BRPI0710274A2 - sistema e método para ignição de uma mistura de combustìvel-oxidante gasosa ou dispersiva - Google Patents
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Abstract
<B>SISTEMA E MéTODO PARA IGNIçãO DE UMA MISTURA DE COMBUSTìVEL- OXIDANTE GASOSA OU DISPERSIVA<D> Um sistema e método aperfeiçoados para a ignição de uma mistura de combustível- oxidante gasosa ou dispersiva são providos onde uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva é suprida para um tubo detonador tendo um ponto de enchimento e uma extremidade aberta e um inflamador colocado em um ponto de ignição dentro do tubo detonador é inflamado enquanto a mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva está fluindo através do tubo detonador. Um impulso de detonação é produzido no ponto de ignição que se propaga para a extremidade aberta do dito tubo detonador onde ele pode ser suprido para um tubo de detonação tendo uma extremidade aberta, para um motor de combustão interna, uma câmara de combustão e para um mecanismo de detonação por pulso.
Description
"SISTEMA E MÉTODO PAfRA IGNIÇÃO DE UMA MISTURA DE COMBUSTÍVEL-OXIDANTE GASOSA OU DISPERSIVA"
Referência Cruzada com Pedidos Relacionados
Esse pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente Provisório U.S.60/792.420, depositado em 17 de abril de 2006 e Pedido de Patente Provisório U.S.60/850.685, depositado em 10 de outubro de 2006, que são ambos incorporados aqui porreferência. Esse pedido também está relacionado com o Pedido de Patente Provisório de-positado simultaneamente em 10 de outubro de 2006, intitulado "A System and Method forGenerating and Directing Very Loud Sounds".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se, de forma geral, a um sistema e método para igniçãode uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva. Mais particularmente, a pre-sente invenção refere-se ao controle da detonação de uma mistura de combustível-oxidantegasosa ou dispersiva fluindo dentro de uma estrutura tubular.
Antecedentes da Invenção
Sistemas e métodos existentes para a ignição de uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva são ineficientes, caros e freqüentemente perigosos. A tecno-logia moderna de ignição com base em vela de ignição usada nos motores de combustãointerna deixa o combustível não gasto nos cilindros de tais motores depois do ciclo de com-bustão e exige o uso de um conversor catalítico para converter os subprodutos de combus-tão tóxicos para subprodutos mais seguros, mas que ainda resultam em poluentes perigosossendo emitidos para a atmosfera. Além do mais, as velas de ignição degradam o desempe-nho através do tempo resultando em eficiência de combustão cada vez menor e, portanto,na milhagem de combustível cada vez menor e poluição cada vez maior. Portanto, é desejá-vel ter sistema e método aperfeiçoados para a ignição de uma mistura de combustível-oxidante nos motores de combustão interna.
A tecnologia do motor de detonação por pulso, que está sendo desenvolvida prima-riamente para uso em motores de avião e foguete, promete prover desempenho muito me-lhor do que os motores de combustão interna. Entretanto, os métodos de ignição da misturade combustível-oxidante que foram usados em tais motores de detonação por pulso exigemo uso de misturas de combustível-oxidante perigosas e caras e uma quantidade significativade energia para obter a detonação. Além do mais, a regulação e as magnitudes das detona-ções produzidas em tais motores são difíceis de controlar devido às limitações dos métodosde ignição sendo desenvolvidos. Como tal, também é desejável ter um sistema e métodoaperfeiçoados para a ignição de uma mistura de combustível-oxidante nos motores de deto-nação por pulso.
Sumário da InvençãoBrevemente, a presente invenção é um sistema e método aperfeiçoados para a ig-nição de uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva. Uma mistura de com-bustível-oxidante tendo características de combustão desejadas é introduzida em uma taxade fluxo desejada em uma estrutura tubular. Em uma modalidade exemplar, a estrutura tu-bular compreende um detonador tendo um comprimento e diâmetro especificados. A misturade combustível-oxidante fluente é inflamada dentro do detonador pela introdução de umacentelha em um ponto de ignição dentro da mistura de combustível-oxidante fluente. Umimpulso de detonação resultante continua para inflamar a mistura de combustível-oxidantefluente do ponto de ignição para a extremidade de saída do detonador. As características decombustão e a taxa de fluxo da mistura de combustível-oxidante podem ser selecionadaspara controlar a energia do impulso de detonação.
A presente invenção provê um método para inflamar uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva, compreendendo as etapas de colocar um inflamador em umponto de ignição dentro de um tubo detonador de um detonador tendo um ponto de enchi-mento e uma extremidade aberta, suprir uma mistura de combustível-oxidante gasosa oudispersiva para o ponto de enchimento que sai da extremidade aberta e inflamar a misturade combustível-oxidante gasosa ou dispersiva fluente usando o inflamador para produzir umimpulso de detonação que propaga do ponto de ignição para a extremidade aberta do tubodetonador. Uma válvula, tal como uma válvula de retenção, pode ser colocada dentro dotubo de detonação antes do ponto de ignição ou depois do ponto de ignição. O impulso dedetonação pode ser suprido para um tubo de detonação, um motor de combustão interna ouum motor de detonação por pulso. A razão de massa do combustível contra oxidante e ataxa de fluxo da mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersa podem ser seleciona-das com base em um comprimento e um diâmetro do tubo detonador. A mistura de combus-tível-oxidante gasosa ou dispersiva pode ser etano, metano, propano, hidrogênio, butano,álcool, acetileno, gás MAPP, gasolina ou combustível de aviação ou alguma combinação. Ocombustível pode também ser qualquer destilado de petróleo, tais como nafta, óleo mineral,querosene ou diesel, ou materiais mais complexos tais como benzeno ou DEET. A regula-ção do inflamador pode ser controlada usando um mecanismo de gatilho, lógica fixa ou umprocessador de controle.
A presente invenção provê um sistema para inflamar uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva incluindo um detonador e um subsistema de suprimento demistura de combustível-oxidante. O detonador inclui um tubo detonador tendo um ponto deenchimento e uma extremidade aberta e um inflamador que é colocado em um ponto deignição dentro do tubo detonador. O subsistema de suprimento da mistura de combustível-oxidante supre uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva para o ponto deenchimento do tubo detonador que flui através do tubo detonador e sai na sua extremidadeaberta. O inflamador inflama a mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva en-quanto a mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva está fluindo através do tubodetonador, dessa maneira produzindo um impulso de detonação no ponto de ignição quepropaga para a extremidade aberta do tubo detonador. O sistema pode incluir uma válvula,tal como uma válvula de retenção, que fica localizada dentro do tubo de detonação antes doponto de ignição ou depois do ponto de ignição. O sistema pode incluir um mecanismo decontrole de regulação que controla a regulação do inflamador. O mecanismo de controle deregulação pode ser um mecanismo de gatilho, lógica fixa ou um processador de controle. Oinflamador pode ser uma fonte de pulso de alta voltagem, uma fonte da abertura de cente- lhas precipitada, um laser ou um fio de explosão.
A invenção também provê um detonador compreendendo um tubo detonador tendoum ponto de enchimento e uma extremidade aberta e um inflamador colocado em um pontode ignição dentro do dito tubo detonador. O ponto de enchimento do tubo de detonação ésuprido com uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva que flui através do tubo detonador e sai na sua extremidade aberta. O inflamador inflama a mistura de combus-tível-oxidante gasosa ou dispersiva enquanto a mistura de combustível-oxidante gasosa oudispersiva está fluindo através do tubo detonador, dessa forma produzindo um impulso dedetonação no ponto de ignição que se propaga para a extremidade aberta do tubo detona-dor. O detonador pode incluir uma válvula, tal como uma válvula de retenção, localizada dentro do tubo de detonação.
