CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001] Refere-se a presente invenção a um motor térmico de combustão interna de ciclo Otto, integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna em um processo isocórico, e rejeito de calor por um processo isotérmico de compressão. Trata-se de um conceito de um motor de combustão interna de ciclo Otto, integrado, cuja eficiência teórica é de aproximadamente 80%, comparando-se à eficiência teórica de aproximadamente 60% do motor de ciclo Otto convencional.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A termodinâmica clássica define três conceitos de sistemas termodinâmicos, o sistema termodinâmico aberto, o sistema termodinâmico fechado e o sistema termodinâmico isolado. Estes três conceitos de sistemas termodinâmicos foram conceituados no século XIX nos primórdios da criação das leis da termodinâmica e fundamentam todos os ciclos motores conhecidos até o presente.

[003] O sistema termodinâmico isolado é definido como um sistema no qual nem matéria, nem energia passa através dele. Portanto, este conceito de sistema termodinâmico não oferece propriedades que permitam o desenvolvimento de motores.

[004] O sistema termodinâmico aberto é definido como um sistema termodinâmico em que energia e matéria podem entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistemas termodinâmicos aberto, os motores de combustão interna de ciclo Otto, de ciclo Atkinson, semelhante ao ciclo Otto, de ciclo Diesel, de ciclo Sabathe, semelhante ao cicio Diesel, de ciclo Brayton de combustão interna. As matérias que entram nestes sistemas são os combustíveis e oxigénio ou fluido de trabalho ou gás de trabalho. A energia que entra nestes sistemas é o calor. As matérias que saem destes sistemas são a exaustão da combustão ou do fluido de trabalho, gases e resíduos, as energias que saem destes sistemas são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado.

[005] O sistema termodinâmico fechado é definido como um sistema termodinâmico em que apenas a energia pode entrar e sair deste sistema. São exemplos de sistema termodinâmico fechado, motores de combustão externa como o de ciclo 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 teórico. A energia que entra neste sistema é o calor. As energias que saem deste sistema são a energia mecânica de trabalho e parte do calor dissipado, porém não sai matéria destes sistemas, como ocorre no sistema aberto.

[006] Em ambos os sistemas, aberto e fechado, toda a massa do gás de trabalho é exposta à energia de entrada, calor ou combustão e toda ela também é exposta ao resfriamento ou arrefecimento, isto é, a massa do gás de trabalho é constante em seus processos e a diferença entre ambos é que no sistema aberto a massa de gás de trabalho atravessa o sistema, e no sistema fechado a massa permanece no sistema.

O ESTADO ATUAL DA TÉCNICA

[007] Os motores conhecidos atualmente são basicamente os motores de ciclo Rankine o mais antigo, ciclo Stirling, ciclo Otto, ciclo Brayton e ciclo Diesel. Existem outros, mas são basicamente versões destes. Foram inventados a maioria deles no século XIX e a partir do seu invento vem sendo aprimorados. No século XX surgiram alguns ciclos combinados. Os motores de ciclo combinado conhecidos até o presente foram inventados e projetados unindo-se no mesmo sistema dois conceitos de motores idealizados no século XIX, fundamentados em sistemas termodinâmicos abertos, ou sistemas termodinâmicos fechados, os mais conhecidos são os ciclos combinados de um motor de ciclo Brayton com um motor de cicio Rankine e o ciclo combinado de um motor de ciclo Diesel com um motor de ciclo Rankine ou Rankine Orgânico e já ocorrem ciclos combinados do ciclo Otto com o Rankine

[008] O conceito básico de um ciclo combinado é um sistema composto por um motor operante por meio de uma fonte de temperatura alta, de forma que o rejeito de calor deste motor é a energia que move um segundo motor que requeira uma temperatura mais baixa de operação, ambos formando um sistema combinado de conversão de energia térmica em energia mecânica para um mesmo fim comum ou não

