BR102017003822B1 - DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING TWO ISOCHORIC PROCESSES, FOUR ISOTHERMAL PROCESSES AND TWO ADIABATIC PROCESSES AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE - Google Patents
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Abstract
MOTOR TÉRMICO DE CICLO DIFERENCIAL COMPOSTO POR DOIS PROCESSOS ISOCÓRICOS, QUATRO PROCESSOS ISOTÉRMICOS E DOIS PROCESSOS ADIABÁTICOS E PROCESSO DE CONTROLE PARA O CICLO TERMODINÂMICO DO MOTOR TÉRMICO Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão externa ou para aproveitamento da exaustão de combustão de qualquer outro processo, 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 dois destes processos ?isocóricos?, quatro processos ?isotérmicos? e dois processos ? adiabáticos? com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING TWO ISOCHORIC PROCESSES, FOUR ISOTHERMAL PROCESSES AND TWO ADIABATIC PROCESSES AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE The present invention refers to an external combustion heat engine or to use the combustion exhaust of any other process, and its thermodynamic cycle of eight processes, more specifically it is a heat engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each one operates a thermodynamic cycle of four processes, but interdependent between them, forming a complex cycle of eight processes, it operates 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, two of these processes being "isochoric", four processes "isothermal" and two "adiabatic" processes with variable mass transfer, which may be zero or partial.
Description
[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão externa ou para aproveitamento da exaustão de combustão de qualquer outro processo, 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 dois destes processos “isocóricos”, quatro processos “isotérmicos” e dois processos “adiabáticos” com transferência de massa variável, podendo esta ser nula ou parcial.[001] The present invention relates to a thermal engine for external combustion or for using the combustion exhaust of any other process, and its thermodynamic cycle of eight processes, more specifically it is a thermal engine characterized by two interconnected thermodynamic subsystems, each one operates a thermodynamic cycle of four processes, but interdependent between them, forming a complex cycle of eight processes, it operates 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, two of these processes being “isochoric”, four “isothermal” processes and two “adiabatic” processes with variable mass transfer, which may be zero or partial.
[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. A matéria que entra nesses sistemas está assim definida: combustíveis e oxigênio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. A matéria que sai destes sistemas está assim definida: exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases, resíduos; ao passo que a energia que sai destes sistemas está assim definida: energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.[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 cycle, Brayton internal combustion cycles, and Rankine cycles with steam exhausted to the environment. The matter that enters these systems is defined as follows: fuels and oxygen or working fluid or working gas. The energy that enters these systems is heat. The matter that leaves these systems is defined as follows: combustion exhaust or working fluid, gases, waste; while the energy that leaves these systems is defined as follows: 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 do 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. A energia que sai deste sistema é a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorre no sistema aberto.[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, Carnot cycle. The energy that enters this system is heat. The energy that leaves this system is the mechanical energy of work and part of the dissipated heat, but no matter leaves these systems, as occurs in an open system.
[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.
[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, o ciclo teórico ideal de Carnot e o ciclo Brayton o qual também pertence aos sistemas ou aberto ou fechado, porém diferente dos demais, seus quatro processos ocorrem todos simultaneamente.[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, the theoretical ideal Carnot cycle and the Brayton cycle, which also belongs 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 pela 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 by 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 até o ano de 2016 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 up to 2016 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 make up 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, até o ano de 2010, compreende uma série de motores de combustão interna e de combustão externa, a maioria destes motores exigem um segundo motor auxiliar para levá-los a partir, ao funcionamento. Os motores de combustão interna exigem a compressão, mistura de combustível com o oxigênio e uma centelha ou combustão por pressão, desta forma um motor auxiliar de partida, normalmente elétrico, é utilizado. Os motores de combustão externa, como ocorre como o de ciclo Stirling ou Ericsson convencionais, por sua vez também exigem motores auxiliares e de alta potência, pois eles precisam vencer o estado de repouso sob pressão para entrar em operação. Uma exceção é o motor de ciclo Rankine, este pode partir através do comando de válvulas para fornecer a pressão do vapor aos elementos de força motriz.[012] The current state of the art, up to 2010, includes 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 conventional 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, até o ano de 2010, compreende uma série de motores, a maioria deles, dependentes de condições muito específicas e especiais para operar, por exemplo, os motores de combustão interna, cada um deles exige seu combustível específico, controle fino de combustível, oxigênio e o tempo de combustão e em alguns casos exigem condições específicas inclusive de pressão, a flexibilidade no combustível é bem limitada. Nesta categoria, dos motores fundamentados no sistema aberto e fechado, o motor mais flexível é o de ciclo Rankine, de combustão externa, o Stirling ou o Ericsson, também de combustão externa, estes são mais flexíveis quanto a fonte, porém são exigentes quanto à combinação dos parâmetros de projeto.[013] The current state of the art, up to 2010, includes a series of engines, most of which depend on very specific and special conditions to operate, 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 the engines based on the open and closed system, the most flexible engine is the Rankine cycle, with external combustion, the Stirling or the Ericsson, also with external combustion, these are more flexible in terms of the source, but are demanding in terms of the combination of design parameters.
[014] O atual estado da técnica, até o ano de 2010, compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige combustão, isto é, a queima de algum tipo de combustível, e, portanto, a necessidade de oxigênio.[014] The current state of the art, up to the year 2010, comprises a series of engine cycles, the majority 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, até o ano de 2010, compreende uma série de ciclo motores, a maioria exige altas temperaturas para operação, os de combustão interna especialmente, costumam operar com o gás de trabalho em temperaturas superiores a 1000 °C. Os motores de combustão externa ou operantes 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, up to 2010, comprises a series of engine cycles, most of which require high temperatures for operation, especially internal combustion engines, which usually operate with 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), (n) 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), (n) 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, até o ano de 2010, baseado nos sistemas aberto e fechado, compreende basicamente seis ciclos motores e algumas versões destes: o ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao ciclo Diesel, de ciclo Brayton, de ciclo Rankine, de ciclo Stirling, de ciclo Ericsson e o de ciclo Carnot, este referência teórica ideal para os motores fundamentados nos sistemas aberto e fechado. As últimas novidades do estado atual da técnica vêm sendo apresentadas através de inovações juntando-se mais de um ciclo antigo formando ciclos combinados, isto é: novos sistemas de motores compostos por uma máquina de ciclo Brayton operante com combustíveis de origem fóssil, gás ou óleo e uma máquina de ciclo Rankine dependente do calor rejeitado pela máquina de ciclo Brayton. Ou a mesma filosofia, unindo-se um motor de ciclo Diesel com um de ciclo Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto, também unindo-o com um motor de ciclo Rankine.[017] The current state of the art, up to 2010, 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 latter being 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, até o ano de 2010, apresenta uma série de limitações e oferece também uma série de problemas. A maioria dos motores, como os de combustão interna, de ciclo Otto, Atkinson, Diesel, Sabathe e Brayton, exigem combustíveis específicos para cada conceito, por exemplo: gasolina, óleo diesel, gás, querosene, carvão, e de alto poder calorífico, precisam trabalhar sob altas temperaturas e por consequência, durante muitos anos, vem dependendo de combustíveis fósseis, trazendo danos graves aos 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 a equação (b).[018] The current state of the art, up to 2010, 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, coal, and high calorific value, need to work at high temperatures and consequently, for many years, have depended on fossil fuels, 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, bring as an efficiency limitation the Carnot 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 convencionais, são motores sob o conceito de sistema fechado, são de combustão externa ou fonte de calor externo. Em função de suas propriedades, embora tenham os conceitos mais simples de motores, são difíceis de serem construídos. Exigem parâmetros de projetos casados, isto é, funcionam bem, com boa eficiência, apenas em seu regime específico de operação, temperatura, pressão, carga, fora do ponto central de operação suas eficiências caem bruscamente, ou não operam. Portanto, são máquinas muito pouco utilizadas para uso industrial ou popular.[020] The other engines, conventional 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, these are machines that are rarely 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. O conceito de sistema híbrido é novo, o motor ideal de Carnot não representa o sistema híbrido, apenas os sistemas aberto e fechado.[021] The ideal Carnot engine, figure 3, in turn, although 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 and closed systems, but in the theoretical concept. The concept of hybrid system is new, the ideal Carnot engine does not represent the hybrid system, only the open and closed systems.
[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. Neste casos são comuns projetos que não funcionam porque os parâmetros, nas suas interdependências podem não oferecer as condições que levam o motor a funcionar. Assim pode ser descrito o estado da técnica até o ano de 2010.[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. This is how the state of the art can be described up to 2010.
