os processos (a-b-c-d-a) de um dos subsistemas, o processo (a-b) é isotérmico de alta temperatura onde ocorre a entrada de energia no sistema, ocorre simultaneamente com o processo isotérmico de baixa temperatura (3-4) por onde ocorre o descarte da energia não utilizada, da curva indicada por 85 do outro subsistema. O processo (b-c) é politrópico de abaixamento de temperatura, ocorre simultaneamente com o processo (4-1), também politrópico, porém de aumento da temperatura, no processo (b-c) ocorre a transferência de calor (energia) do gás do motor para o elemento de força motriz do motor e também do gás do motor para o regenerador mostrado em 83, num processo adiabático indicado pela curva 89, simultaneamente no processo (4-1) ocorre a regeneração do calor (energia) para o gás do motor recebida do elemento de força motriz do motor e do regenerador mostrado em 81, também num processo adiabático indicado pela curva 84, simultaneamente ainda, durante os processos politrópicos do ciclo do motor e durante os processos adiabáticos dos regeneradores ativos, ocorre a transferência de massa, saindo (ni - n2) mol de gás no processo (b-c), para o outro subsistema, durante o processo politrópico (4-1), mostrado no detalhe 78 na curva do gráfico 77 na figura 16. Os processos (2-3) e (d-a) são idênticos aos processos (b-c) e (4-1). O processo (c-d) é isotérmico de baixa temperatura e ocorre simultaneamente ao processo (1-2), isotérmico de alta temperatura. O processo (d-a) é politrópico de aumento de temperatura (regeneração), com incremento de massa e ocorre simultaneamente ao processo (2-3) politrópico de redução de temperatura (transferência de calor ao regenerador), com redução de massa, finalizando assim o ciclo termodinâmico com oito processos do motor, sempre dois simultâneos e os ciclos dos dois regeneradores ativos, cada um com dois processos adiabáticos. A soma da massa de gás de trabalho dos dois subsistemas que formam o motor é sempre constante.[065] In figure 17, at 82. The curve indicated by 87 shows the processes (a-b-c-d-a) of one of the subsystems, the process (a-b) is high temperature isothermal where energy enters the system, it occurs simultaneously with the low temperature isothermal process (3-4) where unused energy is discarded, from the curve indicated by 85 of the other subsystem. Process (b-c) is a polytropic process of temperature reduction, it occurs simultaneously with process (4-1), also polytropic, but of temperature increase, in process (b-c) there is a transfer of heat (energy) from the engine gas to the engine's driving force element and also from the engine gas to the regenerator shown in 83, in an adiabatic process indicated by curve 89, simultaneously in process (4-1) there is a regeneration of heat (energy) for the engine gas received from the engine's driving force element and the regenerator shown in 81, also in an adiabatic process indicated by curve 84, simultaneously still, during the polytropic processes of the engine cycle and during the adiabatic processes of the active regenerators, mass transfer occurs, leaving (ni - n2) mol of gas in process (b-c), for the other subsystem, during the polytropic process (4-1), shown in detail 78 in the curve of graph 77 in figure 16. The processes (2-3) and (d-a) are identical to processes (b-c) and (4-1). Process (c-d) is low-temperature isothermal and occurs simultaneously with process (1-2), which is high-temperature isothermal. Process (d-a) is polytropic in increasing temperature (regeneration), with an increase in mass, and occurs simultaneously with process (2-3), a polytropic in reducing temperature (heat transfer to the regenerator), with a reduction in mass, thus completing the thermodynamic cycle with eight engine processes, two of which are always simultaneous, and the cycles of the two active regenerators, each with two adiabatic processes. The sum of the mass of working gas in the two subsystems that form the engine is always constant.