[009] O estado atual da técnica revela ciclos combinados formado por um motor principal de ciclo Brayton que funciona com uma fonte principal com temperatura superior a 1000 °C e com gases de exaustão na faixa entre 600 °C e 700 °C e estes gases por sua vez são canalizados para alimentar outro motor de ciclo Rankine ou“Rankine orgânico” (ORC). O ciclo Rankine convencional tem como fluido de trabalho a água, o ciclo Rankine orgânico utiliza fluidos orgânicos, estes são mais adequados para projetos em temperaturas menores que os projetos com o ciclo Rankine convencional, portanto normalmente são utilizados em alguns dos ciclos combinados.

[010] Algumas das principais desvantagens dos ciclos combinados atuais, considerando a segunda máquina um motor de ciclo Rankine ou Rankine orgânico são a troca do estado físico do fluido de trabalho, isto é, há uma fase líquida exigida pelos processos do ciclo termodinâmico que deve ser controlada, e a energia do aquecimento da fase líquida e da fase latente de troca de estado não podem ser convertidas em energia útil de trabalho, são perdas impostas pelo conceito Rankine. Este sistema exige itens do motor que implicam em mais processos, mais peso, mais controle e mais perdas, são necessários reservatórios do líquido, reservatório para geração de vapor, trocador do tipo resfriador para condensação, reservatório para condensação, bomba para vazão do fluído no estado líquido, válvulas de controle dos processos de estado líquido e gasoso, múltiplos estágios e recuperadores para melhorar a eficiência. Este conjunto de particularidades implicam em peso adicional, volume adicional, perdas térmicas adicionais, redução da eficiência global e por consequência, índices de poluição maiores, custos de implementação maiores e menores índices de sustentabilidade nestes projetos.

[011] Não são conhecidos até o presente um motor integrado com um ciclo resultante único.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[012] Os grandes problemas do estado da técnica, especificamente quanto aos ciclos conhecidos, sistemas de cogeração e ciclos combinados, se encontram na eficiência limitada. A tecnologia mais próxima à deste invento, o ciclo combinado de uma turbina Brayton com uma máquina Rankine ou um motor de ciclo Diesel também com uma máquina Rankine ou ainda um motor de ciclo Otto com uma máquina Rankine Orgânica, impõem muitas perdas com condensação, troca do estado físico do fluido de trabalho, bombeamento do líquido para o tanque de vapor, nova troca de estado físico, calor latente, estas propriedades exigem energia que não se converterá em energia mecânica.

[013] O objetivo da invenção se concentra em eliminar alguns dos problemas existentes, minimizar outros problemas e oferecer novas possibilidades, para alcançar estes objetivos, objetivos de melhorar a eficiência, um novo conceito de motores térmicos passou a mostrar vantagens substanciais. Um novo conceito, um passo que evoluiu do ciclo combinado para o ciclo integrado, isto é, não teremos mais um ciclo de uma unidade cujo rejeito de calor deste passa a alimentar outra unidade independente, agora temos um ciclo plenamente integrado a outro onde o processo de transferência de energia passa a ser conceituado como regeneração que interliga duas unidades formando uma nova unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente de forma a termos um ciclo resultante único.

[014] Este novo conceito apresenta comprovadamente melhor eficiência teórica que qualquer outro ciclo conhecido, seja ele independente, como o Otto, Diesel, Stirling, Brayfon e Rankine, como também qualquer outro ciclo combinado conhecido, como o Diesel com o Rankine, Brayton com o Rankine, Otto com Rankine ou Rankine orgânico. As demonstrações destas vantagens se encontram nas equações apresentadas no texto desta patente.

[015] Portanto o objetivo é apresentar um conceito de uma nova tecnologia de motor térmico que ofereça mais eficiência na conversão da energia térmica para força mecânica e geração de energia comparando-se às tecnologias convencionais a partir de fontes térmicas.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[016] Os motores de ciclos integrados, diferente dos combinados, são caracterizados por constituírem um único motor formado por duas unidades e com um único ciclo termodinâmico resultante.