[025] Em 2011, surgiu um novo conceito de sistema termodinâmico. O estado atual da técnica, recentemente revelou algumas referências que já se encontram com conceitos do sistema híbrido, são motores que apresentam características de possuírem dois ciclos termodinâmicos interdependentes constituindo um ciclo complexo formado na maioria deles por oito processos, sempre com dois processos operando simultaneamente em um sistema formado por dois subsistemas integrados. A patente “PI 1000624-9” registrada no Brasil definida como “Conversor de energia termomecânico” é constituído por dois subsistemas que opera por meio de um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos e quatro processos isocóricos, sem regeneração. A patente “PCT/BR2014/000381” registrada nos Estados Unidos da América definida como “Máquina térmica diferencial com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle” é constituída por dois subsistemas que operam um ciclo termodinâmico formado por quatro processos isotérmicos de quatro processos adiabáticos. Estas referências diferem da presente invenção 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, ambos de combustão interna, são motores fundamentados no sistema termodinâmico aberto, porém constituem motores distintos e o que os distingue são detalhes de seus ciclos termodinâmicos, o ciclo do motor Otto é constituído basicamente por um processo adiabático de compressão, um processo isocórico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo isocórico de exaustão e, o ciclo do motor Diesel é constituído por um processo adiabático de compressão, um processo isobárico de combustão, um processo adiabático de expansão e um processo isocórico de exaustão, portanto eles diferem em apenas um dos processos que formam seus ciclos, o suficiente para conferir a cada um propriedades e usos específicos e diferentes. Da mesma forma, o conceito de sistema híbrido oferece a base para uma nova família de motores térmicos constituídos por dois subsistemas e estes irão operar com ciclos ditos diferenciais caso os motores sejam constituídos por dois subsistemas de conversão de energia, formados por processos onde sempre ocorrerão dois processos simultâneos, cada um terá particularidades próprias as quais caracterizarão cada um dos ciclomotores.[025] In 2011, a new concept of thermodynamic system emerged. The current state of the art recently revealed some references that already meet the concepts of the hybrid system, these are engines that have characteristics of having two interdependent thermodynamic cycles constituting a complex cycle formed in most of them 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/BR2014/000381” registered in the United States of America defined as “Differential heat engine with cycle of eight thermodynamic transformations and control process” consists of two subsystems that operate a thermodynamic cycle formed by four isothermal processes of four adiabatic processes. These references differ from the present invention in terms of 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, both internal combustion engines, are engines based on the open thermodynamic system, but 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, and 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 if the engines are made up of two energy conversion subsystems, formed by processes where two simultaneous processes will always occur, each one will have its own particularities which will characterize each of the mopeds.
[026] Em buscas realizadas em plataformas de patentes foram localizados alguns documentos que, embora sem relevância como anterioridades impeditivas ao presente, determinam o estado da técnica mais próximo em termos documentais.[026] In searches carried out on patent platforms, some documents were located that, although not relevant as prior art impediments to the present, determine the closest state of the art in documentary terms.
[027] O documento DE2342103, descreve um MOTOR A GÁS QUENTE COM CICLO ENVOLVENDO FASES ISOTÉRMICA, ISOCÓRICA E ISOBÁRICA, E INCORPORANDO TROCADOR DE CALOR REGENERATIVO, particularmente se refere a 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 WITH A CYCLE INVOLVING ISOTHERMAL, ISOCHORIC AND ISOBARIC PHASES, AND INCORPORATING A REGENERATIVE HEAT EXCHANGE, particularly relates to 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 RU2131532, descreve o PROCESSO DE OPERAÇÃO DO MOTOR DE COMBUSTÃO EXTERNA, particularmente um motor de dois cilindros fornecido com um único conjunto de pistão e haste colocado em cilindros opostos de dupla ação preenchidos com meio de trabalho gasoso para seu aquecimento e resfriamento sequencial. A novidade é que as cavidades quentes e frias são distribuídas entre pistões opostos e o ciclo de combustão é organizado como dois processos isocóricos e dois isotérmicos. Com o conjunto pistão-haste movendo-se para cima, o curso de deslocamento de exaustão no meio de trabalho de resfriamento ocorre simultaneamente com o curso de deslocamento de sobrealimentação no meio de trabalho de aquecimento sem trabalho mecânico; o curso de compressão média de trabalho ocorre simultaneamente com o curso de combustão. O motor é fornecido com trocadores de calor com fluxo contracorrente do meio de trabalho, tendo como objetivo a maior eficiência do motor.[028] Document RU2131532 describes the EXTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION PROCESS, particularly a two-cylinder engine provided with a single piston and rod assembly placed in double-acting opposed cylinders filled with gaseous working medium for its sequential heating and cooling. The novelty is that hot and cold cavities are distributed between opposed pistons and the combustion cycle is organized as two isochoric and two isothermal processes. With the piston-rod assembly moving upwards, the exhaust displacement stroke in the cooling working medium occurs simultaneously with the supercharging displacement stroke in the heating working medium without mechanical work; the working medium compression stroke occurs simultaneously with the combustion stroke. The engine is provided with heat exchangers with countercurrent flow of the working medium, aiming at greater engine efficiency.
[029] O documento US2005268607, descreve um AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA TERMODINÂMICO, particularmente uma máquina amplificadora de força termodinâmica que faz com que um meio de trabalho líquido execute o trabalho útil em um ciclo de trabalho de três tempos (aquecimento isocórico, expansão isotérmica, contração por resfriamento regenerativo) utilizando uma fonte externa de calor e uma fonte externa de frio. O trabalho realizado pelo acionamento auxiliar (12) no deslocador (11) é, portanto, muito menor que aquele produzido no sistema de conversão (18, 19) (amplificação de força). Uma máquina de operação inversa acionada por uma fonte de energia externa atua como uma bomba de calor/refrigerador.[029] Document US2005268607 describes a THERMODYNAMIC POWER AMPLIFIER, particularly a thermodynamic force amplifying machine that causes a liquid working medium to perform useful work in a three-stroke work cycle (isochoric heating, isothermal expansion, contraction by regenerative cooling) using an external heat source and an external cold source. The work performed by the auxiliary drive (12) on the displacer (11) is therefore much smaller than that produced in the conversion system (18, 19) (force amplification). A reverse-operating machine driven by an external power source acts as a heat pump/refrigerator.
[030] O documento WO2006079551, descreve uma CENTRAL ELÉTRICA COM DESACOPLAMENTO TÉRMICO, particularmente um motor térmico que compreende uma fonte de calor externa e pelo menos três meios de transferência de calor que são fornecidos com um gás de trabalho retido e são alternadamente afetados por meio de aquecimento e meio de resfriamento. As mudanças termodinâmicas de condição em cada meio de transferência de calor em conexão com um cilindro de trabalho e ventilação são a) entrada de calor isocórica, b) expansão isotérmica, c) dissipação de calor isocórica e d) compressão isotérmica. Também é divulgada uma usina de energia que apresenta desacoplamento térmico e na qual a energia é gerada por meio de qualquer número de motores térmicos inventivos (A). Os motores térmicos são conectados em série enquanto são penetrados pelo meio de resfriamento e pelo meio de aquecimento de acordo com o princípio da contracorrente. O meio de resfriamento aquecido é utilizado como ar de combustão após ser descarregado do último motor térmico, enquanto o meio de aquecimento que é descarregado do último motor térmico montado na direção oposta pode continuar a ser utilizado para fins de aquecimento ou para outros consumidores de calor.[030] Document WO2006079551 describes a POWER PLANT WITH THERMAL DECOUPLING, in particular a heat engine comprising an external heat source and at least three heat transfer means which are supplied with a retained working gas and are alternately affected by heating means and cooling means. The thermodynamic changes of condition in each heat transfer means in connection with a working cylinder and ventilation are a) isochoric heat input, b) isothermal expansion, c) isochoric heat dissipation and d) isothermal compression. Also disclosed is a power plant featuring thermal decoupling and in which energy is generated by means of any number of inventive heat engines (A). The heat engines are connected in series while being penetrated by the cooling means and the heating means according to the countercurrent principle. The heated cooling medium is used as combustion air after being discharged from the last heat engine, while the heating medium that is discharged from the last heat engine mounted in the opposite direction can continue to be used for heating purposes or for other heat consumers.