Breve Descrição dos Desenhos
A presente invenção é descrita com referência aos desenhos acompanhantes. Nosdesenhos, números de referência semelhantes indicam elementos idênticos ou funcional-mente similares. Adicionalmente, o(s) dígito(s) mais a esquerda de um número de referênciaidentifica(m) o desenho no qual o número de referência aparece em primeiro lugar.
A figura 1A ilustra um tubo de detonação exemplar da técnica anterior tendo supri-mentos de combustível e oxidador separados e uma vela de ignição que inflama a misturade combustível-oxidante na extremidade fechada do tubo depois que o tubo foi cheio,
A figura 1B ilustra um segundo tubo de detonação exemplar da técnica anterior ten- do um suprimento de mistura de combustível-oxidante e uma vela de ignição que inflama amistura de combustível-oxidante na extremidade fechada do tubo depois que o tubo foicheio,
A figura 2A ilustra um tubo de detonação exemplar da presente invenção tendo umdetonador que recebe uma mistura de combustível-oxidante de um suprimento de mistura de combustível-oxidante e inflama a mistura de combustível-oxidante quando ela está fluin-do para dentro do tubo,
A figura 2B representa uma primeira modalidade do detonador da presente inven-ção que funciona pela criação de um arco elétrico dentro de uma corrente de uma misturade gás,
A figura 2C representa uma segunda modalidade do detonador da presente inven-ção que é similar a essa representada na figura 2B, exceto que ela inclui dois condutoresque divergem para dentro do tubo principal fazendo com que o comprimento da centelhaaumente à medida que ela percorre para dentro do tubo de detonação principal,
A figura 3A representa uma vista de extremidade de uma outra modalidade do de-tonador da presente invenção,
A figura 3B representa uma vista lateral do detonador da figura 3A,
A figura 3C representa uma modalidade exemplar do detonador da invenção inclu-indo uma válvula de retenção usada para controlar o fluxo de uma mistura de combustível-oxidante suprida onde a válvula de retenção é colocada em frente do ponto de ignição notubo detonador,
A figura 3D representa uma modalidade exemplar do detonador da invenção inclu-indo uma válvula de retenção usada para controlar o fluxo de uma mistura de combustível-oxidante suprida onde a válvula de retenção é colocada depois do ponto de ignição no tubodetonador,
A figura 3E representa uma válvula de retenção exemplar que pode ser usada comas modalidades exemplares do detonador da presente invenção mostrado nas figuras 3C e3D,
A figura 4 representa uma combinação de graduação de tubo de detonação exem-plar, por meio da qual tubos de diâmetro cada vez maiores são usados em combinação paraamplificar uma onda de detonação,
A figura 5 representa um tubo de detonação exemplar tendo um diâmetro que au-menta através do comprimento do tubo que amplifica uma onda de detonação,
A figura 6 ilustra um tubo tendo uma circunferência de tubo gradualmente diminuin-do e a seguir gradualmente aumentando,
A figura 7A representa um primeiro tubo de detonação ao lado de um segundo tubode detonação,
A figura 7B representa quatro combinações de tubo de detonação dispostas tal queos tubos de detonação maiores das combinações do tubo de detonação ficam em contatoentre si,
A figura 7C representa três tubos de detonação de diâmetro aumentando,A figura 7D representa sete tubos de detonação dispostos para parecerem comuma estrutura hexagonal,
A figura 7E representa doze tubos de detonação dispostos em uma maneira circu-lar,A figura 8 representa uma vista lateral de três tubos de detonação tendo um primei-ro diâmetro conectado em um tubo de detonação maior tendo um segundo diâmetro maiorpara amplificar o pulso combinado gerado pelos tubos menores,
A figura 9 provê uma ilustração de como a regulação da queima dos tubos de deto-nação individuais focaliza a potência em um ponto único no campo distante,
A figura 10 representa uma formação esparsa de 4 tubos de detonação sendo de-tonados de modo a guiar as ondas de sobrepressão tal que elas combinam em uma locali-zação desejada,
A figura 11 representa uma formação esparsa de 4 grupos de tubos de detonaçãosendo detonados de modo a guiar as ondas de sobrepressão tal que elas combinam emuma localização desejada,
A figura 12 ilustra um exemplo do acondicionamento eficiente de sub-formaçõeshexagonais de 7 tubos de detonação em uma formação combinada totalizando 224 tubos dedetonação,
As figuras 13A-13L representam os cursos de admissão, compressão, combustão eexaustão que ocorrem durante duas rotações do eixo de manivela por ciclo de funcionamen-to de um motor de quatro tempos convencional (Otto-ciclo),
A figura 14 representa o início do curso de combustão do motor de quatro tempos(Otto-ciclo) das figuras 13A-13L usando o detonador da presente invenção para inflamar amistura de combustível-oxidante,
A figura 15 representa um motor Wankel exemplar usando os dois detonadores dapresente invenção,
A figura 16 representa uma seção transversal de uma asa de avião tendo quatromotores de detonação por pulso usando o detonador da presente invenção,
A figura 17 representa uma turbina com base em múltiplos motores de detonaçãopor pulso usando o detonador da presente invenção e
A figura 18 representa uma disposição exemplar de motores de detonação por pul-so usando o detonador da presente invenção que poderia ser usado para prover a propulsãopara um foguete.
Descrição Detalhada da Invenção
A presente invenção será agora descrita mais totalmente em detalhes com referên-cia aos desenhos acompanhantes, nos quais as modalidades exemplares da invenção sãomostradas. Entretanto, essa invenção não deve ser interpretada como limitada às modalida-des apresentadas aqui, de preferência, elas são providas de modo que essa revelação sejaperfeita e completa e transmita totalmente o escopo da invenção para aqueles versados natécnica. Números semelhantes se referem aos elementos semelhantes por toda ela.
A presente invenção provê um sistema e método aperfeiçoados para gerar e con-trolar uma onda de sobrepressão, que é também citada aqui como uma onda sonora ou pul-so sonoro. Ondas de sobrepressão exemplares podem ser caracterizadas por sua freqüên-cia na faixa de 0,1 Hz a 30 KHz. A base do sistema é a ignição de uma mistura de combus-tível-ar ou combustível-oxigênio gasosa ou dispersa detonável de alta energia dentro de umtubo que é aberto em uma extremidade, onde qualquer um de um número de combustíveisinflamáveis pode ser usado incluindo etano, metano, propano, hidrogênio, butano, álcool,acetileno, gás MAPP, gasolina e combustível de aviação. O combustível pode também serqualquer destilado de petróleo tais como nafta, óleo mineral, querosene ou diesel, ou mate-riais mais complexos tais como benzeno ou DEET. A mistura gasosa é detonada na extre-midade fechada do tubo fazendo uma onda de detonação propagar pelo comprimento dotubo onde a detonação termina e a onda de detonação sai da extremidade aberta do tubocomo uma onda de sobrepressão. O tubo é citado aqui como um tubo de detonação e a on-da de detonação é citada aqui como um pulso ou impulso de detonação.