[017] O conceito presente considera uma unidade de combustão interna de ciclo Otto integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente, cujo processo entre as unidades seja de regeneração total da energia e com entrada de energia por combustão interna em um processo isocórico na unidade principal de ciclo Otto, e o rejeito de calor ocorre somente na unidade secundária por pistões por um processo isotérmico de compressão.

[018] A presente invenção trás evoluções importantes para a conversão de energia térmica em mecânica pelo conceito da integração mecânica e termodinâmica formando um novo ciclo resultante. A figura 3 mostra o detalhe da regeneração total entre a unidade principal com a unidade secundária sendo que toda a energia de entrada da fonte entra na unidade principal e todo o calor descartado, é descartado teoricamente e integralmente pela unidade secundária. A figura 9 mostra como a unidade principal é conectada na unidade secundária por um processo regenerativo e a figura 11 mostra o ciclo termodinâmico resultante desta integração. A figura 17 mostra um modelo construtivo completo do motor plenamente integrado. Algumas das principais vantagens do invento deste motor de combustão interna integrado, que podem ser constatadas são a inexistência de elementos de troca de fase física do fluido de trabalho e suas perdas associadas, a inexistência de elementos de condensação e de vaporização, portanto a inexistência também de perdas associadas ao calor latente do fluido de trabalho, a inexistência de circuitos, bombas, elementos de controle destinados aos processos de troca de fase física do fluido e suas perdas associadas, itens estes presentes nos ciclos combinados do atual estado da técnica. Portanto, a inovação apresentada com este invento é expressiva.

[019] O motor térmico de combustão interna com uma unidade principal de ciclo Otto integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, pode ser construído com materiais e técnicas semelhantes aos motores de ciclos combinados convencionais e com técnicas amplamente conhecidas, oferecendo viabilidades para seu desenvolvimento, construção e aplicação prática. DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[020] As figuras anexas demonstram as principais características e propriedades do novo conceito de um motor térmico de combustão interna de ciclo Otto integrado a uma unidade secundária de gás a circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos principais e outros dois, um de exaustão e um de aspiração, um processo isocórico de entrada de energia, um processo adiabático de expansão, um processo isocórico regenerativo, um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor e um processo isocórico regenerativo, sendo representadas conforme segue abaixo:

A figura 1 mostra o ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna de ciclo Otto;

A figura 2 mostra o detalhe da linha isotérmica 15 entre os pontos (1 ) e (3) do ciclo termodinâmico da unidade principal a qual é necessária para gerar a regeneração que permite a formação do ciclo termodinâmico de cinco processos;

A figura 3 mostra o fluxo de energia 22 da regeneração do processo isocórico da unidade principal de ciclo Otto para o processo isocórico da unidade secundária a pistões;

A figura 4 mostra na área hachurrada o trabalho acrescido ao ciclo do motor principal de ciclo Otto pelo motor secundário a pistões;

As figuras 5 e 6 mostram como as unidades mecânicas e o ciclo termodinâmico começam a ser integrados;

As figuras 7 e 8 mostram como o ciclo termodinâmico da unidade secundária a pistões se encaixa no ciclo termodinâmico da unidade principal de ciclo Otto para formar o motor Integrado;

A figura 9 mostra o diagrama completo do motor integrado composto por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Otto e uma unidade secundária a pistões interligados por um regenerador;

A figura 10 mostra de forma mais clara a integração do ciclo termodinâmico da unidade principal de combustão interna de cicio Otto com um trabalho líquido mostrado pela região 63 do gráfico, integrada ao trabalho líquido mostrado pela região 64 da unidade secundária a pistões formando um novo ciclo resultante mostrado na figura 11 com um trabalho líquido mostrado pela região 67 do gráfico;

A figura 11 mostra o ciclo termodinâmico resultante do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Otto com a unidade secundária a pistões;