[066] Nas câmaras de conversão do motor, os processos isotérmicos do ciclo do motor (1-2), (a-b), (3-4) e (c-d) são realizados com o gás confinado em uma geometria caracterizada por uma propriedade térmica em que o gás tenha isonomia da temperatura tal que o mesmo tende a equalizar com os elementos quentes ou frios durante todo o processo isotérmico, isto é, um processo isotérmico. Esta geometria deve ser caracterizada por uma área de contato grande e uma profundidade pequena para a penetração do calor no gás de forma a produzir uma isonomia térmica em todo o processo isotérmico. Os processos politrópicos do ciclo do motor (2-3) e (b-c) são realizados com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o elemento de força motriz do motor e o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizarão uma expansão rápida, adiabática, transferindo a energia do gás para os elementos mecânicos do regenerador e do motor, armazenando a energia em forma de energia cinética e nos processos politrópicos do ciclo do motor (4-1) e (d-a) são realizados também com o gás em uma região isolada termicamente ou na transição entre as áreas quentes e frias do motor, e neste processo o regenerador em contato térmico com o gás de trabalho realizará uma compressão rápida juntamente com o elemento de força motriz do motor, adiabática, transferindo a energia cinética de seus elementos de volta para o gás do motor, elevando sua temperatura, concluindo a regeneração.[066] In the engine conversion chambers, the isothermal processes of the engine cycle (1-2), (a-b), (3-4) and (c-d) are carried out with the gas confined in a geometry characterized by a thermal property in which the gas has temperature isonomy such that it tends to equalize with the hot or cold elements throughout the isothermal process, that is, an isothermal process. This geometry must be characterized by a large contact area and a small depth for heat penetration into the gas in order to produce thermal isonomy throughout the isothermal process. The polytropic processes of the engine cycle (2-3) and (b-c) are carried out with the gas in a thermally isolated region or in the transition between the hot and cold areas of the engine, and in this process the engine's driving force element and the regenerator in thermal contact with the working gas will perform a rapid, adiabatic expansion, transferring the energy of the gas to the mechanical elements of the regenerator and the engine, storing the energy in the form of kinetic energy. In the polytropic processes of the engine cycle (4-1) and (d-a), they are also carried out with the gas in a thermally isolated region or in the transition between the hot and cold areas of the engine, and in this process the regenerator in thermal contact with the working gas will perform a rapid compression together with the engine's driving force element, adiabatic, transferring the kinetic energy of its elements back to the engine gas, raising its temperature, concluding the regeneration.

[067] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo diferencial de oito processos do motor térmico mostrados passo a passo, com quatro processos isotérmicos, quatro processos politrópicos e o ciclo termodinâmico com dois processos adiabáticos do regenerador ativo e etapas de transferência de massa.Tabela 1 [067] Table 1 shows process by process that form the differential cycle of eight heat engine processes shown step by step, with four isothermal processes, four polytropic processes and the thermodynamic cycle with two adiabatic processes of the active regenerator and mass transfer steps.Table 1

[068] Este ciclo diferencial de um motor composto por dois subsistemas baseado no conceito de sistema híbrido, cuja curva da pressão e do volume é indicado na figura 17, possui oito processos, dois processos isotérmicos de alta temperatura de entrada de energia no sistema, curvas (1-2) e (a-b) são representadas pelas expressões (g) e (h), dois processos isotérmicos de baixa temperatura de descarte da energia não utilizada, curvas (3-4) e (c-d) representados pelas expressões (i) e (j), dois processos politrópicos de transferência de calor (2-3) e (b-c) por meio de um regenerador ativo, representados pelas expressões (k) e (l), dois processos politrópicos de regeneração de calor (4-1) e (d-a), representados pelas expressões (m) e (n). As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias. [068] This differential cycle of an engine composed of two subsystems based on the hybrid system concept, whose pressure and volume curve is shown in Figure 17, has eight processes, two isothermal high-temperature processes of energy input into the system, curves (1-2) and (ab) are represented by expressions (g) and (h), two isothermal low-temperature processes of discarding unused energy, curves (3-4) and (cd) represented by expressions (i) and (j), two polytropic heat transfer processes (2-3) and (bc) by means of an active regenerator, represented by expressions (k) and (l), two polytropic heat regeneration processes (4-1) and (da), represented by expressions (m) and (n). The expressions consider the sign of the direction of the energy flow.