Uma modalidade da presente invenção compreende pelo menos um aparelho detubo de detonação e um mecanismo de controle de regulação para controlar a regulaçãodas detonações. O aparelho do tubo de detonação compreende pelo menos um tubo dedetonação, pelo menos um detonador e um subsistema de suprimento de mistura de com-bustível-oxidante. Um ou mais detonadores podem ser usados com um dado tubo de deto-nação e um detonador pode ser usado com múltiplos tubos de detonação. Associados como um ou mais detonadores está um ou mais iniciadores de centelha onde um único iniciadorde centelha pode iniciar centelhas em múltiplos detonadores, que podem estar em paraleloou em série, e múltiplos iniciadores de centelha podem iniciar centelhas em um único deto-nador. O mecanismo de controle de regulação controla a regulação do um ou mais iniciado-res de centelha.
O iniciador de centelha pode ser uma fonte de pulso de alta voltagem. Como umaalternativa à fonte de pulso de alta voltagem, uma abordagem de abertura de centelhas pre-cipitada pode ser usada como um iniciador de centelha. Alternativas para um iniciador decentelha incluem um laser e um fio de explosão.
O mecanismo de controle de regulação pode ser um mecanismo de gatilho simples,lógica fixa ou ser um processador de controle mais complexo. Um processador de controlepode também ser usado para controlar parâmetros variáveis do subsistema de suprimentoda mistura de combustível-oxidante ou tais parâmetros podem ser fixos.
O subsistema de suprimento da mistura de combustível-oxidante mantém uma ra-zão de massa desejada de combustível contra oxidante da mistura de combustível-oxidantee uma taxa de fluxo desejada da mistura de combustível-oxidante. A razão de combustívelcontra oxidante desejada e a taxa de fluxo podem ser selecionadas para obter característi-cas de detonação desejadas que dependem das características de comprimento e diâmetrodo detonador. Por exemplo, uma modalidade usa uma mistura de combustível-oxidante depropano-ar, uma razão de massa de 5,5 e uma taxa de fluxo de 50 Litros/minuto para umdetonador tendo um comprimento de 2,54 cm (1") e 0,64 cm (1/4") de diâmetro e feito deTeflon1 um primeiro tubo de detonação feito de aço inoxidável tendo um comprimento de22,9 cm (9") e um diâmetro que afunila de 2,0 cm (0,8") na extremidade conectada no deto-nador para 1,7 cm (0,65") na extremidade conectada em um segundo tubo de detonaçãofeito de titânio tendo um comprimento de 81,3 cm (32") e 7,6 cm (3") de diâmetro. Alternati-vamente, o primeiro tubo de detonação pode ter um diâmetro constante de 2,0 cm (0,8").
Tecnologia de válvula de controle de fluxo de massa comercialmente disponível po-de ser usada para controlar a razão de massa do combustível contra oxidante da mistura decombustível-oxidante e a taxa de fluxo da mistura de combustível-oxidante. Alternativamen-te, tecnologia comercialmente disponível pode ser usada para medir o fluxo de massa dooxidante em um aparelho de mistura de mistura de combustível-oxidante e a medição defluxo de massa do oxidante precisa pode ser usada para controlar uma válvula de controledo fluxo de massa para regular o fluxo de massa do combustível necessário para obter umarazão de massa desejada de combustível contra oxidante da mistura de combustível-oxidante.
Detonação dentro da mistura de combustível-oxidante fluente
Sistemas de detonação de gás da técnica anterior exigiam longos tubos ou misturasgasosas altamente detonáveis tais como oxigênio e hidrogênio a fim de produzir uma deto-nação. De outra forma, elas somente "deflagrarão", o que é um processo lento e quase si-lencioso. Em contraste, um aspecto da presente invenção provê a capacidade de produzirpulsos sonoros curtos de alta intensidade dentro de um tubo tão curtos quanto de 30,5 cm (1pé) de comprimento e 5,1 cm (2 polegadas) de diâmetro, usando somente misturas gasosasmoderadamente explosivas tais como propano e ar. Ao contrário dos sistemas da técnicaanterior, esse aspecto da presente invenção é personificado em um sistema exemplar quepassa um arco elétrico através de uma corrente de gás fluente (ou móvel) e da mistura deoxidador que está enchendo o tubo dentro do qual a detonação acontecerá. Quando o tuboestá substancialmente cheio, uma rápida centelha é iniciada dentro do gás fluente no pontode enchimento no tubo, que precipita a detonação subseqüente de todo o gás dentro dotubo. Alternativamente, o gás fluente pode ser detonado por um laser ou por qualquer outrométodo de detonação e ignição adequado de acordo com a presente invenção. Essa técnicade ignição dentro do gás fluente reduz dramaticamente o comprimento do tubo requeridopara produzir uma detonação quando comparado com os sistemas da técnica anterior queinflamavam misturas gasosas não fluentes ou de alguma forma paradas. Além do mais, adetonação de acordo com esse aspecto da presente invenção requer na ordem de 1 Joulede energia para detonar a mistura de combustível-oxidante enquanto que os sistemas datécnica anterior podem exigir 100's a 1000's Joules de energia para atingir a detonação.Resultados desejáveis adicionais desse método são a redução da incerteza do tempo entreo gatilho do arco elétrico e a emissão subseqüente do pulso sonoro do tubo e a capacidadede repetição da magnitude do pulso de detonação. Como tal, o detonador de acordo comesse aspecto da presente invenção possibilita o controle preciso da magnitude e regulaçãode uma onda de sobrepressão.
A figura 1A representa uma vista lateral de um sistema de detonação da técnica an-terior. Um tubo de detonação 100 tem suprimento de combustível 102 e suprimento de oxi-dador 104 separados que são abertos durante um período de enchimento para encher otubo de detonação 100 com a mistura de combustível-oxidante 106. Depois do período deenchimento, o suprimento de combustível 102 e o suprimento de oxidador 104 são fechadose em um momento desejado, uma carga é aplicada através do fio de alta voltagem 108 navela de ignição 110, que inflama a mistura de combustível-oxidante 106 fazendo uma ondade detonação propagar para baixo do comprimento do tubo de detonação 100 e sair na suaextremidade aberta 112. Similarmente, a figura 1B representa uma vista lateral de um outrosistema de detonação da técnica anterior onde o tubo de detonação 100 tem um suprimentode mistura de combustível-oxidante 105 que é aberto durante um período de enchimentopara encher o tubo de detonação 100 com a mistura de combustível-oxidante 106. Depoisdo período de enchimento, o suprimento da mistura de combustível-oxidante 105 é fechadoe em um momento desejado, uma carga é aplicada através do fio de alta voltagem 108 navela de ignição 110, que inflama a mistura de combustível-oxidante 106 fazendo uma ondade detonação propagar para baixo do comprimento do tubo de detonação 100 e sair na suaextremidade aberta 112.