A figura 12 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Otto com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isocórico da unidade a pistões indicando a atuação da válvula (V1) no processo isocórico de aquecimento por regeneração;

A figura 13 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Otto com a unidade secundária a pistões com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo adiabático de expansão da unidade a pistões indicando que o gás de trabalho permanece confinado adiabaticamente pelos bloqueios das válvulas (VI), ( V2 ) e (V3) no processo adiabático de expansão e trabalho;

A figura 14 mostra o diagrama do motor integrado formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Otto com a unidade secundária a pistões, com o detalhe do fluxo de energia e gás do processo isotérmico de compressão da unidade a pistões indicando a atuação da válvula (V2), (V3) e do turbocompressor 47 no processo isotérmico de compressão e rejeito de calor;

A figura 15 mostra o diagrama do motor integrado, formado pela unidade principal de combustão interna de ciclo Otto com a unidade secundária a pistões, novamente no estado inicial do seu respectivo ciclo de entrada da energia regenerada;

A figura 16 mostra o diagrama do motor integrado formado peia unidade principal de combustão interna de ciclo Otto com a unidade secundária a pistões com o detalhe do acoplamento das forças mecânicas de ambas as unidades por meio de um único eixo ou virabrequim comum 113;

A figura 17 mostra um desenho de um modelo construtivo de um motor integrado, constituído por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Otto com uma unidade secundária a pistões;

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO

[021] O entendimento do conceito do motor de combustão interna integrado, formado por uma unidade principal de combustão interna de ciclo Otto e uma unidade secundária por pistões, exige a análise inicialmente do ciclo da unidade principal mostrado na figura 1. Para configurar um motor integrado com um ciclo termodinâmico resultante de cinco processos é necessário que a unidade principal de ciclo Otto seja configurada ou projetada com parâmetros tal que a temperatura {74} seja igual à temperatura fria (Tf) e a temperatura (Tf) seja igual à temperatura final do processo de expansão adiabático (2-3) {73), de forma a termos uma linha isotérmica entre a temperatura (T3) e (Tf) mostrada por 15 na figura 2. Esta exigência fica bem evidente uma vez que desejamos regenerar teoricamente toda a energia indicada por 14 do processo isocórico (3-4), figura 2, para a unidade secundária a pistões, recuperando esta energia no processo isocórico (5-1 ) de aquecimento desta unidade secundária a pistões mostrado na figura 3. Então conforme mostrado na figura 3, teremos a energia 22 teoricamente totalmente regenerada da unidade principal de ciclo Otto para a unidade secundária a pistões onde a temperatura (T5) do processo isocórico da unidade secundária a pistões é igual a temperatura (Tf) do segmento de menor temperatura do regenerador e a temperatura (Tf) do processo isocórico da unidade secundária a pistões é igual a temperatura (T3) do segmento de maior temperatura do regenerador.

[022] A figura 4 mostra o resultado da integração do ciclo da unidade principal de ciclo Otto com o ciclo da unidade secundária por pistões e dois cicios distintos, um de quatro processos termodinâmicos e outro de três processos termodinâmicos passam a ter uma configuração e um comportamento de um único ciclo de cinco processos, um isocórico de aquecimento (1 -2) de entrada de energia por combustão, um adiabático de expansão (2-3), um isocórico regenerativo (3-4), um isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) e um isocórico regenerativo (5-1 ).

[023] As figuras 5 e 6 mostram respectivamente o ciclo termodinâmico e o modelo mecânico da unidade principal de ciclo Otto. A energia por combustão interna 31 executa o processo isocórico (1 -2) e a combustão ocorre no interior da câmara de combustão 34. Na sequência conforme o fluxo de energia, ocorre o processo de expansão adiabático pelo movimento do pistão 38 no interior do cilindro 35, este pistão por meio de uma biela atua girando o eixo ou vsrabrequim 37. Na sequência ocorre o processo isocórico (3-4), quando o gás 32 escoa para fora do cilindro seguindo para o regenerador. Na sequência ocorre o processo adiabático de compressão (4-1 ) logo após o gás 33 ser aspirado pelo processo (a-4) do ambiente e comprimido pelo pistão 36 para a câmara de combustão 34.