[069] O total de energia de entrada no motor é a soma das energias Q(!-2) e Q(a-b) e é representada pela expressão (o) abaixo. [069] The total input energy to the motor is the sum of the energies Q(!-2) and Q(ab) and is represented by the expression (o) below.

[070] O total de energia descartada para o meio exterior é a soma das energias Q(3-4) e Q(ca-d) e na sua forma positiva, é representada pela expressão (p) abaixo. [070] The total energy discarded to the external environment is the sum of the energies Q(3-4) and Q(ca-d) and in its positive form, is represented by the expression (p) below.

[071] O trabalho útil total do motor, considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (q) abaixo. [071] The total useful work of the motor, considering an ideal model without losses, is the difference between the energy input and output and is represented by the expression (q) below.

[072] Os processos politrópicos, mostrados pelas expressões (k), (l), (m) e (n) são iguais e regenerativos, a energia é transferida no processo de abaixamento de temperatura e regenerada nos processos de aumento da temperatura, isto é, a energia se conserva nos subsistemas.[072] The polytropic processes, shown by the expressions (k), (l), (m) and (n) are equal and regenerative, the energy is transferred in the temperature lowering process and regenerated in the temperature increasing processes, that is, the energy is conserved in the subsystems.

[073] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo diferencial de oito processos, quatro processos isotérmicos, quatro processos politrópicos com transferência de massa e regenerador ativo é dada pela expressão (r), caracterizando que os ciclos diferenciais baseados no sistema termodinâmico híbrido possuem como parâmetro da eficiência, também o número de moles ou massa nos processos e, portanto, estes ciclos não possuem suas eficiências dependentes exclusivamente das temperaturas. [073] The final theoretical demonstration of the efficiency of the differential cycle of eight processes, four isothermal processes, four polytropic processes with mass transfer and active regenerator is given by the expression (r), characterizing that the differential cycles based on the hybrid thermodynamic system also have as an efficiency parameter the number of moles or mass in the processes and, therefore, these cycles do not have their efficiencies dependent exclusively on temperatures.

EXEMPLOS DE APLICAÇÕESAPPLICATION EXAMPLES

[074] Os motores de ciclo diferenciais baseados no sistema híbrido operam com calor, não exigem combustão, embora possa ser utilizada, não exige queima de combustíveis, embora possa ser utilizada, portanto podem operar em ambientes com ou sem atmosfera. O ciclo termodinâmico não exige troca do estado físico do gás de trabalho. Pelas suas propriedades expostas nesta descrição, os motores de ciclo diferenciais podem ser projetados para operar em uma larga faixa de temperatura, superiores à maioria dos ciclos motores existentes baseados nos sistemas aberto ou fechado. Os motores de ciclo diferenciais são totalmente flexíveis quanto à fonte da energia (calor), na figura 18 é mostrado uma aplicação para o emprego do motor de ciclo diferencial para a geração de energia a partir de fontes geotermais. A figura 18 mostra um sistema de transferência de calor do solo 96 para um coletor 94, formado basicamente por uma bomba 97 que injeta um fluido, normalmente água, pelo duto 93. O calor no coletor 94 é transferido para o motor de ciclo diferencial 91, o qual descarta parte da energia para o meio externo através do trocador de calor 95 e converte outra parte da energia em trabalho, operando um gerador 92 o qual produz eletricidade.[074] Differential cycle engines based on the hybrid system operate with heat, do not require combustion, although it can be used, do not require fuel combustion, although it can be used, and therefore can operate in environments with or without atmosphere. The thermodynamic cycle does not require changing the physical state of the working gas. Due to their properties exposed in this description, differential cycle engines can be designed to operate in a wide temperature range, higher than most existing motor cycles based on open or closed systems. Differential cycle engines are completely flexible regarding the source of energy (heat); Figure 18 shows an application for the use of the differential cycle engine for the generation of energy from geothermal sources. Figure 18 shows a heat transfer system from the ground 96 to a collector 94, basically formed by a pump 97 that injects a fluid, normally water, through the duct 93. The heat in the collector 94 is transferred to the differential cycle engine 91, which discards part of the energy to the external environment through the heat exchanger 95 and converts another part of the energy into work, operating a generator 92 which produces electricity.