[031] O documento WO2008031939, descreve um MOTOR DE CALOR COM FONTE QUENTE EXTERNA, particularmente um motor híbrido que compreende dois cilindros de motor de combustão interna (2c) e um cilindro de motor térmico (2t) cuja fonte quente (32) é externa e alimentada com energia pelos gases de escape do motor de combustão interna. No cilindro (2t) do motor térmico, o ar comprimido pelo turbocompressor (37) é admitido pela porta de admissão (24) e comprimido no cilindro (2t) até que sua temperatura seja igual à da extremidade fria do motor no caminho de fornecimento de energia térmica (34). Nesta fase, a porta de transferência de entrada (28) abre, a pressão se equaliza com o caminho de recepção de energia térmica (33), o gás é deslocado pelo pistão neste caminho, a porta de transferência de saída (27) fecha e a porta de transferência de entrada (28) se abre para receber, da extremidade quente do caminho de recepção (33), uma massa aquecida de gás quando o pistão se move além de sua posição de ponto morto superior. A válvula de transferência de entrada fecha e o gás quente é expandido adiabaticamente. Objetiva recuperar de forma muito eficiente o calor de exaustão dos motores de combustão interna.[031] Document WO2008031939 describes a HEAT ENGINE WITH EXTERNAL HOT SOURCE, in particular a hybrid engine comprising two internal combustion engine cylinders (2c) and a heat engine cylinder (2t) whose hot source (32) is external and supplied with energy by the exhaust gases of the internal combustion engine. In the cylinder (2t) of the heat engine, the air compressed by the turbocharger (37) is admitted through the intake port (24) and compressed in the cylinder (2t) until its temperature is equal to that of the cold end of the engine in the heat energy supply path (34). At this stage, the inlet transfer port (28) opens, the pressure equalizes with the heat energy receiving path (33), the gas is displaced by the piston in this path, the outlet transfer port (27) closes and the inlet transfer port (28) opens to receive, from the hot end of the receiving path (33), a heated mass of gas as the piston moves beyond its top dead center position. The inlet transfer valve closes and the hot gas is expanded adiabatically. It aims to very efficiently recover the exhaust heat of internal combustion engines.
[032] O documento US2011167825, descreve uma PLANTA DE PRODUÇÃO DE FRIO, CALOR E/OU TRABALHO, dita planta inclui pelo menos uma máquina de Carnot modificada tendo um primeiro conjunto que inclui um evaporador Evap combinado com uma fonte de calor, um condensador Cond combinado com um dissipador de calor, um dispositivo DPD para pressurizar ou expandir um fluido de trabalho GT, um meio para transferir o referido fluido de trabalho GT entre o condensador Cond e DPD, e entre o evaporador Evap e DPD; um segundo conjunto que inclui dois vasos de transferência CT e CT' que contêm um líquido de transferência LT e o fluido de trabalho GT na forma de líquido e/ou vapor; um meio para transferir seletivamente o fluido de trabalho GT entre o condensador Cond e cada um dos vasos de transferência CT e CT', bem como entre o evaporador Evap e cada um dos recintos de transferência CT e CT'; e um meio para transferir seletivamente o líquido LT entre os vasos de transferência CT e CT' e o dispositivo de compressão ou expansão DPD, os referidos meios incluindo um conversor hidráulico.[032] Document US2011167825 describes a COLD, HEAT AND/OR WORK PRODUCTION PLANT, said plant includes at least one modified Carnot machine having a first assembly that includes an Evap evaporator combined with a heat source, a Cond condenser combined with a heat sink, a DPD device for pressurizing or expanding a working fluid GT, a means for transferring said working fluid GT between the Cond condenser and DPD, and between the Evap evaporator and DPD; a second assembly that includes two transfer vessels CT and CT' that contain a transfer liquid LT and the working fluid GT in liquid and/or vapor form; a means for selectively transferring the working fluid GT between the Cond condenser and each of the transfer vessels CT and CT', as well as between the Evap evaporator and each of the transfer enclosures CT and CT'; and a means for selectively transferring the liquid LT between the transfer vessels CT and CT' and the compression or expansion device DPD, said means including a hydraulic converter.
[033] O documento FR2963643, descreve um DISPOSITIVO MECÂNICO OU TÉRMICO, COMO MOTOR DIESEL STIRLING, POSSUINDO TROCADOR DE CALOR PRINCIPAL ASSOCIADO À CÂMARA DE COMBUSTÃO, E MECANISMO TÉRMICO DOTADO DE CIRCUITOS ABERTOS QUE SÃO OBTIDOS PELA ABERTURA DE UM CIRCUITO FECHADO EM UM PONTO, particularmente, a invenção possui um dispositivo de expansão adiabática (8c) e um mecanismo isotérmico (6) conectado a um mecanismo de expansão ou compressão adiabática (8d) pelos respectivos circuitos térmicos principais e de retorno (15, 25). Os circuitos compreendem um trocador de calor principal (9) associado a uma câmara de combustão (9i), e dois trocadores secundários (17). Um dispositivo de injeção ou combustão permite a injeção ou combustão de combustível no mecanismo de expansão ou compressão adiabática. Um mecanismo térmico é fornecido com circuitos abertos obtidos pela abertura de um circuito fechado em um ponto.[033] Document FR2963643 describes a MECHANICAL OR THERMAL DEVICE, SUCH AS A STIRLING DIESEL ENGINE, HAVING A MAIN HEAT EXCHANGER ASSOCIATED WITH THE COMBUSTION CHAMBER, AND A THERMAL MECHANISM EQUIPPED WITH OPEN CIRCUITS THAT ARE OBTAINED BY OPENING A CLOSED CIRCUIT AT ONE POINT, in particular, the invention has an adiabatic expansion device (8c) and an isothermal mechanism (6) connected to an adiabatic expansion or compression mechanism (8d) by the respective main and return thermal circuits (15, 25). The circuits comprise a main heat exchanger (9) associated with a combustion chamber (9i), and two secondary exchangers (17). An injection or combustion device allows the injection or combustion of fuel in the adiabatic expansion or compression mechanism. A thermal engine is provided with open circuits obtained by opening a closed circuit at one point.
[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, muito exigem combustíveis refinados e específicos, alta dependência do ar (oxigênio) para combustão e, muitos deles dependem de um segundo motor para levá-los à operação (um motor de partida).[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 parameters of models based on open and closed thermodynamic systems, lack of flexibility regarding energy sources, many require 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 que permita o desenvolvimento de motores sustentáveis e de forma que a eficiência dos motores não fique mais dependente 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 do 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 dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos isotérmicos também de aquecimento, dois processos isotérmicos de resfriamento e dois processos adiabáticos de expansão, com transferência de massa entre seus subsistemas durante os processos adiabáticos e isocóricos, a eficiência é demonstrada conforme apresentado na equação (c) e figura 9, que demonstra o gráfico da pressão e volume do ciclo. [035] The objective of the invention focuses on eliminating some of the existing problems and minimizing others, but the main objective is to develop new engine cycles based on a new concept of thermodynamic system that allows the development of sustainable engines and in such a way that the efficiency of the engines is no longer exclusively dependent on temperatures and whose energy sources can be diversified and that 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, on the pressures. The concept of the hybrid system 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 exclusively of the temperature, but dependent on the mass and for a differential cycle engine composed of two isochoric heating processes, two isothermal heating processes, two isothermal cooling processes and two adiabatic expansion processes, with mass transfer between its subsystems during the adiabatic and isochoric processes, the efficiency is demonstrated as presented in equation (c) and figure 9, which shows the graph of the pressure and volume of the cycle.
[036] Na equação (c), (n) é o rendimento, (Tq) é a temperatura final de aquecimento do processo isocórico e é a temperatura do processo isotérmico de alta temperatura, ( Tf) é a temperatura inicial do processo isocórico de aquecimento e é a temperatura em “Kelvin”, (n1) é o número de moles dos subsistemas quando estes realizam as isocóricas e isotérmicas de alta temperatura, corresponde ao número de moles das isocóricas (a- b) e (1-2) e das isotérmicas (b-c) e (2-3) do gráfico 41 da figura 9, (n2) é o número de moles dos subsistemas quando estes realizam as isotérmicas de resfriamento, baixa temperatura, e das adiabáticas de expansão, corresponde ao número de moles das isotérmicas (d-a), (4-1) e das adiabáticas (c-d) e (3-4) do gráfico 41 da figura 9.[036] In equation (c), (n) is the yield, (Tq) is the final heating temperature of the isochoric process and is the temperature of the high-temperature isothermal process, (Tf) is the initial temperature of the isochoric heating process and is the temperature in “Kelvin”, (n1) is the number of moles of the subsystems when they perform the isochoric and high-temperature isotherms, corresponding to the number of moles of the isochoric (a-b) and (1-2) and of the isotherms (b-c) and (2-3) of graph 41 of figure 9, (n2) is the number of moles of the subsystems when they perform the cooling, low-temperature isotherms and the adiabatic expansion isotherms, corresponding to the number of moles of the isotherms (d-a), (4-1) and of the adiabatic (c-d) and (3-4) of graph 41 of figure 9.
[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 possa 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, e viabiliza também máquinas a combustão com maior capacidade de aproveitamento da energia através do processo de transferência do calor da exaustão para os processos isocóricos do motor, inexistentes nas demais máquinas conhecidas.[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 that can operate at low temperatures viable and, consequently, clean renewable sources, such as solar thermal and geothermal, become fully viable and their efficiencies start to 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, and also makes combustion machines viable with greater capacity to use energy through the process of transferring heat from the exhaust to the isochoric processes of the engine, which are non-existent in other known machines.