A figura 2A representa o tubo de detonação 100 do gerador da onda de sobrepres-são 11 da presente invenção sendo suprido pelo suprimento da mistura de combustível-oxidante 105 via o detonador 114, onde uma centelha inflama dentro da mistura de combus-tível-oxidante 106 enquanto o tubo de detonação 100 está sendo cheio com a mistura decombustível-oxidante 106 fazendo uma onda de detonação propagar para baixo do compri-mento do tubo de detonação 100 e sair na sua extremidade aberta 112. Em uma modalida-de, uma taxa de fluxo da mistura de combustível-oxidante apropriada é mantida durante aignição dentro da mistura de combustível-oxidante fluente. Foi verificado que através deuma faixa substancial de fluxos, quanto mais alta a taxa de fluxo, mais rápida a evolução daonda de detonação. Portanto, uma modalidade exemplar usa uma alta taxa de fluxo. Parauma dada energia da centelha, uma certa taxa de fluxo define o limite superior prático dataxa de fluxo. Em uma modalidade, a tubulação que alimenta o tubo de detonação fica abai-xo de um raio crítico para impedir que a detonação progrida de volta para o suprimento damistura de combustível-oxidante. Por exemplo, uma modalidade usa tubulação de 0,64 cm(1/4") de diâmetro para impedir tal retorno e ainda apresenta uma baixa resistência ao fluxode gás. Por exemplo, um detonador de 2,5 cm (1") de comprimento tendo um furo de 0,6 cm(1/4") de diâmetro pode atingir detonação usando uma centelha de 1 Joule dentro de umamistura de gás MAPP-ar fluindo em 50 Litros/minuto.
Também mostrado na figura 2A está um suprimento de mistura de combustível-oxidante secundária opcional 105'. Um ou mais suprimentos de mistura de combustível-oxidante secundária 105' podem ser usados para acelerar o enchimento de um grande tubode detonação (ou combinação de tubo). Com uma abordagem, um ou mais suprimentos demistura de combustível-oxidante secundária 105' são usados para acelerar o enchimento deum tubo de detonação 100 em paralelo com o suprimento de mistura de combustível-oxidante (primária) 105 tal que o detonador 114 pode inflamar a mistura de combustível-oxidante fluente em uma taxa de fluxo desejada. Com uma outra abordagem, o suprimentoda mistura de combustível-oxidante 105 pode suprir o tubo de detonação em uma primeirataxa mais alta e a seguir mudar para uma segunda taxa antes da mistura de combustível-oxidante fluente ser inflamada. Em ainda uma outra abordagem, o suprimento de mistura decombustível-oxidante secundária 105' supre uma mistura de combustível-oxidante 106' dife-rente (não mostrada na figura 2A) para dentro do tubo de detonação 100 do que a misturade combustível-oxidante 106 suprida pelo suprimento da mistura de combustível-oxidante105 para dentro do detonador 114.
Para certos combustíveis, pode ser necessário aquecer a mistura de combustível-oxidante a fim de realizar a detonação. Dependendo da taxa na qual o tubo de detonação équeimado, pode ser necessário resfriar o tubo de detonação. Sob uma modalidade preferidada invenção, o suprimento da mistura de combustível-oxidante 105 (e/ou 105') compreendepelo menos um aparelho de troca de calor (não mostrado) em contato com o tubo de deto-nação que serve para transferir o calor do tubo de detonação para a mistura de combustível-oxidante. Um aparelho de troca de calor pode adotar qualquer uma de várias formas bemconhecidas tal como pequena tubulação que espirala ao redor do tubo de detonação de umaextremidade para a outra onde a rijeza da espiral pode ser constante ou pode variar atravésdo comprimento do tubo de detonação. Uma outra abordagem de trocador de calor exem-plar é para o tubo de detonação ser abrangido por um recipiente de contenção tal que a mis-tura de combustível-oxidante dentro do recipiente de contenção que está em contato com otubo de detonação absorve o calor do tubo de detonação. Alternativamente, um aparelho detrocador de calor pode ser usado que é independente do suprimento da mistura de combus-tível-oxidante 105 em cujo caso alguma substância diferente da mistura de combustível-oxidante, por exemplo, um líquido tal como água ou silício, pode ser usado para absorver ocalor do tubo de detonação. Alternativamente, uma outra fonte de calor pode ser usada paraaquecer a mistura de combustível-oxidante. De forma geral, várias técnicas bem conhecidaspodem ser usadas para resfriar o tubo de detonação e/ou para aquecer a mistura de com-bustível-oxidante incluindo métodos que transferem calor do tubo de detonação para a mis-tura de combustível-oxidante.
A figura 2B representa uma primeira modalidade do detonador da presente inven-ção que funciona criando um arco elétrico dentro de uma corrente de uma mistura de gásdetonável. Como mostrado na figura 2B, uma mistura de gás 106 de um gás combustível eoxidador na razão detonável correta é passada para dentro de um tubo de detonação 100via o ponto de enchimento 208 do detonador 114. Quando o tubo está substancialmentecheio, o fio de alta voltagem 108 é precipitado na entrada de pulso de alta voltagem 214para fazer com que uma centelha 212 ocorra através dos fios nus 210 e passe através damistura de gás 106 fluindo para dentro do tubo de detonação 100 para iniciar a detonaçãodo gás no tubo de detonação 100. A precipitação do pulso de alta voltagem é controladapelo mecanismo de controle de regulação 216.
A figura 2C representa uma segunda modalidade do detonador da presente inven-ção que também funciona criando um arco elétrico dentro de uma corrente de uma misturade gás detonável. Como mostrado na figura 2C, uma mistura de gás 106 de um gás com-bustível e oxidador na razão detonável correta é passada para dentro de um tubo de deto-nação 100 via o ponto de enchimento 208 do detonador 114. Quando o tudo está substanci-almente cheio, o fio de alta voltagem 108 é precipitado na entrada de pulso de alta voltagem214 para fazer com que uma centelha 212 ocorra através dos fios nus 210 e passe atravésda mistura de gás 106 fluindo para dentro do tubo de detonação 100 para iniciar a detona-ção do gás no tubo de detonação 100. Nessa variação, a centelha é iniciada dentro do deto-nador 114 e a seguir ela é rapidamente varrida ao longo dos dois condutores divergentespara dentro do tubo de detonação 100 pelo gás fluente, o comprimento da centelha aumen-tando à medida que ela percorre para dentro do tubo de detonação 100. Quando uma cente-lha é iniciada em uma pequena abertura, ela cria uma zona de baixa impedância estável queé capaz de conduzir a mesma eletricidade de voltagem através de uma abertura muito maislarga. Alternativamente, os fios 210 podem estar em paralelo, porém curvados ligeiramentemais perto para garantir que a centelha inicie dentro do detonador 114.
As figuras 3A e 3B provêem vistas de extremidade e lateral de uma modalidade e-xemplar do gerador de onda de sobrepressão 11 da presente invenção. Como mostrado nasfiguras 3A e 3B, o detonador 114 compreende o cilindro isolante 302 circundando o tubodetonador 304. Elétrodos 306 são inseridos a partir dos lados do cilindro isolante 302 e sãoconectados no fio de alta voltagem 108. O tubo detonador 304 é conectado no suprimento da mistura de combustível-oxidante 105 (mostrada na figura 3B) no ponto de enchimento208 e no tubo de detonação 100 na sua extremidade aberta oposta 310. Como mostrado nafigura 3B, uma mistura de gás 106 é passada para dentro do tubo de detonação 304 via oponto de enchimento 208 do detonador 114 e a seguir para fora da sua extremidade aberta310 para dentro do tubo de detonação 100. Quando o tubo de detonação 100 está essenci-almente cheio, o fio de alta tensão 108 é precipitado para fazer com que uma centelha 212ocorra através dos elétrodos 306, dessa maneira inflamando a mistura de gás 106 e criandoum impulso de detonação no ponto de ignição que se propaga através da mistura de gás106 fluindo para dentro do tubo detonador 304 a partir do ponto de ignição para a extremi-dade aberta 310 do detonador 114 para iniciar a detonação do gás no tubo de detonação100. Também mostrada na figura 3B está uma espiral Shchelkin 308 logo dentro da extre-midade fechada do tubo de detonação 100. A espiral Shchelkin 308 é bem conhecida natécnica como um dispositivo de aumento da transição de deflagração para detonação (DDT).Em uma modalidade exemplar da invenção, a espiral Shchelkin 308 tem 10 voltas, é de 17,8cm (7") de comprimento e é construída usando fio de cobre #4 que é firmemente enroladocontra o interior do tubo de detonação 100 na sua base (extremidade fechada).