[075] A figura 19 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para a produção de energia a partir do calor do sol. Os raios solares são coletados através do concentrador 103, a energia (calor) é transferida para o elemento 104 o qual direciona o calor para o motor de ciclo diferencial 101, este converte parte da energia em trabalho útil para operar um gerador de eletricidade, 102, parte da energia é descartada ao meio externo através do trocador 105.[075] Figure 19 shows another useful application for the differential cycle engine for producing energy from the sun's heat. The sun's rays are collected through the concentrator 103, the energy (heat) is transferred to the element 104 which directs the heat to the differential cycle engine 101, this converts part of the energy into useful work to operate an electricity generator, 102, part of the energy is discarded to the external environment through the exchanger 105.

[076] A figura 20 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial para melhorar a eficiência de motores de combustão interna, formando ciclos combinados com estes. O calor rejeitado pelas exaustões, 116, dos motores de combustão interna, indicado por 112, alimentados por combustíveis, 117, de ciclo Brayton, ciclo Diesel, ciclo Sabathe, ciclo Otto, ciclo Atkinson, são canalizados para a entrada de energia (calor) do motor de ciclo diferencial, 111, através de um trocador 113, promovendo um fluxo de calor, 1111, do motor de combustão interna, 112, em direção ao motor de ciclo diferencial 111 e este converte parte desta energia em força mecânica útil, 1113 que pode ser integrada à força mecânica do motor de combustão interna, 1112 gerando uma força mecânica única, 118, ou direcionada a produzir energia elétrica. O descarte da energia não convertida pelo motor de ciclo diferencial segue para o meio externo indicado por 1110. Esta aplicação permite recuperar parte da energia que os ciclos dos motores de combustão interna não podem utilizar para a realização de trabalho útil e assim melhorar a eficiência geral do sistema.[076] Figure 20 shows another useful application for the differential cycle engine to improve the efficiency of internal combustion engines, forming combined cycles with them. The heat rejected by the exhausts, 116, of the internal combustion engines, indicated by 112, fueled by fuels, 117, of Brayton cycle, Diesel cycle, Sabathe cycle, Otto cycle, Atkinson cycle, are channeled to the energy input (heat) of the differential cycle engine, 111, through an exchanger 113, promoting a heat flow, 1111, from the internal combustion engine, 112, towards the differential cycle engine 111 and this converts part of this energy into useful mechanical force, 1113 that can be integrated with the mechanical force of the internal combustion engine, 1112 generating a single mechanical force, 118, or directed to produce electrical energy. The energy not converted by the differential cycle engine is discarded to the external environment indicated by 1110. This application allows the recovery of part of the energy that the internal combustion engine cycles cannot use to perform useful work and thus improve the overall efficiency of the system.

Claims (11)