[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, mostrados na figura 5, viabilizando o controle do ciclo termodinâmico separado do ciclo mecânico, o ciclo pode ser modulado e desta forma o ciclo mecânico passa a ser uma consequência do ciclo termodinâmico e não mais o contrário.[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, shown in 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.
[039] Os motores de ciclos diferenciais são caracterizados por possuírem dois subsistemas de conversão de energia, 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 energy conversion subsystems, forming a hybrid system, represented by 21 and 23 in Figure 4, each subsystem executes a cycle referenced to the other subsystem so as to 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 at a time 26 and 27 in Figure 5, interdependent, including mass transfer. Therefore, these are engines and cycles that are 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 caracterizado por dois subsistemas de conversão de energia 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 characterized by two interdependent energy conversion subsystems and between them there is an exchange of matter and energy and both provide outside their limits, energy in the form of work and part of the energy in the form of dissipated heat. 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 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 é 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 câmeras de conversão de energia, 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 de 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, it does not require an atmosphere so that a 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, as long as the design conditions promote the expansion and contraction of the working gas and as long as 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 energy conversion chambers, 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 theoretically operate in any temperature range and its rotation and torque control property.
[042] O motor de ciclo diferencial baseado no conceito de sistema híbrido poderá ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores convencionais de combustão interna e motores de ciclo Stirling e Ericsson, 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, 418 e 420, mostrados na figura 10, configurando um sistema termodinâmico híbrido, cada subsistema é formado por uma câmara, 423 e 424, contendo gás de trabalho e cada uma destas câmaras são formadas por quatro subcâmaras, uma aquecida pela combustão 411 e 414, uma aquecida pela exaustão 412 e 413, uma resfriada 49 e 416, e outra isolada 410 e 415, conectado a estas duas câmaras há um elemento de força motriz 419, entre os subsistemas há um elemento de transferência de massa 421 que participa do ciclo termodinâmico, 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, indicado por 41 na figura 9, único de oito processos, sendo dois deles isocóricos de aquecimento pela exaustão (a-b) e (1-2), dois isotérmicos de aquecimento pela combustão (b-c) e (2-3), dois adiabáticos de expansão (c-d) e (3-4) e dois processos isotérmicos de resfriamento (d-a) e (4-1), com transferência de massa variável que ocorre durante os processos adiabáticos e isocóricos. Este conceito em circuito fechado de gás de trabalho com relação ao meio externo indica que o sistema deve ser vedado, ou em alguns casos, vazamentos podem ser admitidos, desde que compensados. Materiais adequados para esta tecnologia devem ser observados, são semelhantes, neste aspecto, às tecnologias de projetos de motores de ciclo Stirling e Ericsson e Brayton do sistema fechado. O gás de trabalho depende do projeto, de sua aplicação e dos parâmetros utilizados, o gás poderá ser vários, cada um proporcionará particularidades específicas, como exemplo, os seguintes gases podem ser sugeridos: hélio, hidrogênio, nitrogênio, ar seco, neon, entre outros.[042] The differential cycle engine based on the hybrid system concept can be built with materials and techniques similar to conventional internal combustion engines and Stirling and Ericsson 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, 418 and 420, shown in figure 10, configuring a hybrid thermodynamic system, each subsystem is formed by a chamber, 423 and 424, containing working gas and each of these chambers are formed by four subchambers, one heated by combustion 411 and 414, one heated by exhaust 412 and 413, one cooled 49 and 416, and another isolated 410 and 415, connected to these two chambers there is a driving force element 419, between the subsystems there is a mass transfer element 421 that participates in the thermodynamic cycle, 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, indicated by 41 in Figure 9, the only one of eight processes, two of which are isochoric heating by exhaust (a-b) and (1-2), two isothermal heating by combustion (b-c) and (2-3), two adiabatic expansion (c-d) and (3-4) and two isothermal cooling processes (d-a) and (4-1), with variable mass transfer that occurs during the adiabatic and isochoric processes. This concept in a closed circuit 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 and Ericsson and Brayton engine designs of the closed system. The working gas depends on the project, its application and the parameters used. The gas may be several, each one will provide specific characteristics. For example, the following gases can be suggested: helium, hydrogen, nitrogen, dry air, neon, among others.
[043] 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, quatro subcâmaras e estas devem ser projetadas observando a exigência de isolamento térmico entre si para minimizar o fluxo direto de energia a partir das áreas quentes para as frias, esta condição é importante para a eficiência geral do sistema. Estas câmaras possuem internamente elementos que movimentam o gás de trabalho entre as subcâmaras quentes da combustão e exaustão, fria do resfriamento e isoladas, 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.[043] 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 four subchambers and these must be designed observing the requirement of thermal insulation between them to minimize the direct 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 combustion and exhaust subchambers, the cold cooling subchamber and the insulated subchambers, these elements may have different geometric shapes, depending on the design requirements and parameters, for example, they may be in the form of discs, in a cylindrical shape or another that allows the movement of the working gas in a controlled manner between the subchambers.
[044] O elemento de transferência de massa, 421 da figura 10, interliga as duas câmaras, 423 e 424, 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 adiabáticos e isocóricos. Este elemento poderá ser projetado de várias formas dependendo das exigências do projeto 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, inclusive por simples válvulas de forma a permitir a passagem do gás pela diferença de pressões.[044] The mass transfer element, 421 in Figure 10, interconnects the two chambers, 423 and 424. This element is responsible for transferring part of the mass of working gas between the chambers that occurs at a specific moment during the adiabatic and isochoric processes. This element may be designed in various ways depending on the project requirements and 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, including by simple valves in order to allow the passage of the gas through the pressure difference.
[045] O elemento de força motriz, 419 da figura 10 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 cilindros, 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.[045] The driving force element, 419 of Figure 10, 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 gas forces during thermodynamic conversions.
[046] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades dos conceitos antigos das máquinas térmicas e as inovações propostas baseadas no sistema híbrido, sendo representadas conforme segue abaixo: A figura 1 representa o conceito de sistema termodinâmico aberto e o conceito de sistema termodinâmico fechado, o conceito básico de ambos é idêntico; A figura 2 representa a característica de todos os ciclos termodinâmicos fundamentados nos sistemas aberto e fechado; A figura 3 mostra a ideia original da máquina térmica de Carnot, conceituada em 1824 por Nicolas Sadi Carnot; A figura 4 representa o conceito de sistema termodinâmico híbrido; A figura 5 representa a característica dos ciclos termodinâmicos 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 ciclo termodinâmico que ocorre em um dos subsistemas do motor diferencial, mostrando a entrada de energia pela exaustão 32, a entrada de energia pela combustão 33, a transferência de massa 35 para o outro subsistema, o recebimento de massa 36 do outro subsistema, o resfriamento 34; A figura 8 mostra o ciclo termodinâmico que ocorre no outro subsistema, simultâneo e interdependente do anterior, porém sequencial e defasado, mostrando a entrada de energia pela exaustão 39, a entrada de energia pela combustão 310, a transferência de massa 312 para o outro subsistema, o recebimento de massa 313 do outro subsistema, o resfriamento 311; A figura 9 mostra o ciclo termodinâmico completo com seus oito processos e o detalhe da transferência de massa que ocorre entre os subsistemas durante os processos adiabáticos e isocóricos; A figura 10 mostra um modelo mecânico que representa um motor de ciclo diferencial a combustão, com câmaras e subcâmaras capaz de realizar os oito processos termodinâmicos com transferência de massa conforme o ciclo mostrado na figura 9; A figura 11 mostra em 52 o modelo mecânico de um motor mostrando os principais elementos com as características que lhe permite executar o ciclo termodinâmico de dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos isotérmicos de aquecimento, dois processos adiabáticos de expansão e dois processos isotérmicos de resfriamento e em 51 mostra exemplificando como os principais elementos mecânicos do motor podem ser projetados e montados; A figura 12 mostra o modelo mecânico realizando o processo isocórico de aquecimento no primeiro subsistema e o processo adiabático de expansão no segundo subsistema e indica a transferência de massa que ocorre durante estes processos e o sentido do fluxo do mesmo; A figura 13 mostra o modelo mecânico realizando o processo isotérmico de aquecimento no primeiro subsistema e o processo isotérmico de resfriamento no segundo subsistema; A figura 14 mostra o modelo mecânico realizando o processo adiabático de expansão no primeiro subsistema e o processo isocórico de aquecimento no segundo subsistema e indica a transferência de massa que ocorre durante estes processos e o sentido do fluxo do mesmo; A figura 15 mostra o modelo mecânico