A figura 3C representa uma modalidade exemplar do detonador da invenção que éa mesma que a mostrada nas figuras 3A e 3B, mas que também inclui uma válvula de re-tenção 312 usada para controlar o fluxo de uma mistura de combustível-oxidante supridaonde a válvula de retenção 312 é colocada em frente da centelha 212, também citada aquicomo o ponto de ignição.
A figura 3D representa uma modalidade exemplar do detonador da invenção que éo mesmo que o mostrado na figura 3C, exceto que a válvula de retenção 312 é colocadadepois do ponto de ignição 212.
A figura 3E representa uma válvula de retenção 312 exemplar que pode ser usadacom as modalidades exemplares do detonador da presente invenção mostrado nas figuras3C e 3D. A válvula de retenção compreende uma esfera 314 mantida contra a abertura 316pela mola 318. Quando pressão apropriada é suprida para a esfera 314, ela comprime amola 318 permitindo a mistura de combustível-oxidante 106 através da abertura 316. Outrostipos de válvulas podem também ser usados de acordo com a presente invenção.
Controle de Magnitude da Onda de Sobrepressão
De forma geral, o comprimento e o diâmetro interno de um tubo de detonação po-dem ser selecionados para obter uma magnitude desejada máxima da onda de sobrepres-são gerada em uma taxa de fluxo selecionada máxima de uma mistura de combustível-oxidante fluente selecionada, e a taxa de fluxo pode ser reduzida para diminuir a magnitudeda onda de sobrepressão gerada. Se requerido, tubos cada vez maiores podem ser usadospara amplificar o pulso de detonação inicialmente produzido em um tubo de detonação me-nor. Cada um ou uma pluralidade dos tubos pode ser feito de um ou uma combinação demateriais e ligas, incluindo PVC ou uma variedade de compostos diferentes, metais ou atémesmo concreto para atingir um resultado desejado. Em uma modalidade exemplar, o tubode detonação é feito de titânio. Em uma modalidade exemplar, o detonador dentro do qual acentelha é introduzida tem um pequeno diâmetro, por exemplo, aproximadamente de 0,64cm (1/4") de diâmetro. Essa montagem é alinhada com a base de um segundo tubo de de-tonação maior de modo que o gás contido dentro dele é detonado. Esse segundo tubo de detonação pode então ser alinhado com a base de um tubo de diâmetro sucessivamentemaior para iniciar a detonação da mistura de gás dentro dele. Dessa maneira, detonaçõesde tubos de detonação de diâmetro muito grande podem ser iniciadas com exatidão de re-gulação precisa.
O uso de tubos tendo diâmetros cada vez maiores é mostrado na figura 4 que ilus- tra uma combinação de graduação de tubo de detonação 400 compreendendo tubos de de-tonação cada vez maiores que amplificam um pulso de detonação. Um pulso de detonaçãoproduzido em um tubo de detonação 100A inicial percorre através dos tubos de detonação100B e 100C tendo diâmetros maiores. De forma geral, à medida que a detonação da mistu-ra de gás passa de um tubo de detonação tendo um diâmetro menor para um tubo de deto- nação tendo um diâmetro maior, o tamanho do pulso é amplificado. De acordo com a inven-ção, um ou mais tubos de detonação tendo diâmetros diferentes podem ser combinados emuma combinação de graduação de tubo de detonação 400.
Na modalidade exemplar descrita acima, foi assumido que o tubo de detonação (e otubo detonador) é um tubo tendo uma circunferência que não varia através do comprimento do tubo. Como uma alternativa, um tubo de detonação (ou tubo detonador) pode começarcom um pequeno diâmetro e gradualmente ficar maior a fim de ter um efeito similar de am-plificação do pulso como descrito para a figura 4. Uma abordagem exemplar é mostrada nafigura 5 que representa uma vista lateral de um tubo de detonação 100 tendo um diâmetrogradualmente aumentando. O diâmetro de um tubo de detonação se tornando cada vez maior faz com que o pulso seja amplificado à medida que ele percorre pelo comprimento dotubo em uma maneira similar à técnica de tubo graduado da figura 4. Como mostrado, otubo de detonação 100 tem um primeiro diâmetro 502 em uma extremidade que é menor doque o segundo diâmetro 504 na outra extremidade. Múltiplos tubos tendo diâmetros maiorespodem também ser combinados. Uma outra variação do tubo de detonação é usar uma téc- nica de compressor/expansor onde a circunferência do tubo afunila para uma circunferênciamenor para comprimir o gás e a seguir expande para uma circunferência maior para expan-dir o gás. Essa abordagem é mostrada na figura 6 que representa uma vista lateral do tubode detonação 100 com base na técnica de compressor/expansor que tem um primeiro diâ-metro 602 em uma extremidade, um segundo diâmetro 603 na outra extremidade e um ter-ceiro diâmetro 604 entre as duas extremidades do tubo de detonação 100. O primeiro diâ-metro 602 pode ou não igualar o segundo diâmetro 603 dependendo das características decompressão/expansão desejadas.Formações do Tubo de Detonação
Os tubos de detonação podem ser agrupados em formações em várias maneiraspara produzir um pulso combinado quando precipitados simultaneamente. As figuras 7 A -7D representam exemplos de como os tubos de detonação podem ser combinados. A figura7A representa uma formação do tubo de detonação 702 compreendendo um primeiro tubode detonação ao lado de um segundo tubo de detonação. A figura 7B representa uma for-mação do tubo de detonação 704 compreendendo quatro combinações de tubo de detona-ção dispostas tal que os tubos de detonações maiores das combinações do tubo de detona-ção ficam em contato entre si. A figura 7C representa a formação do tubo de detonação 706compreendendo três tubos de detonação de diâmetro maior. A figura 7D representa a for-mação do tubo de detonação 708 compreendendo sete tubos de detonação dispostos paraparecer com uma estrutura hexagonal. A figura 7E representa a disposição do tubo de deto-nação 710 compreendendo doze tubos de detonação dispostos em uma maneira circular.
Alternativamente, os tubos de detonação que compõem tais grupos ou formaçõesde tubo de detonação podem também ser precipitados em momentos diferentes. Sob umadisposição, os tubos de detonação são inflamados usando uma seqüência de regulação quefaz com que eles detonem em sucessão tal que um dado tubo de detonação está sendocheio com sua mistura de combustível-oxidante enquanto os outros tubos de detonação es-tão em vários estados de geração de uma onda de sobrepressão. Com essa abordagem, aignição e o enchimento dos tubos de detonação seriam regulados tal que as ondas de so-brepressão estão sendo geradas pelo aparelho em uma tal alta taxa que aparentaria seruma detonação contínua.