[024] As figuras 7 e 8 mostram respectivamente o ciclo termodinâmico e o modelo mecânico da unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado. A energia indicada por 41 do regenerador 43 promove o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) com o movimento a volume constante dos pistões dos cilindros 45 e 46. Na sequência ocorre o processo adiabático de expansão (1 -4) com a expansão do gás movimentando o pistão do cilindro 46 gerando força mecânica nos elementos de força motriz 412 Na sequência ocorre o processo isotérmico de compressão e rejeito de calor (4-5) com o gás sendo comprimido pelo pistão do cilindro 46 forçando o gás a passar pelo trocador isotérmico 44 de resfriamento, movendo o pistão do cilindro 45 e este processo ocorre com o auxílio do turbocompressor 47 movido eletricamente pelo motor elétrico 48.

[025] A figura 9 mostra o motor de combustão inferna integrado, formado por uma unidade principal de ciclo Otto (53) alimentado por combustão interna com outra unidade secundária com gás em circuito fechado (54) alimentado por um processo regenerativo, sendo que a unidade principal de ciclo Otto é alimentada por combustão interna (31 ) contendo uma câmara de combustão (34) a qual expande o gás da combustão em processo isocórico por explosão da mistura do combustível com ar, disparado por meio de uma centelha da vela 310, e na sequência um processo adiabático de expansão atuando sobre o pistão (36) no interior do cilindro (35) acionando por meio de uma biela o eixo (37) que por sua vez produz trabalho útil, e parte da energia cinética do eixo atua no pistão (36) fazendo um processo isocórico com exaustão do gás ainda quente através da válvula (39), alimentando, transferindo a energia ao regenerador que é um trocador de calor isocórico (43), e o trocador de calor isocórico (43), responsável pela regeneração, alimenta a unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado (54), por meio de um processo isocórico, atuando no cilindro de deslocamento de gás (45) o qual é auxiliar dos processos isocórico e isotérmico, e no cilindro de força mecânica (46), responsável pelo trabalho útil, que através de um sensor de posição angular dinâmico chamado de encoder (55) fixado no eixo dos elementos de força mecânica (412) e uma unidade de controle eletrónico ou mecânico (56), atua nas válvulas ou conjunto de válvulas V1 (49), V2 (410) e V3 (411 ) e controlam os processos termodinâmicos da unidade secundária a pistões (54), e de forma que o processo isotérmico da unidade secundária a pistões ocorre pelo rejeito de calor em um trocador isotérmico (44) com o auxílio de um turbocompressor elétrico ou circulador de gás, formado por um rotor (47) e um motor elétrico (48), e o resultado do processo é a força mecânica no eixo que interliga os elementos de força 412, caracterizando o motor integrado por uma unidade principal de ciclo Otto (53) alimentado por combustão interna com uma unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado (54) alimentado por um processo regenerativo