realizando o processo isotérmico de resfriamento no primeiro subsistema e o processo isotérmico de aquecimento no segundo subsistema, finalizando a demonstração do ciclo de oito processos; A figura 16 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, indicando especialmente como ocorre a transferência do calor da exaustão no processo isotérmico e como ocorre o aproveitamento do calor da exaustão final, no processo isocórico, demonstrando a vantagem do aproveitamento de calor que este exemplo e ciclo combinado oferece em comparação com os ciclos combinados tradicionais e que, por analogia, exemplifica também o aproveitamento do calor que este ciclo diferencial oferece se aplicado a outros processos a combustão. DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO[046] 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, being represented as follows: Figure 1 represents the concept of an open thermodynamic system and the concept of a closed thermodynamic system, the basic concept of both is identical; Figure 2 represents the characteristic 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 characteristic of 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 thermodynamic cycle that occurs in one of the subsystems of the differential engine, showing the energy input through exhaust 32, the energy input through combustion 33, the mass transfer 35 to the other subsystem, the mass receipt 36 from the other subsystem, the cooling 34; Figure 8 shows the thermodynamic cycle that occurs in the other subsystem, simultaneous and interdependent with the previous one, but sequential and out of phase, showing the energy input through exhaust 39, the energy input through combustion 310, the mass transfer 312 to the other subsystem, the mass receipt 313 from the other subsystem, the cooling 311; Figure 9 shows the complete thermodynamic cycle with its eight processes and the detail of the mass transfer that occurs between the subsystems during the adiabatic and isochoric processes; Figure 10 shows a mechanical model representing a differential combustion cycle engine, with chambers and subchambers capable of performing the eight thermodynamic processes with mass transfer according to the cycle shown in Figure 9; Figure 11 shows in 52 the mechanical model of an engine showing the main elements with the characteristics that allow it to perform the thermodynamic cycle of two isochoric heating processes, two isothermal heating processes, two adiabatic expansion processes and two isothermal cooling processes and in 51 shows an example of how the main mechanical elements of the engine can be designed and assembled; Figure 12 shows the mechanical model performing the isochoric heating process in the first subsystem and the adiabatic expansion process in the second subsystem and indicates the mass transfer that occurs during these processes and the direction of its flow; Figure 13 shows the mechanical model performing the isothermal heating process in the first subsystem and the isothermal cooling process in the second subsystem; Figure 14 shows the mechanical model performing the adiabatic expansion process in the first subsystem and the isochoric heating process in the second subsystem and indicates the mass transfer that occurs during these processes and the direction of their flow; Figure 15 shows the mechanical model performing the isothermal cooling process in the first subsystem and the isothermal heating process in the second subsystem, concluding the demonstration of the eight-process cycle; Figure 16 shows an example of application of the differential cycle engine for a combined system project, forming a combined cycle with an open system internal combustion engine, indicating especially how the exhaust heat transfer occurs in the isothermal process and how the final exhaust heat is used in the isochoric process, demonstrating the advantage of heat use that this example and combined cycle offers in comparison with traditional combined cycles and which, by analogy, also exemplifies the use of heat that this differential cycle offers if applied to other combustion processes. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[047] O motor de ciclo diferencial constituído por dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos isotérmicos de aquecimento e expansão, dois processos adiabáticos de expansão e dois processos isotérmicos de resfriamento com transferência de massa entre os processos adiabáticos e isocóricos é fundamentado em um sistema termodinâmico híbrido por possuir dois subsistemas termodinâmicos interdependentes de conversão de energia os quais cada um realiza um ciclo termodinâmico que interagem-se entre si, podendo trocar calor, trabalho e massa conforme é representado na figura 4. Em 22, na figura 4, é mostrado o sistema híbrido, composto por dois subsistemas indicados por 21 e 23.[047] The differential cycle engine consisting of two isochoric heating processes, two isothermal heating and expansion processes, two adiabatic expansion processes and two isothermal cooling processes with mass transfer between the adiabatic and isochoric processes is based on a hybrid thermodynamic system as it has two interdependent thermodynamic subsystems of energy conversion 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, in figure 4, the hybrid system is shown, consisting of two subsystems indicated by 21 and 23.
[048] Na figura 6 é mostrado novamente o sistema termodinâmico híbrido e o ciclo termodinâmico diferencial, detalhando, neste caso os processos, que quando em um dois 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 de conversão de energia, a soma da massa do 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.[048] Figure 6 shows again the hybrid thermodynamic system and the differential thermodynamic cycle, detailing, in this case, the processes, which when in one of two 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 energy conversion subsystems, the sum of the mass of the 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.
[049] As figuras 7, 8 e 9 mostram como o ciclo termodinâmico do motor é formado. Na figura 7, 31 mostra o gráfico da pressão e deslocamento volumétrico do semiciclo (a-b- c-d-a) do subsistema 418, isto é, uma das metades do ciclo termodinâmico do motor 32 forma o processo isocórico (a-b) de aquecimento, esta é a energia de exaustão de menor temperatura da fonte, a energia 33 forma o processo isotérmico (b-c) de aquecimento, esta é a energia de maior temperatura da fonte formada por uma câmara de combustão ou por um trocador isotérmico conectado no segmento mais quente da descarga de combustão de uma fonte de calor normalmente por combustão, após o processo isotérmico de aquecimento ocorre o processo adiabático de expansão (c-d) e simultaneamente ocorre uma fase de transferência de massa de gás 35 de um dos subsistemas para o outro subsistema, no detalhe 313, onde neste instante estará ocorrendo o processo isocórico de aquecimento, na sequência ocorre o processo isotérmico de resfriamento e compressão (d-a) cuja energia retirada é indicada por 34 e assim são concluídos os processos do primeiro semiciclo.[049] Figures 7, 8 and 9 show how the engine's thermodynamic cycle is formed. In figure 7, 31 shows the graph of the pressure and volumetric displacement of the half-cycle (a-b- c-d-a) of subsystem 418, that is, one of the halves of the thermodynamic cycle of engine 32 forms the isochoric heating process (a-b), this is the lowest temperature exhaust energy from the source, energy 33 forms the isothermal heating process (b-c), this is the highest temperature energy from the source formed by a combustion chamber or by an isothermal exchanger connected to the hottest segment of the combustion discharge of a heat source normally by combustion, after the isothermal heating process the adiabatic expansion process (c-d) occurs and simultaneously a phase of gas mass transfer 35 from one of the subsystems to the other subsystem occurs, in detail 313, where at this moment the isochoric heating process will be occurring, then the isothermal cooling and compression process (d-a) occurs, whose energy removed is indicated by 34 and thus the processes of the first half-cycle are concluded.
[050] O ciclo completo é formado por dois semiciclos interdependentes, o segundo semiciclo (1-2-3-4-1) do subsistema 420 que ocorre simultaneamente ao primeiro, descrito do parágrafo anterior, é indicado por 38 na figura 8, a energia 39 forma o processo isocórico (1-2) de aquecimento que ocorre simultaneamente ao processo adiabático (c-d) do outro semiciclo, esta é a energia de exaustão de menor temperatura da fonte, a energia 310 forma o processo isotérmico (2-3) de aquecimento que ocorre simultaneamente ao processo isotérmico (d-a) do outro semiciclo, esta é a energia de maior temperatura da fonte formada por uma câmara de combustão ou por um trocador isotérmico conectado no segmento mais quente da descarga de combustão de uma fonte de calor normalmente por combustão, após o processo isotérmico de aquecimento ocorre o processo adiabático de expansão (3-4) e simultaneamente ocorre uma fase de transferência de massa de gás 312 deste subsistema para o outro subsistema, no detalhe 36, onde neste instante estará ocorrendo o processo isocórico de aquecimento (a-b) indicado por 32, na sequência ocorre o processo isotérmico de resfriamento e compressão (4-1) que ocorre simultaneamente ao processo isotérmico (b-c) do outro semiciclo, cuja energia retirada é indicada por 311 e assim são concluídos os processos do segundo semiciclo.[050] The complete cycle is formed by two interdependent half-cycles, the second half-cycle (1-2-3-4-1) of subsystem 420 that occurs simultaneously with the first, described in the previous paragraph, is indicated by 38 in figure 8, energy 39 forms the isochoric heating process (1-2) that occurs simultaneously with the adiabatic process (c-d) of the other half-cycle, this is the lowest temperature exhaust energy of the source, energy 310 forms the isothermal heating process (2-3) that occurs simultaneously with the isothermal process (d-a) of the other half-cycle, this is the highest temperature energy of the source formed by a combustion chamber or by an isothermal exchanger connected in the hottest segment of the combustion discharge of a heat source normally by combustion, after the isothermal heating process the adiabatic expansion process (3-4) occurs and simultaneously a gas mass transfer phase 312 occurs from this subsystem to the other subsystem, in detail 36, where at this moment the isochoric heating process (a-b) indicated by 32 will be occurring, followed by the isothermal cooling and compression process (4-1) which occurs simultaneously with the isothermal process (b-c) of the other half-cycle, whose energy removed is indicated by 311 and thus the processes of the second half-cycle are concluded.