Como mostrado na figura 8, um grupo de tubos menores pode ser conectado emum tubo maior tal que seus pulsos combinados produzem um grande pulso que continua adetonar no tubo maior. A figura 8 representa uma vista lateral de 3 tubos de detonação me-nores 100A tendo um primeiro diâmetro conectado em um tubo de detonação maior 100Btendo um segundo diâmetro maior para amplificar um pulso combinado.
De forma geral, qualquer uma das várias combinações possíveis de tubos gradua-dos, tubos de circunferências gradualmente crescentes, formações de tubo, grupos de tubosmenores conectados em tubos maiores e tubos utilizando a técnica de compressor/expansorpode ser usada de acordo com esse aspecto da invenção para gerar ondas de sobrepres-são que satisfazem as exigências de aplicação específicas. Todas tais combinações exigemequilíbrio do potencial de energia criado devido a uma expansão de uma circunferência dotubo com o resfriamento causado pela expansão dos gases à medida que a circunferênciado tubo aumenta.
Focalização Coerente e Orientação das Ondas de Sobrepressão
Como descrito previamente, o detonador desse aspecto da presente invenção tempouca incerteza do tempo entre o gatilho do arco elétrico e a emissão subseqüente do pulsosonoro do tubo. O detonador também proporciona controle de precisão repetível da magni-tude dos pulsos sonoros gerados. Essa baixa incerteza, ou instabilidade, e o controle damagnitude da precisão possibilitam a focalização coerente e a orientação das ondas de so-brepressão geradas por uma formação de tubos de detonação. Como tal, o detonador podeser usado para gerar ondas de sobrepressão de potência de alto pulso de crista que podemser orientadas, focalizadas.
A figura 9 ilustra como a regulação da inflamação dos tubos individuais focaliza apotência das ondas de sobrepressão geradas em um único ponto no campo distante. Ostubos mais distantes são precipitados mais cedo para compensar a maior duração de temponecessária para percorrer uma maior distância, o que faz com que todos os pulsos cheguemno mesmo ponto no espaço ao mesmo tempo. A figura 9 representa uma formação 900 detubos de detonação 100A-100E que são inflamados (ou queimados) com regulação contro-lada como controlado pelo mecanismo de controle de regulação 216, tal que os pulsos sono-ros que eles geram chegam no ponto no espaço 902 ao mesmo tempo. Os pulsos sonoros906 produzidos pelos tubos de detonação 100A-100E percorrem ao longo de trajetórias dire-tas 904A-904E, respectivamente. Como tal, eles são queimados em seqüência 100E-100Acom retardos apropriados entre queimas para considerar os tempos diferentes de percursonecessário para percorrer as trajetórias diretas diferentes, de modo que os pulsos sonoros906 chegam no ponto no espaço 902 ao mesmo tempo para produzir um pulso sonoro com-binado 908.
Tubos de detonação individuais ou grupos de tubos podem ser dispostos em umaformação esparsa. A figura 10 representa uma formação de tubos de detonação individuaisdisposta em uma formação esparsa onde a regulação das detonações nos vários tubos écontrolada de modo a guiar as ondas de sobrepressão tal que elas combinam em uma loca-lização desejada. A figura 11 representa similarmente uma formação de grupos de tubosdispostos em uma formação esparsa onde os tubos de um dado grupo são detonados aomesmo tempo, mas a regulação da detonação dos vários grupos é variada de modo a guiaras ondas de sobrepressão de modo que elas combinem em uma localização desejada.
Com referência à figura 10, os tubos de detonação 100A-100D são queimados emseqüência inversa com regulação precisa como controlado pelo mecanismo de controle deregulação 216 tal que os pulsos sonoros percorrem trajetórias diretas 904A-904D e combi-nam no ponto no espaço 902. Com referência à figura 11, grupos de tubo de detonação1100A-1100D são queimados na seqüência inversa como controlado pelo mecanismo decontrole de regulação 216 tal que os pulsos sonoros percorrem trajetórias diretas 904A-904D e combinam no ponto no espaço 902.
O mecanismo de controle de regulação 216 usado nas modalidades de formaçãoesparsa pode compreender um único mecanismo de controle de regulação em comunicaçãocom cada um dos geradores de onda de sobrepressão compondo a formação via uma redeligada por fiação ou sem fio. Alternativamente, cada um dos geradores de onda de sobre-pressão pode ter seu próprio mecanismo de controle de regulação, por meio do que os me-canismos de controle de regulação foram sincronizados por algum modo.
Teoria de Operação das Formações do Tubo de Detonação
De forma geral, quando uma formação de tubos de detonação é precipitada comregulação precisa, uma onda de pressão é criada que se propaga como um feixe estreito emuma direção comandada pela regulação. Dessa maneira, sua operação é análoga a umaantena em fase geralmente usada nos sistemas de radar. Desde que a regulação é determi-nada eletricamente, a direção do feixe pode ser redirecionada de um pulso para o próximo.Sistemas podem ser projetados que operam em taxas diferentes, por exemplo, 10, 20, 50 ou100 pulsos por segundo, e cada pulso pode ser planejado em uma direção única. A únicalimitação na taxa de repetição é a velocidade com a qual os tubos podem ser reabastecidos.Em uma taxa de reabastecimento sônica, levaria aproximadamente cinco milissegundospara reabastecer um tubo de 152,4 cm (cinco pés de comprimento). Desde que tambémdura um pulso de cinco milissegundos para sair depois de detonado, a taxa de repetiçãolimitadora é 100 Hz.
Desde que cada elemento da formação emite sua própria energia coerente, nocampo distante, a amplitude da onda aproxima o quadrado da intensidade de cada tubo in-dividual. As sobrepressões instantâneas que podem ser direcionadas dessa maneira, por-tanto, podem se aproximar de altos níveis. Como tal, o sistema possui uma grande faixadinâmica suspensa que pode ser usada para obter uma longa faixa ou propagar através depequenas aberturas nas estruturas tais como alvos rígidos.
A estrutura por trás da pequena abertura pode ser ressonada pela aplicação dospulsos apenas nos intervalos de tempo certos, como determinado por um laser de sondausado para medir o desvio Doppler das partículas na abertura. A freqüência natural da estru-tura pode ser determinada, dessa maneira, e a seguir o laser é usado em modo de laço fe-chado para controlar a regulação do sistema para produzir o máximo efeito. As pressõesinstantâneas dentro de um tal alvo rígido podem ser muito grandes desde que o Q acústicoé alto. Por exemplo, para um Q de somente 10, a pressão de crista poderia se aproximar de70,3 kg/cm2 (1000 psi).
Grupos de tubos de detonação podem ser tratados como sub-formações dentro deuma formação maior. A figura 12 ilustra uma modalidade exemplar de 32 sub-formaçõeshexagonais 1202 de 7 tubos de detonação, cada um eficientemente acondicionado em umaformação 1200 tendo um total de 224 tubos de detonação de 7,6 cm (3") de diâmetro em umformato de 6,2' χ 2,5'. A intensidade do campo distante desse sistema pode ser acima de50.000 vezes a intensidade de um tal tubo de detonação de 7,6 cm (3").
A regulação da queima dos elementos da formação dessa modalidade é direta. Aforma de onda é aproximadamente de um milissegundo de comprimento e a restrição paracoerência é 1/4 do seu comprimento de onda ou menos. O subsistema de regulação, portan-to, precisará de uma resolução e precisão de 200 microssegundos ou menos. Esse nível deprecisão da regulação pode ser obtido com contra-reguladores programáveis tal como o8254 PCA da Intel que provê três canais de regulação por circuito integrado, em uma reso-lução de 0,1 microssegundo.