1) "MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOTÉRMICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR", refere-se a um motor para conversão de energia térmica, utilizando ciclos isotérmico, caracterizado por ser composto por dois subsistemas termodinâmicos, (31) e (37), configurando um sistema termodinâmico híbrido, sendo cada subsistema formado por uma câmara, (33) e (35), contendo gás de trabalho e cada uma destas duas câmaras são formadas por três subcâmaras, uma aquecida isotérmica, (33) com (317) e (35) com (42), uma resfriada isotérmica, (33) com (41) e (35) com (318), e outra isolada, (33) com (32) e (35) com (36), conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz, (312), cada subsistema possui um regenerador ativo ou passivo, (310) e (314), entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa, (34), estes dois subsistemas executam simultaneamente cada um deles, um ciclo de quatro processos interdependentes formando um ciclo termodinâmico diferencial, (82), único, de oito processos, sendo quatro deles isotérmicos, (a-b), (1-2), (c-d) e (3-4), quatro politrópicos, (b-c), (2-3), (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável.1) "DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR", refers to an engine for converting thermal energy, using isothermal cycles, characterized by being composed of two thermodynamic subsystems, (31) and (37), configuring a hybrid thermodynamic system, each subsystem being formed by a chamber, (33) and (35), containing working gas and each of these two chambers are formed by three subchambers, one isothermal heated, (33) with (317) and (35) with (42), one isothermal cooled, (33) with (41) and (35) with (318), and another isolated, (33) with (32) and (35) with (36), connected to these two chambers there is a driving force element, (312), each subsystem has an active or passive regenerator, (310) and (314), between the subsystems there is a mass transfer element, (34), these two subsystems simultaneously execute each of them, a cycle of four interdependent processes forming a differential thermodynamic cycle, (82), unique, of eight processes, four of which are isothermal, (a-b), (1-2), (c-d) and (3-4), four polytropic, (b-c), (2-3), (d-a) and (4-1), with variable mass transfer. 2) "MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOTÉRMICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser composto por duas câmaras, (33) e (35), cada câmara é dividida em três subcâmaras, uma subcâmara aquecida isotérmica, (33) com (317) e (35) com (42), uma subcâmara resfriada isotérmica, (33) com (41) e (35) com (318), e uma subcâmara isolada termicamente, (33) com (32) e (35) com (36), formando cada câmara, um subsistema, (31) e (37), e a junção destes dois subsistemas formam um sistema termodinâmico híbrido.2) "DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPOSED OF FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR", according to claim 1, characterized in that it is composed of two chambers, (33) and (35), each chamber is divided into three subchambers, an isothermal heated subchamber, (33) with (317) and (35) with (42), an isothermal cooled subchamber, (33) with (41) and (35) with (318), and a thermally insulated subchamber, (33) with (32) and (35) with (36), each chamber forming a subsystem, (31) and (37), and the junction of these two subsystems forms a hybrid thermodynamic system. 3) "MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOTÉRMICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por possuir um elemento de força motriz, (312), conectado às duas câmaras de conversão termodinâmicas, (33) e (35).3) "DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR", according to claims 1 and 2, characterized by having a driving force element, (312), connected to the two thermodynamic conversion chambers, (33) and (35). 4) "MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOTÉRMICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um regenerador ativo ou passivo, (310) e (314), em cada uma das câmaras.4) "DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR", according to claim 1, characterized by having an active or passive regenerator, (310) and (314), in each of the chambers. 5) "MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR QUATRO PROCESSOS ISOTÉRMICOS, QUATRO PROCESSOS POLITRÓPICOS COM REGENERADOR", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um elemento de transferência de massa do gás de trabalho, (34), entre as câmaras.5) "DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING FOUR ISOTHERMAL PROCESSES, FOUR POLYTROPIC PROCESSES WITH REGENERATOR", according to claim 1, characterized by having a mass transfer element of the working gas, (34), between the chambers. 6) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", conforme definido nas reivindicações 1 a 5, caracterizado por um processo executado pelo sistema híbrido formando um ciclo termodinâmico diferencial de oito processos termodinâmicos do motor, (82), sendo dois isotérmicos de alta temperatura, (ab) e (1-2), dois isotérmicos de baixa temperatura, (c-d) e (3-4), dois politrópicos de abaixamento de temperatura com transferência de massa, (b-c) e (2-3), dois politrópicos de elevação da temperatura com recebimento de massa, (d-a) e (4-1), e dois processos adiabáticos, (84) e (89), do regenerador.6) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE", as defined in claims 1 to 5, characterized by a process executed by the hybrid system forming a differential thermodynamic cycle of eight thermodynamic processes of the engine, (82), being two high temperature isothermal, (ab) and (1-2), two low temperature isothermal, (c-d) and (3-4), two polytropic processes of temperature lowering with mass transfer, (b-c) and (2-3), two polytropic processes of temperature raising with mass reception, (d-a) and (4-1), and two adiabatic processes, (84) and (89), of the regenerator. 7) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por possuir um processo isotérmico de alta temperatura, (a-b), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo isotérmico de baixa temperatura, (3-4), no outro subsistema e um processo isotérmico de baixa temperatura, (c-d) no primeiro subsistema que é executado simultaneamente a outro processo isotérmico de alta temperatura, (12), no segundo subsistema, compondo os quatro processos isotérmicos do ciclo.7) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE", according to claim 6, characterized by having a high temperature isothermal process, (a-b), in one of the subsystems which is executed simultaneously with another low temperature isothermal process, (3-4), in the other subsystem and a low temperature isothermal process, (c-d) in the first subsystem which is executed simultaneously with another high temperature isothermal process, (12), in the second subsystem, composing the four isothermal processes of the cycle. 8) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por possuir um processo politrópico de abaixamento de temperatura e transferência de massa, (b-c), em um dos subsistemas o qual é executado simultaneamente a outro processo politrópico, (4-1), no segundo subsistema, sendo este segundo processo, de aumento da temperatura por meio da regeneração e este processo recebe a massa do processo de abaixamento da temperatura e um processo politrópico de elevação de temperatura, regenerativo com aumento de massa, (d-a), no primeiro subsistema, simultaneamente a um processo politrópico de abaixamento de temperatura, e transferência de massa, (2-3), do segundo subsistema, compondo os quatro processos politrópicos do ciclo.8) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE", according to claim 6, characterized by having a polytropic process of temperature reduction and mass transfer, (b-c), in one of the subsystems which is executed simultaneously with another polytropic process, (4-1), in the second subsystem, this second process being a temperature increase process through regeneration and this process receives the mass from the temperature reduction process and a polytropic process of temperature increase, regenerative with mass increase, (d-a), in the first subsystem, simultaneously with a polytropic process of temperature reduction and mass transfer, (2-3), of the second subsystem, composing the four polytropic processes of the cycle. 9) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com as reivindicações 6 e 8, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico, dois processos de regeneração da energia - calor -, (84) e (89), os quais são executados pelo elemento de força motriz do motor e pelos regeneradores, (310) e (314), onde a energia - calor - é cedida durante os processos politrópicos de abaixamento de temperatura, (b-c) e (2-3), sendo armazenada no regenerador e parte no elemento de força motriz do motor, e recebido, regenerado pelos processos politrópicos de aumento da temperatura, (d-a) e (4-1).9) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE", according to claims 6 and 8, characterized by having in the thermodynamic cycle, two energy regeneration processes - heat -, (84) and (89), which are executed by the driving force element of the engine and by the regenerators, (310) and (314), where the energy - heat - is given off during the polytropic processes of lowering the temperature, (b-c) and (2-3), being stored in the regenerator and part in the driving force element of the engine, and received, regenerated by the polytropic processes of increasing the temperature, (d-a) and (4-1). 10) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO ", de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico dois processos de armazenamento da energia, (89), executados pelo elemento de força motriz (312) do motor e pelos regeneradores, (310) e (314), para posterior regeneração, (84), através dos regeneradores, os quais absorvem a energia durante os processos politrópicos de abaixamento da temperatura, (b-c) e (2-3).10) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE", according to claim 9, characterized by having in the thermodynamic cycle two energy storage processes, (89), executed by the driving force element (312) of the engine and by the regenerators, (310) and (314), for subsequent regeneration, (84), through the regenerators, which absorb the energy during the polytropic temperature lowering processes, (b-c) and (2-3). 11) "PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO", de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por possuir no ciclo termodinâmico dois processos de regeneração da energia, (84), executados pelos regeneradores, (310) e (314), os quais devolvem a energia ao gás do motor durante os processos politrópicos de elevação da temperatura, (d-a) e (4-1).11) "CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE", according to claim 10, characterized by having in the thermodynamic cycle two energy regeneration processes, (84), executed by the regenerators, (310) and (314), which return the energy to the engine gas during the polytropic temperature elevation processes, (d-a) and (4-1).
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