[051] A figura 9 mostra o ciclo termodinâmico completo, formado por dois processos isocóricos de aquecimento (a-b) e (1-2) por onde entra energia 42 de exaustão de menor temperatura, dois processos de aquecimento e expansão isotérmicos (b-c) e (2-3) na temperatura quente (Tq) por onde entra a energia de maior temperatura 43, dois processos de expansão adiabáticos (c-d) e (3-4) onde ocorrem também as fases de transferência de massa para os processos isocóricos e dois processos isotérmicos de resfriamento (d-a) e (4-1) na temperatura (Tf) por onde a energia não convertida em trabalho é descartada 44. Os dois semiciclos são realizados cada um no seu subsistema, um no subsistema 418 e o outro no subsistema 420 do motor 45 mostrado na figura 10, e interagem-se entre si com transferência de massa e de energia.[051] Figure 9 shows the complete thermodynamic cycle, formed by two isochoric heating processes (a-b) and (1-2) through which energy 42 from the lower temperature exhaust enters, two isothermal heating and expansion processes (b-c) and (2-3) at the hot temperature (Tq) through which energy from the higher temperature enters 43, two adiabatic expansion processes (c-d) and (3-4) where the mass transfer phases for the isochoric processes also occur, and two isothermal cooling processes (d-a) and (4-1) at the temperature (Tf) through which the energy not converted into work is discarded 44. The two half-cycles are each performed in their own subsystem, one in subsystem 418 and the other in subsystem 420 of the engine 45 shown in Figure 10, and interact with each other with mass and energy transfer.
[052] A figura 10 mostra o modelo de motor baseado no sistema termodinâmico híbrido, contendo dois subsistemas de conversão de energia indicado por 418 e 420 contendo gás de trabalho. Cada subsistema possui sua câmara de conversão de energia 423 e 424, um elemento de força motriz 419. Fazendo conexão entre os subsistemas para os processos de transferência de massa há um elemento de transferência de massa 421. Cada uma das câmaras de cada um dos subsistemas é formada por quatro subcâmaras, a câmara 423 é formada por uma subcâmara de aquecimento isocórico 412, uma subcâmara de aquecimento isotérmico 411, uma subcâmara isolada para expansão adiabática 410 e uma subcâmara de resfriamento isotérmico 49 e como exaustão dos gases de saída do subsistema, o canal 422 conjugado ou não com o canal de exaustão da outra câmara. A câmara 424 é formada por uma subcâmara de aquecimento isocórico 413, uma subcâmara de aquecimento isotérmico 414, uma subcâmara isolada para expansão adiabática 415 e uma subcâmara de resfriamento isotérmico 416e como exaustão dos gases de saída do subsistema, o canal 422 conjugado ou não com o canal de exaustão da outra câmara. Um sistema de resfriamento formado por um trocador de calor 46, uma ventoinha, elemento de resfriamento forçado 417 e dutos de entrada e saída de fluido de resfriamento 47 e 48 desempenham a função de retirar o calor das subcâmaras de resfriamento isotérmico 49 e 416.[052] Figure 10 shows the engine model based on the hybrid thermodynamic system, containing two energy conversion subsystems indicated by 418 and 420 containing working gas. Each subsystem has its energy conversion chamber 423 and 424, a driving force element 419. Connecting the subsystems for the mass transfer processes there is a mass transfer element 421. Each of the chambers of each of the subsystems is formed by four subchambers, chamber 423 is formed by an isochoric heating subchamber 412, an isothermal heating subchamber 411, an isolated subchamber for adiabatic expansion 410 and an isothermal cooling subchamber 49 and as exhaust of the subsystem's exit gases, channel 422 conjugated or not with the exhaust channel of the other chamber. The chamber 424 is formed by an isochoric heating subchamber 413, an isothermal heating subchamber 414, an insulated subchamber for adiabatic expansion 415 and an isothermal cooling subchamber 416e as an exhaust for the subsystem's outlet gases, the channel 422 being combined or not with the exhaust channel of the other chamber. A cooling system formed by a heat exchanger 46, a fan, a forced cooling element 417 and cooling fluid inlet and outlet ducts 47 and 48 perform the function of removing heat from the isothermal cooling subchambers 49 and 416.
[053] A figura 11 mostra o modelo que caracteriza um motor de ciclo diferencial em 52 e em 51 mostra como podem ser desenhados geometricamente os principais elementos com as características que lhe permite executar o ciclo termodinâmico de dois processos isocóricos de aquecimento dois processos isotérmicos de aquecimento e expansão, dois processos adiabáticos de expansão e dois processos isotérmicos de resfriamento e compressão, com transferência de massa entre os subsistemas durante os processos adiabáticos e isocóricos. Os elementos que formam cada câmara são compostos por um módulo de aquecimento isocórico 53 o qual constitui o segmento mais frio da exaustão do calor que é conectado à saída do módulo de aquecimento isotérmico 54, a parte mais quente, ao lado do módulo de aquecimento isotérmico se encontra o módulo isolado 56 onde ocorre o processo adiabático e ao lado do módulo isolado se encontra o módulo de resfriamento isotérmico 56 o qual também se encontra ao lado do módulo de aquecimento isocórico formando um disco geométrico. Junto ao módulo de aquecimento isotérmico se encontra uma câmara de combustão 59, esta em alguns casos pode ser formada por um trocador de outro processo por combustão, uma saída da exaustão de gases quentes de outro motor a combustão, por exemplo. Em 513 é indicado a alimentação de combustível, caso o motor for projetado para operar por combustão e em 58 é indicado a exaustão de gases quentes conectado à saída do módulo de aquecimento isocórico. O módulo 510 é um disco com espessura tal de modo que o detalhe indicado por 511 forma um volume com área relativamente grande e profundidade relativamente pequena, dependendo dos requisitos de cada projeto onde o gás de trabalho é alojado e transportado entre as quatro subcâmaras para executar os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor. O módulo 514 corresponde a uma tampa posterior hermética do motor e o módulo 515 corresponde a uma tampa frontal hermética do motor por onde um eixo 517 o transpassa para ser acionado pelo eixo principal do motor 516. O módulo 57 é o elemento de transferência de massa de gás entre os subsistemas que formam o motor e este pode ser uma válvula que é aberta em determinado instante durante os processos adiabáticos e isocóricos, o segundo subsistema do motor está sendo representado por 518. O desenho indicado por 51 representa os elementos principais que forma cada um dos dois subsistemas que formam um motor de ciclo diferencial.[053] Figure 11 shows the model that characterizes a differential cycle engine in 52 and in 51 it shows how the main elements can be geometrically designed with the characteristics that allow it to execute the thermodynamic cycle of two isochoric heating processes, two isothermal heating and expansion processes, two adiabatic expansion processes and two isothermal cooling and compression processes, with mass transfer between the subsystems during the adiabatic and isochoric processes. The elements that form each chamber are composed of an isochoric heating module 53 which constitutes the coldest segment of the heat exhaust that is connected to the outlet of the isothermal heating module 54, the hottest part, next to the isothermal heating module is the isolated module 56 where the adiabatic process occurs and next to the isolated module is the isothermal cooling module 56 which is also next to the isochoric heating module forming a geometric disk. Next to the isothermal heating module is a combustion chamber 59, which in some cases may be formed by an exchanger for another combustion process, an outlet for the exhaust of hot gases from another combustion engine, for example. At 513 the fuel supply is indicated, if the engine is designed to operate by combustion and at 58 the exhaust of hot gases connected to the outlet of the isochoric heating module is indicated. The module 510 is a disk with such thickness that the detail indicated by 511 forms a volume with a relatively large area and relatively small depth, depending on the requirements of each project where the working gas is housed and transported between the four subchambers to carry out the processes that form the thermodynamic cycle of the engine. Module 514 corresponds to a hermetic rear cover of the engine and module 515 corresponds to a hermetic front cover of the engine through which a shaft 517 passes to be driven by the main shaft of the engine 516. Module 57 is the gas mass transfer element between the subsystems that form the engine and this can be a valve that is opened at a certain moment during the adiabatic and isochoric processes, the second subsystem of the engine is being represented by 518. The drawing indicated by 51 represents the main elements that form each of the two subsystems that form a differential cycle engine.