[026] As figuras 10 e 11 mostram graficamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna integrado com seu modelo mecânico mostrado na figura 9, formado por uma unidade principal de combustão inferna de ciclo Otto 53 e uma unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado 54. O motor possui um ciclo termodinâmico, cujos fenômenos são gerados a partir de uma fonte térmica a combustão 61 , a qual produz a expansão do gás da mistura combustível e ar na câmara de combustão 34 da unidade principal de ciclo Otto de combustão interna 53, e que gera o processo de entrada de energia do ciclo termodinâmico com um aquecimento isocórico (1 -2), onde o gás aumenta a temperatura de (T1) para (Tq) e a pressão de ( P1 ) para (Ph), após o processo de aquecimento isocórico (1 -2), ocorre o processo de expansão adiabático (2-3), com a expansão do gás no interior do cilindro 35 pelo movimento do pistão 36, onde o gás reduz a temperatura de (Tq) para (T3) e reduz a pressão de (Ph) para (P3), após o processo de expansão adiabático (2-3), ocorre o processo regenerativo isocórico (3-4), com a transferência de energia com volume constante ( Vb ) da unidade principal de cicio Otto 53 para o trocador de calor, regenerador isocórico 43, liberando o gás resultante da combustão 51 ao ambiente na temperatura fria (77), após o processo isocórico regenerativo (3-4) ocorre na unidade principal de ciclo Otto 53 o processo de exaustão e aspiração (4-a) e (a-4) respectivamente e sequencialmente, após o processo de exaustão e aspiração ocorre o processo de compressão adiabático (4-1 ) no interior do cilindro 35, pelo movimento de compressão do pistão 36 onde o gás aumenta a temperatura de (Tf) para ( T1 ) e pressão de ( PL ) para (Pf), finalizando os processos na unidade principal de combustão interna de ciclo Otto 53 e estes processos (1 -2), (2-3), (3-4), (4-a, a-4) e (4-1 ) ocorrem em uma ordem de acordo com o fluxo de energia e sequencialmente no domínio do tempo, e a partir do processo isocórico regenerativo (3-4) da unidade principal de ciclo Otto 53, com o fluxo de gás quente 32 transferindo sua energia ao regenerador 43, ocorre simultaneamente a este o processo isocórico de aquecimento (5-1 ) da unidade secundária a pistões com gás em circuito fechado 54, onde o gás em volume constante (Vá) com o movimento simultâneo dos pistões dos cilindros 45 e 46, passando o gás pelo regenerador 43 onde o gás aumenta a sua temperatura de (Tf) para (Tf) e aumenta a pressão de (P5) para (Pf), após o processo de aquecimento isocórico (5-1 ) ocorre o processo de expansão adiabático (1 -4) no cilindro de força mecânica 46, onde o pistão deste se move a partir do volume (Va) para o volume (Vb) com a expansão do gás produzindo força mecânica nos elementos de força motriz 412, e neste processo o gás reduz a temperatura de (Tf) para (Tf) e reduz a pressão de (Pf) para (PL), após o processo de expansão adiabático (1 -4), ocorre por meio da energia cinética armazenada nos eixos e elementos de força motriz 412, o processo de compressão e rejeito de calor 62 isotérmico (4-5), finalizando os processos na unidade secundária a pistões 54 com gás em circuito fechado, e estes três processos (5-1 ), (1 -4), e (4-5) ocorrem em uma ordem sequencial no domínio do tempo finalizando os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor de combustão interna, integrado por uma unidade principal de ciclo Otto de combustão interna e uma unidade secundária com pistões com gás em circuito fechado, de forma a caracterizar uma nova máquina complexa com duas unidades integradas que no conjunto opera mediante um ciclo 611 formado essencialmente por cinco processos termodinâmicos, por um processo de entrada de energia isocórico (1 -2) por combustão interna 65, um processo de expansão adiabático (2-3) com realização de trabalho 68, um processo isocórico (3-4) regenerativo 69, um processo de rejeito de calor por compressão isotérmica (4-5), 66, um processo de aquecimento isocórico (5-1 ), 610 regenerado pelo processo isocórico (3-4) e ainda um processo de exaustão e aspiração (4-a, a-4), de forma que o motor de combustão interna integrado realiza o trabalho líquido 67 resultante da soma de todos os processos que formam o ciclo termodinâmico.

[027] A tabela 1 mostra os quatro processos (1 -2, 2-3, 3-4, 4-1 ) que formam o ciclo parcial do motor da unidade de ciclo Otto de combustão interna, e os processos (4-a, a-4) de exaustão e aspiração, mostrados passo a passo, com um processo isocórico de aquecimento por combustão, um processo adiabático de expansão, um processo isocórico de regeneração e um processo adiabático de compressão.