Em uma modalidade, cada elemento em uma formação dirigível precisa ter sua e-nergia dispersa sobre toda a área da dirigibilidade, por exemplo, com uma abertura que temmenos de ΛΑ comprimento de onda. Para uma forma de onda de um milissegundo, a abertu-ra é de aproximadamente 15,2 cm (seis polegadas). Na modalidade exemplar mostrada nafigura 12, os feixes de sub-formação hexagonais são de 22,9 cm (nove polegadas) transver-salmente de modo que eles não permitirão orientação sobre um semi-hemisfério completo,mas o agrupamento dos tubos em feixes hexagonais que são queimados como um gruporeduz as exigências de hardware permitindo que trinta e dois canais de regulação progra-máveis sejam usados para focalizar e guiar a formação. Como tal, todas as necessidades deregulação podem ser satisfeitas com somente onze 8254. Uma placa PCI feita por SuperLo-gics contém quatro 8254 fornecendo doze contra-reguladores programáveis de modo quetrês módulos seriam suficientes. Em uma outra modalidade, os tubos de cada feixe na figura12 poderiam ser separados suficientemente para possibilitar a orientação sobre um semi-hemisfério completo e a queima de todos os tubos poderia ser independente, sem agrupa-mento.
A marca focai da formação é uma função do comprimento de onda e do tamanhoda formação. Perto da face da formação, a marca focai compreende um círculo aproximadode um comprimento de onda, isto é, 30,5 cm (um pé) de diâmetro. Em distâncias maiores, amarca gradualmente espalhará em uma forma oval com seu diâmetro grande na direção dodiâmetro pequeno da formação. Isto é, o oval se torna vertical para a formação horizontalrepresentada na figura 12. A forma da marca focai pode ser facilmente modelada usando aequação de onda quando ela é operada no regime linear até aproximadamente metade deuma atmosfera ou 0,49 kg/cm2 (7 psi). Entretanto, quando a pressão instantânea na formade onda se aproxima de uma atmosfera, ela será não linear e o cálculo difere.
As medições da saída de pressão da formação podem ser feitas com um sensoracústico de banda larga. Eles tipicamente têm uma largura de banda de 10-20.000 Hz euma precisão de 1 dB ou mais ou menos. As medições feitas em uma distância de 914,4 cm(trinta pés) ou mais no campo distante da formação proporcionam precisões suficientes paraextrapolar as características em qualquer faixa. A saída calibrada de um tal instrumento é onível de pressão sonoro acústico que tem uma relação direta com a pressão, isto é,L (dBSPL) = 10-log10 —. Por exemplo, 180 dBSPL é equivalente a uma pressão de 20.000Pa ou aproximadamente 3 psi. A intensidade sonora instantânea associada com esse nívelé 1.000.000 W/m2.
Uma conseqüência da equação de onda geral para os meios lineares é que quandoas ondas se sobrepõem, suas amplitudes se somam. Para ondas eletromagnéticas, issosignifica que se duas ondas idênticas chegam a um ponto no espaço ao mesmo tempo efase, elas produzirão o dobro do potencial, ou voltagem de uma onda única.
O resultado é similar no caso de ondas acústicas, mas nesse caso o potencial é apressão ao invés da voltagem.
<formula>formula see original document page 18</formula>
Observe que desde que as fases são iguais, o co-seno é igual a 1 e o valor dapressão é igual a duas vezes a pressão de uma única fonte. Essa relação se aplica para aadição de N fontes = N*p.
Dobrar a pressão de uma forma de onda acústica quadruplica a sua potência, des-de que a potência é proporcional ao quadrado da sua pressão, a saber, quando duas formasde onda acústica idênticas chegam ao mesmo ponto no espaço ao mesmo tempo e fase,sua potência quadruplicará.
Em analogia com as ondas eletromagnéticas, a potência, ou intensidade acústica,de uma forma de onda é proporcional ao quadrado da sua pressão.
<formula>formula see original document page 18</formula>
Onde o denominador é o valor da impedância acústica do meio, nesse caso o ar.
Portanto, de forma geral, a potência do campo distante do espaço livre no loboprincipal da forma de onda da sobrepressão pode ser calculada como N2 da pressão de umúnico tubo de detonação. Entretanto, quando ele é operado perto do solo, a vantagem podetambém ser tirada do efeito aditivo da onda do solo. Quando a onda do solo e as formas deonda do espaço livre convergem em um alvo, as pressões de ambas as formas de ondanovamente se somam e quadruplicam a potência novamente.
A orientação do feixe é realizada pelo ajuste da regulação dos elementos individu-ais, tal que os mais próximos são retardados apenas o suficiente para as ondas da partemais distante da formação alcançarem. Em uma dada direção de orientação, portanto, todasas ondas chegarão ao mesmo tempo e satisfarão o critério de N2 de potência. Isso é análo-go a uma antena em fase, mas desde que a forma de onda acústica é transitória aó inyés deonda contínua, o retardo de tempo é substituído pela fase.
Aplicações Adicionais do Detonador da Presente InvençãoAlém de suprir um impulso de detonação para os tubos de detonação tendo umaextremidade aberta, como descrito acima, aplicações adicionais do detonador da presenteinvenção incluem, mas não são limitadas, ao suprimento de um impulso de detonação aosmotores de combustão interna (ou câmaras de combustão) e aos motores de detonação porpulso.
O detonador da presente invenção pode ser usado para substituir as velas de igni-ção atualmente usadas para inflamar as misturas de combustível-oxidantes nos motores decombustão interna usados em carros, caminhões, aviões, navios, motocicletas, empilhadei-ras, geradores portáteis, cortadores de grama, serras de cadeia e incontáveis outros meca-nismos. As figuras 13A-13L representam os cursos de admissão, compressão, combustão eexaustão que ocorrem durante duas rotações do eixo de manivelas por ciclo de funciona-mento de um motor convencional de quatro tempos (Otto-ciclo).
Com referência às figuras 13A-13L, um motor de combustão interna exemplar Otto-ciclo 1300 inclui a válvula de admissão 1302, entrada da mistura de combustível-oxidante1304, válvula de exaustão 1306, saída de exaustão 1308, pistão 1310, cilindro 1312, mani-vela 1314 e vela de ignição 1316. As figuras 13A-13L representam um motor Otto-ciclo 1300em vários tempos à medida que ele progride através dos seus quatro ciclos, admissão 1,compressão 2, potência 3 e exaustão 4. As figuras 13A-13C representam o motor 1300 sen-do suprido pela entrada da mistura de combustível-oxidante 1304 via a válvula de admissãoaberta 1302. As figuras 13D-13F mostram o pistão 1310 do motor 1300 comprimindo o cilin-dro interno da mistura de combustível-oxidante 1312. A figura 13G representa a vela de ig-nição inflamando o cilindro interno da mistura de combustível-oxidante 1312 que força o pis-tão 1310 para baixo como mostrado nas figuras 13H e 131. As figuras 13J a 13L represen-tam o motor 1300 limpando a exaustão do cilindro 1310 para fora da saída de exaustão1308 via a válvula de exaustão aberta 1306. O processo de 4 ciclos então se repete.
A figura 14 representa o mesmo motor 1300 mostrado nas figuras 13A-13L, excetoque a vela de ignição 316 é substituída pelo detonador 114. A figura 14 corresponde com afigura 13G. Na figura 14, o detonador 114 é mostrado provendo um impulso de detonaçãopara o motor de combustão 1300 inflamar a mistura de combustível-oxidante que começa oseu curso de combustão 3.