[054] As figuras 12, 13, 14 e 15 mostram como ocorrem mecanicamente os oito processos, dois isocóricos de aquecimento (a-b) e (1-2) dois isotérmicos de aquecimento e expansão (b-c) e (2-3), dois adiabáticos de expansão (c-d) e (3-4) e dois isotérmicos de resfriamento e compressão (d-a) e (4-1) com transferência de massa entre os processos adiabáticos e isocóricos. Na figura 12, o subsistema 418 transporta o gás de trabalho para a subcâmara aquecida pelo segmento de menor temperatura da combustão indicado por 62, o gás de trabalho executa o processo isocórico de aquecimento (a-b) mostrado no gráfico 41 da figura 9, simultaneamente o subsistema 420 transporta o gás de trabalho para a subcâmara isolada termicamente indicado por 63, o gás de trabalho executado o processo adiabático de expansão (3-4) e simultaneamente ocorre a transferência de massa de gás da subcâmara que está executando o processo adiabático para a subcâmara que está executando o processo isocórico indicado por 67, na sequência na figura 13 o subsistema 418 transporta o gás de trabalho para a subcâmara aquecida pelo segmento de combustão ou de maior temperatura da combustão indicado por 65, o gás de trabalho executa o processo isotérmico de aquecimento e expansão (b-c) mostrado no gráfico 41 da figura 9, simultaneamente o subsistema 420 transporta o gás de trabalho para a subcâmara de resfriamento e compressão isotérmica indicado por 66, o gás de trabalho executa o processo isotérmico de resfriamento e compressão (4-1), na sequência na figura 14 o subsistema 418 transporta o gás de trabalho para a subcâmara isolada termicamente indicado por 72, o gás de trabalho executa o processo adiabático de expansão (c-d) mostrado no gráfico 41 da figura 9, simultaneamente o subsistema 420 transporta o gás de trabalho para a subcâmara aquecida pelo segmento de menor temperatura da combustão indicado por 73, o gás de trabalho executa o processo isocórico de aquecimento (1-2) mostrado no gráfico 41 da figura 9 e simultaneamente ocorre a transferência de massa da subcâmara que está executando o processo adiabático para a subcâmara que está executando o processo isocórico, indicado por 77, na sequência na figura 15 o subsistema 418 transporta o gás de trabalho para a subcâmara de resfriamento isotérmico indicado por 75, o gás de trabalho executa o processo isotérmico de resfriamento e compressão (d-a), mostrado no gráfico 41 da figura 9, simultaneamente o subsistema 420 transporta o gás de trabalho para a subcâmara de aquecimento e expansão isotérmica indicado por 76, o gás de trabalho executa o processo isotérmico de aquecimento e expansão (2-3), finalizando o ciclo termodinâmico.[054] Figures 12, 13, 14 and 15 show how the eight processes occur mechanically, two isochoric heating (a-b) and (1-2) two isothermal heating and expansion (b-c) and (2-3), two adiabatic expansion (c-d) and (3-4) and two isothermal cooling and compression (d-a) and (4-1) with mass transfer between the adiabatic and isochoric processes. In figure 12, subsystem 418 transports the working gas to the subchamber heated by the lowest combustion temperature segment indicated by 62, the working gas executes the isochoric heating process (a-b) shown in graph 41 of figure 9, simultaneously subsystem 420 transports the working gas to the thermally insulated subchamber indicated by 63, the working gas executes the adiabatic expansion process (3-4) and simultaneously the gas mass transfer occurs from the subchamber that is executing the adiabatic process to the subchamber that is executing the isochoric process indicated by 67, in the sequence in figure 13 subsystem 418 transports the working gas to the subchamber heated by the combustion segment or the highest combustion temperature indicated by 65, the working gas executes the isothermal heating and expansion process (b-c) shown in graph 41 of figure 9, simultaneously subsystem 420 transports the gas working gas to the isothermal cooling and compression subchamber indicated by 66, the working gas performs the isothermal cooling and compression process (4-1), in the sequence in figure 14 the subsystem 418 transports the working gas to the thermally insulated subchamber indicated by 72, the working gas performs the adiabatic expansion process (c-d) shown in graph 41 of figure 9, simultaneously the subsystem 420 transports the working gas to the subchamber heated by the lowest temperature segment of the combustion indicated by 73, the working gas performs the isochoric heating process (1-2) shown in graph 41 of figure 9 and simultaneously the mass transfer occurs from the subchamber that is performing the adiabatic process to the subchamber that is performing the isochoric process, indicated by 77, in the sequence in figure 15 the subsystem 418 transports the working gas to the isothermal cooling subchamber indicated by 75, the working gas executes the isothermal cooling and compression process (d-a), shown in graph 41 of figure 9, simultaneously the subsystem 420 transports the working gas to the isothermal heating and expansion subchamber indicated by 76, the working gas executes the isothermal heating and expansion process (2-3), finalizing the thermodynamic cycle.
[055] A tabela 1 mostra processo por processo que formam o ciclo diferencial de oito processos do motor térmico mostrados passo a passo, com dois processos isocóricos, quatro processos isotérmicos e dois processos adiabáticos e etapas de transferência de massa. [055] Table 1 shows process by process that form the differential cycle of eight heat engine processes shown step by step, with two isochoric processes, four isothermal processes and two adiabatic processes and mass transfer steps.
[056] Portanto, conforme exposto na tabela 1, o ciclo diferencial executado em quatro passos é composto por dois processos isocóricos de aquecimento com recebimento de massa, dois processos isotérmicos também de aquecimento, dois processos adiabáticos de expansão com transferência de massa e dois processos isotérmicos de resfriamento compondo oito transformações termodinâmicas, também chamados de processos, que formam o ciclo diferencial do motor, sendo um processo ou transformação de aquecimento isocórico (a-b) de um dos subsistemas que ocorre simultaneamente a outro processo ou transformação de expansão adiabática (3-4) do outro subsistema, havendo transferência de massa neste processo, e um processo ou transformação de aquecimento e expansão isotérmica de alta temperatura (b-c) de um dos subsistemas que ocorre simultaneamente a outro processo ou transformação de resfriamento e compressão isotérmica de baixa temperatura (4-1) do outro subsistema, e um processo ou transformação de expansão adiabática (c-d) de um dos subsistemas que ocorre simultaneamente a outro processo ou transformação de aquecimento isocórico (1-2) do outro subsistema, havendo transferência de massa neste processo, e um processo ou transformação de resfriamento e compressão isotérmica de baixa temperatura (d-a) de um dos subsistemas que ocorre simultaneamente a outro processo ou transformação de aquecimento e expansão isotérmica de alta temperatura (2-3) do outro subsistema, e dois processos de transferência de energia associada à massa 35 e 312 que ocorrem simultaneamente aos processos adiabáticos e isocóricos.[056] Therefore, as shown in Table 1, the differential cycle executed in four steps is composed of two isochoric heating processes with mass reception, two isothermal heating processes, two adiabatic expansion processes with mass transfer and two isothermal cooling processes composing eight thermodynamic transformations, also called processes, which form the differential cycle of the engine, being an isochoric heating process or transformation (a-b) of one of the subsystems that occurs simultaneously with another adiabatic expansion process or transformation (3-4) of the other subsystem, with mass transfer in this process, and a high temperature isothermal heating and expansion process or transformation (b-c) of one of the subsystems that occurs simultaneously with another low temperature isothermal cooling and compression process or transformation (4-1) of the other subsystem, and an adiabatic expansion process or transformation (c-d) of one of the subsystems that occurs simultaneously with another isochoric heating process or transformation (1-2) of the other subsystem, with mass transfer in this process, and a low-temperature isothermal cooling and compression process or transformation (d-a) of one of the subsystems that occurs simultaneously with another high-temperature isothermal heating and expansion process or transformation (2-3) of the other subsystem, and two mass-associated energy transfer processes 35 and 312 that occur simultaneously with the adiabatic and isochoric processes.
[057] 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 nas figuras 7, 8 e 9 são equacionados como segue. Os processos isocóricos de entrada de energia, aquecimento (a-b) e (1-2) são realizados com (n1) mol de gás, porém apenas (n2) mol de gás recebe energia externa e são representados pelas expressões (d) e (e), dois processos isotérmicos de entrada de energia e expansão (b-c) e (2-3) são representados pelas expressões (f) e (g) porém com (n1) mol de gás, os processos adiabáticos de expansão (c-d) e (3-4) são realizados com (n2) mol, pois parte da massa de gás é transferida para o processo isocórico do outro subsistema, e são representados pelas expressões (h) e (i), a energia descartada, liberada ao ambiente, ocorre por meio de dois processos isotérmicos de resfriamento e compressão (d-a) e (4-1) e são representados pelas expressões (j) e (k). As expressões revelam que parte da energia associada à massa é conservada e produz o efeito de manter o diferencial de potencial responsável por gerar trabalho e, portanto, esta fração não pode ser utilizada para gerar trabalho, portanto fica claro que se a fração de massa e sua energia associada for utilizada para gerar trabalho, ela não poderá ser usada para o diferencial de potencial e a eficiência cairá. As expressões consideram o sinal do sentido do fluxo das energias. [057] This differential cycle of an engine composed of two subsystems based on the hybrid system concept, whose pressure and volume curve is indicated in figures 7, 8 and 9 are equated as follows. The isochoric processes of energy input, heating (ab) and (1-2) are carried out with (n1) mol of gas, but only (n2) mol of gas receives external energy and are represented by expressions (d) and (e), two isothermal processes of energy input and expansion (bc) and (2-3) are represented by expressions (f) and (g) but with (n1) mol of gas, the adiabatic processes of expansion (cd) and (3-4) are carried out with (n2) mol, since part of the mass of gas is transferred to the isochoric process of the other subsystem, and are represented by expressions (h) and (i), the discarded energy, released to the environment, occurs through two isothermal processes of cooling and compression (da) and (4-1) and are represented by expressions (j) and (k). The expressions reveal that part of the energy associated with the mass is conserved and produces the effect of maintaining the potential differential responsible for generating work and, therefore, this fraction cannot be used to generate work. Therefore, it is clear that if the fraction of mass and its associated energy is used to generate work, it cannot be used for the potential differential and the efficiency will fall. The expressions consider the sign of the direction of the energy flow.