Tabela 1

[028] A tabela 2 mostra os três processos (5-1 , 1-4, 4-5) que formam o ciclo da unidade a pistões de circuito fechado mostrados passo a passo, com um processo isocórico de entrada de energia, um processo adiabático de trabalho útil e um processo isotérmico de compressão e rejeito de calor. Tabela 2

[029] A tabela 3 mostra os cinco processos (1 -2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-1 ) que formam o ciclo termodinâmico resultante do motor de combustão interna integrado, mais os processos de exaustão e aspiração (4-a, a-4), formado por uma unidade a combustão inferna de ciclo Otto integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, formando uma unidade integrada mecanicamente e termodinamicamente, com entrada de energia por combustão interna, em um processo de aquecimento isocórico e rejeito de calor por um processo de compressão isotérmico.

Tabela 3

[030] Todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor integrado, podem ser demonstrados por meio de equações matemáticas A energia de entrada do motor térmico de combustão interna de ciclo Otto integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, ocorre por meio de um processo isocórico, e a combustão na câmara de combustão 34 produz um acréscimo da energia a partir do ponto (1 ), figura 10, do processo isocórico (1-2) de aquecimento por combustão representado pela expressão (a).

[031] Na equação (a), (Q,·) representa a energia total de entrada no sistema por combustão, em“Jouíe”, (n) representa o número de ol pertencendo à unidade principal de ciclo Otto, (R) representa a constante universal dos gases perfeitos, (T _q ) representa a temperatura máxima do gás em“Kelvin” no ponto (2) do processo, figura 10, (T _? ) representa a temperatura no ponto (1 ) inicial do processo isocórico da unidade de cicio Otto, figura 10, e (g) representa o coeficiente de expansão adiabática. A temperatura (T _? ) no ponto (1 ) é igual à temperatura ( T3 ) do ponto (3).

[032] O processo subsequente ao processo isocórico (1 -2), do cicio, é um processo de expansão adiabático (2-3), figura 10, da unidade principal de cicio Otto 53, figura 9, é um processo de trabalho com o movimento do pistão 36 no interior do cilindro 35 e é representada pela expressão (b).

[033] O processo subsequente do ciclo é um processo isocórico regenerativo (3-4), figura 10, onde o gás da unidade de combustão interna de ciclo Otto, transfere sua energia a um regenerador, trocador de calor isocórico 43 e é representada pela expressão (c).

[034] Na equação (c), (Q _reg ) representa a energia total transferida ao regenerador pelo processo isocórico (3-4), em“Joule”, esta energia alimentará a unidade a pistões a gás de circuito fechado. [035] O processo subsequente do ciclo é um processo de compressão adiabático (4-1 ), figura 10, onde o pistão 36 comprime o gás da pressão ( PL ) para a pressão (P1) e a temperatura sobe de (Tf) para (Tf) e é representado pela expressão (d).

[036] Os processos da unidade a combustão interna de ciclo Otto, ocorrem em uma ordem de fluxo de energia, e sequencialmente no domínio do tempo

[037] O processo que alimenta a unidade secundária a pistões de circuito fechado, é um processo isocórico (5-1 ) e é o processo regenerativo do processo isocórico (3-4) da unidade principal de combustão interna de ciclo Otto, este processo foi definido pela expressão (c) por (G _reg ). Na unidade secundária a pistões a gás de circuito fechado é representado pela expressão (e).

[038] Considerando que o número de mol de gás da unidade a pistões seja definido como ( n _p ), para haver uma equalização da regeneração, as equações

(c) e (e) devem ser iguais, desta forma o número de mol de gás da unidade a pistões deverá ser ( n _p =n ), portanto a equação do processo isocórico compensado passará a ser definido pela expressão (f).

[039] O processo de expansão adiabático (1 -4) da unidade secundária a pistões será representado pela expressão (g). [040] O processo de rejeito de calor da unidade secundária a pistões é um processo isotérmico (4-5), este processo de compressão isotérmico e rejeito de calor será representado pela expressão (h).