A figura 15 representa um motor Wankel exemplar 1500 usando dois detonadores114 da presente invenção. A presente invenção pode ser usada similarmente em outros ti-pos de motores de combustão interna incluindo, mas não limitado a, motores de dois tem-pos, cinco tempos, Beare Head, Bourke e de turbina a gás.
O detonador da presente invenção pode ser usado para suprir um impulso de deto-nação para motores de detonação por pulso usados em vários tipos de aplicações tais comomotores de avião e foguete. A figura 16 representa uma seção transversal de uma asa deavião tendo quatro motores de detonação por pulso usando o detonador da presente inven-ção. Como mostrado, cada um dos quatro motores de detonação por pulso inclui um tubo dedetonação 100 e detonador 114 recebendo a mistura de combustível-oxidante 106 via o su-primento de mistura de combustível-oxidante 105. Os tubos de detonação 100 podem serqueimados em tempos diferentes ou ao mesmo tempo.
A figura 17 representa uma turbina exemplar 1700 de um motor a turbina de deto-nação por pulso com base em múltiplos motores de detonação por pulso usando o detona-dor da presente invenção. Como mostrado, doze motores de detonação por pulso, cada umcompreendendo um tubo de detonação 100 e um detonador 114 são dispostos para queimarem uma tal maneira de modo a fazer com que a turbina 1700 gire no sentido anti-horário. Ostubos de detonação 100 podem ser queimados em tempos diferentes ou ao mesmo tempo.
A figura 18 representa uma disposição exemplar dos motores de detonação porpulso usando o detonador da presente invenção que seria usado para prover propulsão paraum motor de foguete 1800. Como mostrado, os tubos de detonação 100 são dispostos emuma maneira circular dentro de um tubo de detonação maior 100b. Cada um dos tubos dedetonação menores 100A tem um detonador correspondente 114. Os tubos de detonação100A podem ser queimados em tempos diferentes ou ao mesmo tempo.
As aplicações do detonador, do sistema de ignição e do método de ignição descri-tas aqui foram providas como um exemplo dos tipos de aplicações que são possibilitadaspela presente invenção. Embora modalidades particulares e várias aplicações exemplares(ou implementações) da invenção tenham sido descritas, será entendido, entretanto, que ainvenção não é limitada a isso, desde que modificações podem ser feitas por aqueles versa-dos na técnica, particularmente em vista dos ensinamentos precedentes. Portanto, é consi-derado pelas reivindicações anexas cobrir quaisquer tais modificações que incorporam es-ses aspectos ou esses aperfeiçoamentos que personificam o espírito e o escopo da presen-te invenção.
Claims (20)
1. Detonador1 CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:um tubo detonador, o dito tubo detonador tendo um ponto de enchimento e uma ex-tremidade aberta, o dito ponto de enchimento sendo suprido com uma mistura de combustí-vel-oxidante gasosa ou dispersiva que flui através do dito tubo detonador e sai da dita ex-tremidade aberta eum inflamador, o dito inflamador sendo colocado em um ponto de ignição dentro dodito tubo detonador, o dito inflamador inflamando a dita mistura de combustível-oxidantegasosa ou dispersiva enquanto a dita mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersivaestá fluindo através do dito tubo detonador, dessa maneira produzindo um impulso de deto-nação no dito ponto de ignição que propaga para a dita extremidade aberta do dito tubo de-tonador.
2. Detonador, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato deque também compreende:uma válvula, a dita válvula localizada dentro do dito tubo detonador.
3. Detonador, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato deque a dita válvula é uma válvula de retenção.
4. Sistema para inflamar uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersi-va, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:um tubo detonador tendo um ponto de enchimento, uma extremidade aberta e uminflamador em um ponto de ignição dentro do tubo detonador eum suprimento de combustível para suprir uma mistura de combustível-oxidantegasosa ou dispersiva para o dito ponto de enchimento do dito tubo detonador, a dita misturade combustível-oxidante gasosa ou dispersiva fluindo através do dito tubo detonador e sain-do na dita extremidade aberta, o dito inflamador inflamando a dita mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva enquanto a dita mistura de combustível-oxidante gasosa oudispersiva está fluindo através do dito tubo detonador, dessa maneira produzindo um impul-so de detonação no dito ponto de ignição que propaga para a dita extremidade aberta dodito tubo detonador.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de quetambém compreende:uma válvula, a dita válvula localizada dentro do dito tubo detonador.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que adita válvula é uma válvula de retenção.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que adita válvula fica localizada antes do dito ponto de ignição.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que odito impulso de detonação é suprido para um de um tubo de detonação tendo uma extremi-dade aberta, uma câmara de combustão, um motor de combustão interna ou um motor dedetonação por pulso.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que arazão de massa do combustível contra oxidante e a taxa de fluxo da dita mistura de combus-tível-oxidante gasosa ou dispersa são selecionadas com base em um comprimento e umdiâmetro do dito tubo detonador.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de quea dita mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva compreende pelo menos um deetano, metano, propano, hidrogênio, butano, álcool, acetileno, gás MAPP, gasolina, combus-tível de aviação, um destilado de petróleo, nafta, óleo mineral, querosene, diesel, benzenoou DEET.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de quetambém compreende:um mecanismo de controle de regulação para controlar a regulação do inflamador.
12. Sistema para inflamar uma mistura de combustível-oxidante gasosa ou disper-siva, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:um detonador, compreendendo:um tubo detonador, o dito tubo detonador tendo um ponto de enchimento e uma ex-tremidade aberta eum inflamador, o dito inflamador sendo colocado em um ponto de ignição dentro dodito tubo detonador eum suprimento de mistura de combustível-oxidante que supre uma mistura de com-bustível-oxidante gasosa ou dispersiva para o dito ponto de enchimento do dito tubo deto-nador, a dita mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva fluindo através do ditotubo detonador e saindo da dita extremidade aberta, o dito inflamador inflamando a dita mis-tura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva enquanto a dita mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva está fluindo através do dito tubo detonador, dessa maneiraproduzindo um impulso de detonação no dito ponto de ignição que propaga para a dita ex-tremidade aberta do dito tubo detonador.
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque o dito detonador também compreende:uma válvula, a dita válvula localizada dentro do dito tubo de detonação.
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato deque a dita válvula é uma válvula de retenção.
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato deque a dita válvula fica localizada antes do dito ponto de ignição.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque a razão de massa do combustível contra oxidante e a taxa de fluxo da dita mistura decombustível-oxidante gasosa ou dispersa são selecionadas com base em um comprimentoe um diâmetro do dito tubo detonador.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque a dita mistura de combustível-oxidante gasosa ou dispersiva compreende pelo menosum de etano, metano, propano, hidrogênio, butano, álcool, acetileno, gás MAPP, gasolina,combustível de aviação, um destilado de petróleo, nafta, óleo mineral, querosene, diesel,benzeno ou DEET.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque também compreende:um mecanismo de controle de regulação que controla a regulação do inflamador.
19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato deque o dito mecanismo de controle de regulação compreende um de um mecanismo de gati-lho, lógica fixa ou um processador de controle.
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque o dito inflamador compreende um de uma fonte de pulso de alta voltagem, uma fonte deabertura de centelhas precipitada, um laser ou um fio de explosão.
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