[058] Uma fração da energia associada a (ni - n2) corresponde à energia conservada e é usada no ciclo para manter o diferencial de potencial, não realiza trabalho, esta fração foi suprimida das expressões (d), (e), (h) e (i), suas energias associadas são demonstradas pelas expressões (l) e (m): [058] A fraction of the energy associated with (ni - n2) corresponds to the conserved energy and is used in the cycle to maintain the potential differential, it does not perform work, this fraction was suppressed from expressions (d), (e), (h) and (i), their associated energies are demonstrated by expressions (l) and (m):
[059] Considerando que (Ta = Td = T1 = T4 = Tf e Tb = Tc = T2 = T3 = Tq), o total de energia de entrada no motor é a soma das energias Q(a-b), Q(1-2), Q(b-c), Q(2-3), e é representada pela expressão (n) abaixo: [059] Considering that (Ta = Td = T1 = T4 = Tf and Tb = Tc = T2 = T3 = Tq), the total input energy to the motor is the sum of the energies Q(ab), Q(1-2), Q(bc), Q(2-3), and is represented by the expression (n) below:
[060] O total da energia dissipada, descartada para o meio exterior é a soma das energias Q(4-1) e Q(d-a) e na sua forma positiva, é representada pela expressão (o) abaixo: [060] The total dissipated energy, discarded to the external environment, is the sum of the energies Q(4-1) and Q(da) and in its positive form, is represented by the expression (o) below:
[061] 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 (p) abaixo: [061] 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 (p) below:
[062] Portanto, demonstra-se assim que neste ciclomotor, os processos adiabáticos de expansão realizam trabalho efetivamente, a energia não é regenerada no processo isocórico, o objetivo é o aproveitamento máximo do calor da combustão ou de uma exaustão de um processo de combustão, portanto os processos isocóricos são de aquecimento através dos gases de exaustão liberados do processo de combustão que não teria aproveitamento caso o processo adiabático fosse regenerativo. Desta forma, o ciclo assimétrico formado por dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos isotérmicos de aquecimento, dois processos adiabáticos de expansão e trabalho externo e dois processos isotérmicos de resfriamento constitui um conceito muito importante e vantajoso para a conversão de energia a partir de fontes por combustão ou por energias provindas de processos de combustão cuja massa de gás quente é desperdiçada pela maioria dos ciclos motores atuais.[062] Therefore, it is demonstrated that in this cycle engine, the adiabatic expansion processes effectively perform work, the energy is not regenerated in the isochoric process, the objective is to make maximum use of the heat from combustion or from the exhaust of a combustion process, therefore the isochoric processes are heating through the exhaust gases released from the combustion process that would not be used if the adiabatic process were regenerative. In this way, the asymmetric cycle formed by two isochoric heating processes, two isothermal heating processes, two adiabatic expansion and external work processes and two isothermal cooling processes constitutes a very important and advantageous concept for the conversion of energy from combustion sources or from energy from combustion processes whose hot gas mass is wasted by most current engine cycles.
[063] A demonstração final teórica da eficiência do ciclo diferencial de oito processos, dois processos isocóricos de aquecimento, dois processos isotérmicos de aquecimento, dois processos adiabáticos de expansão e dois processos isotérmicos de resfriamento com transferência de massa é dada pelas expressões (q) e (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. [063] The final theoretical demonstration of the efficiency of the differential cycle of eight processes, two isochoric heating processes, two isothermal heating processes, two adiabatic expansion processes and two isothermal cooling processes with mass transfer is given by the expressions (q) and (r), characterizing that the differential cycles based on the hybrid thermodynamic system have as an efficiency parameter, also the number of moles or mass in the processes and therefore these cycles do not have their efficiencies dependent exclusively on temperatures.
[064] Este ciclomotor assimétrico, baseado no sistema híbrido possui particularidades exclusivas, ele é próprio para aplicações cuja fonte de energia opera pela combustão ou pela exaustão de processos de combustão, aproveitando os gases quentes da exaustão final por meio de um processo isocórico de aquecimento do ciclo termodinâmico.[064] This asymmetrical moped, based on the hybrid system, has unique features; it is suitable for applications whose energy source operates through combustion or through the exhaust of combustion processes, taking advantage of the hot gases from the final exhaust through an isochoric heating process of the thermodynamic cycle.
[065] A primeira aplicação direta do motor é para oferecer força mecânica do tipo estacionária para diversos fins ou para tração mecânica e a fonte de energia seria pela combustão de diversos tipos de combustíveis, com grande flexibilidade de combustíveis em função da combustão ser externa e em função da flexibilidade quanto à operacionalidade em larga faixa de temperatura conferida pela controlabilidade do ciclo.[065] The first direct application of the engine is to provide stationary mechanical force for various purposes or for mechanical traction and the energy source would be through the combustion of various types of fuels, with great flexibility of fuels due to the combustion being external and due to the flexibility regarding operation over a wide temperature range provided by the controllability of the cycle.
[066] A figura 16 mostra outra aplicação útil para o motor de ciclo diferencial assimétrico para melhorar a eficiência de motores de combustão interna, formando ciclos combinados com estes. O calor rejeitado pelas exaustões, 812 e 87 dos motores de combustão interna, indicado por 82, alimentados por combustíveis, 88, de ciclo Brayton, ciclo Diesel, ciclo Sabathe, ciclo Otto, ciclo Atkinson, são canalizados para as entradas de energia (calor) do motor de ciclo diferencial, onde uma unidade isotérmica 83 fornece calor à temperatura constante e outra unidade trocadora de calor 84 fornece energia (calor) entre as temperaturas finais de descarga, próxima à temperatura do ambiente e a temperatura inicial de descarga, próxima à temperatura das isotérmicas, promovendo um fluxo de calor 812 e 87 respectivamente alimentando os processos isotérmicos e isocóricos do motor de ciclo diferencial 81 e este converte parte desta energia em força mecânica útil, 814 que pode ser integrada à força mecânica do motor de combustão interna 813 gerando uma força mecânica única, 89, ou direcionada a produzir energia elétrica. O descarte da energia não convertida pelo motor de ciclo diferencial segue para o meio externo indicado por 815. 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 com vantagens frente às tecnologias conhecidas.[066] Figure 16 shows another useful application for the asymmetric differential cycle engine to improve the efficiency of internal combustion engines by forming combined cycles with them. The heat rejected by the exhausts, 812 and 87 of the internal combustion engines, indicated by 82, fueled by fuels, 88, of Brayton cycle, Diesel cycle, Sabathe cycle, Otto cycle, Atkinson cycle, are channeled to the energy (heat) inputs of the differential cycle engine, where an isothermal unit 83 supplies heat at constant temperature and another heat exchanger unit 84 supplies energy (heat) between the final discharge temperatures, close to the ambient temperature, and the initial discharge temperature, close to the isothermal temperature, promoting a heat flow 812 and 87 respectively feeding the isothermal and isochoric processes of the differential cycle engine 81 and this converts part of this energy into useful mechanical force, 814 which can be integrated with the mechanical force of the internal combustion engine 813 generating a single mechanical force, 89, or directed to produce electrical energy. The energy not converted by the differential cycle engine is discarded to the external environment indicated by 815. 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 with advantages over known technologies.
Claims (13)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BR102017003822-0A BR102017003822B1 (en) | 2017-02-23 | DIFFERENTIAL CYCLE HEAT ENGINE COMPRISING TWO ISOCHORIC PROCESSES, FOUR ISOTHERMAL PROCESSES AND TWO ADIABATIC PROCESSES AND CONTROL PROCESS FOR THE THERMODYNAMIC CYCLE OF THE HEAT ENGINE | |
| PCT/BR2018/000006 WO2018152603A1 (en) | 2017-02-23 | 2018-02-23 | Thermal engine with differentiated cycle composed of two isochoric processes, four isothermal process and two adiabatic processes, and process for controlling the thermodynamic cycle of the thermal engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (3)
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|---|---|
| BR102017003822A2 BR102017003822A2 (en) | 2018-10-30 |
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| BR102017003822B1 true BR102017003822B1 (en) | 2024-08-06 |
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