' _{4 - 5} = h. L. 7>. 1h( -¾ (h)

[041] O trabalho útil total, do motor térmico de combustão interna de ciclo Otto integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, é representado graficamente pela área hachurada, indicada por 67 da figura 11 , considerando um modelo ideal sem perdas, é a diferença entre a entrada e a saída da energia e é representado pela expressão (i) abaixo.

[042] Desta forma, a eficiência do motor térmico de combustão interna de ciclo Otto integrado a uma unidade secundária de circuito fechado a pistões, ideal, é representado pela expressão (j) ou (k), as quais revelam em condições ideais que o motor integrado de combustão interna por ciclo Otto pode atingir eficiências na ordem de 80%.

[043] As equações de (a) a (k) demonstram matematicamente todos os processos que formam o ciclo termodinâmico do motor, o trabalho útil e a eficiência. Estas equações demonstram matematicamente como os fenômenos ocorrem, sua origem por meio da combustão interna no processo isocórico (1 - 2), cada um dos processos decorrentes, o trabalho útil resultante e a energia não utilizada na conversão do trabalho rejeitada ao ambiente. [044] O motor integrado formado por uma unidade de ciclo Otto de combustão interna e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado, constitui uma única máquina plenamente integrada de forma que ambas as unidades possuem um único eixo comum, virabrequim, mostrado no desenho da figura 16 indicado por 113.

[045] Um modelo construtivo do motor integrado, formado por uma unidade de ciclo Otto de combustão interna e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado e seus principais elementos é mostrado na figura 17. A unidade principal de combustão interna de ciclo Otto mostrado na figura 17, tem um misturador 1215 para a entrada de ar, os cilindros da unidade principal por combustão interna 121 , a unidade secundária por pistões com gás em circuito fechado 122, um eixo, virabrequim comum 128, bomba d’água 1213, sensor tipo termostato 1214, ventoinha 1211 , radiador para a unidade principal a combustão interna 129, radiador para o resfriamento do processo isotérmico de compressão 1210, regenerador 125, trocador resfriador do processo isotérmico 126, turbocompressor elétrico 123, coletor da saída do gás quente 124, saída final da exaustão 127.

[046] Os parâmetros de cada uma das unidades, da unidade de ciclo Otto e da unidade de circuito fechado, sistema fechado, não necessitam necessariamente serem iguais, isto é, os volumes (Va), (Vb), o número de mol (n), tipo de gás, etc, estes não precisam ser iguais, tais parâmetros não alteram a eficiência teórica do motor. Vários parâmetros podem ser alterados oferecendo novas características, como por exemplo, a densidade de potência, rotação das unidades, sem alterar a eficiência e o conceito principal.

[047] Para o máximo aproveitamento térmico e eficiência do motor integrado, sugere-se que seja considerado o emprego de turbocompressores elétricos também na unidade de ciclo Otto, evitando a utilização dos gases quentes da exaustão, deixando este, o gás da exaustão, exclusivamente para a regeneração da unidade secundária. EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

[048] Motores integrados formados por uma unidade de combustão interna de ciclo Otto e uma unidade a pistões com gás em circuito fechado, possuem inúmeras aplicações, uma delas pode ser destinado a veículos, como uma alternativa frente aos ciclos combinado do motor Otto com Rankine Orgânico, outra aplicação seria em unidades portáteis de geração de energia, máquinas motorizadas, pois tem como benefício direto, a sua capacidade de converter maior quantidade de energia em trabalho em se comparando com as tecnologias tradicionais e com as tecnologias atuais de ciclos combinados. Este motor integrado possui uma eficiência teórica superior aos conhecidos motores de ciclo Otto, ciclo Diesel, ciclo Brayton, ciclo Rankine e os tradicionais ciclos combinados destes, conforme demonstrado pelas equações apresentadas e pela equação (j) ou (k) da eficiência.