УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВЫСОКОАМПЛИТУДНЫХ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ
APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING HIGH-AMPLITUDE PRESSURE WAVES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для генерирования высокоамплитудных волн давления, в частности для очистки котлов.
Уровень техники
Такое устройство для генерирования высокоамплитудных волн давления известно из патентного документа US 5 864 517. При этом генерируются акустические колебания, которые значительно сильнее, чем те, которые могут быть сгенерированы громкоговорителями. Их можно использовать, в частности, для очистки котла, так как эти волны давления приводят к отрыву налипших частиц. В патентном документе US 5 864 517 обсуждаются два вида различного импульсного горения. Детонация и дефлаграция. Детонационное горение имеет чрезвычайно высокую скорость пламени от 2000 до 4000 м/с, в то время как дефлаграционное горение имеет гораздо более низкую скорость пламени, например менее 200 м/с, а волны давления имеют значительно меньшую амплитуду.
Патентный документ ЕР 2 319 036 относится к способу и устройству для генерирования взрывов, в частности, импульсов давления высокой интенсивности. При этом предложен устойчивый к давлению резервуар с главной взрывной камерой, как в вышеупомянутом патенте США, с выходным отверстием для импульсов давления и поршнем, закрывающим выходное отверстие. Поршень перемещается в своем положении за счет вспомогательного взрыва во вспомогательной взрывной камере таким образом, что он освобождает выходное отверстие. Эта процедура требует точного согласования по времени между инициированием главного взрыва и предшествующим вспомогательным взрывом. Указанное устройство также имеет камеру газовой пружины, которая тормозит смещенный назад поршень и после выпуска газов из главной взрывной камеры смещает указанный поршень обратно в его исходное положение.
В патентном документе ЕР 1 922 568 показан другой способ и устройство для генерирования взрывов, в которых газопружинный механизм имеет разгрузочный механизм, который раскрыт как пружинный механизм.
В статье Тибора Хорста Фюле "Технологии очистки с помощью звуковых рупоров и газовых взрывов на мусоросжигательной теплоэлектростанции в Оффенбахе (Германия)" (Tibor Horst , "Cleaning Technologies with sonic horns and gas explosions at the waste-fired power plant in Offenbach (Germany)") в VGB Powertech, том 93, №8, 1 августа 2013 г., стр. 67-72, ISSN: 1435-3199 также раскрыт способ и устройство для генерирования взрывов для очистки с помощью акустической эмиссии.
Кроме того, в патентном документе FR 2 938 623 показан взрывной цилиндр с поршнем, который может перемещаться между открытым и закрытым положениями для того, чтобы циклически генерировать взрывы сжатого газа или воздуха для целей очистки.
Раскрытие сущности изобретения
Исходя из этого предшествующего уровня техники, задача изобретения состоит в том, чтобы создать усовершенствованные устройство и способ, в которых воспламенение может совершаться легко и безопасно.
Кроме того, цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устройству более длительный интервал между техническими обслуживаниями, поскольку износ движущихся частей в устойчивом к давлению резервуаре в результате взрывов является значительным и, в соответствии с предшествующим уровнем техники, допускает только ограниченное количество повторений очищающих воспламенений до того, как возникнет необходимость в техническом обслуживании установки. Поскольку в энергетике, тяжелой промышленности и технической химии процессы обычно осуществляются на сложных химических установках, то для очистки различных резервуаров обычно предусмотрен ряд таких устройств для генерирования высокоамплитудных волн давления, которые затем необходимо обслуживать соответствующим образом.
Устройство предпочтительно используют для очистки котлов в больших технологических установках, таких как мусоросжигательные заводы, угольные электростанции, силосы, для удаления шлака или отложений и т.д. Существенное преимущество состоит в том, что отдельные циклы очистки можно очень быстро и многократно повторять. Кроме того, использование газов в качестве материала для очистки для генерирования последовательности волн давления и связанных с ними импульсов давления является относительно недорогим, и при этом могут быть созданы высокие давления. Добавление двух химических текучих сред, которые сами по себе не сгорают и не взрываются, в момент времени незадолго до инициирования волны давления, также повышает безопасность. Это также позволяет производить очистку, пока установка еще теплая и, возможно, в рабочем состоянии, так как реагирующие вещества подвергаются воздействию горячей среды в течение длительного времени.
Генерируемая волна давления может быть направлена через трубу на большие расстояния в котел к месту, подлежащему очистке. Труба может быть жестко установлена на подлежащей очистке установке, но также может быть введена снаружи, например, телескопически вставлена в установку или котел. Генерируемый при сгорании импульс давления сбрасывает отложения и грязь с внутренних труб котла и его стенок и одновременно вызывает колебания труб или стенок. Оба действия приводят к эффективной очистке очищаемой установки.
Возможны различные другие варианты применения, в которых требуется высокий, быстрый силовой удар, импульс давления или волна давления высокой интенсивности и/или (быстрая) повторяемость. Примерами являются генераторы давления для формовки листового металла или в качестве привода для стрелкового оружия, в которых импульс давления используется для ускорения снаряда. Такие установки также можно использовать в области управляемого инициирования лавин.
Устройство для генерирования высокоамплитудных волн давления, в частности для очистки котлов, имеет устойчивый к давлению резервуар. Он может состоять из нескольких частей. Внутри него находится по меньшей мере одна камера сгорания. Несколько камер сгорания могут быть соединены друг с другом. Предусмотрено по меньшей мере одно воспламенительное устройство, входящее в камеру (камеры) сгорания. Должен быть предусмотрен по меньшей мере один питающий трубопровод для подачи в камеру сгорания текучего горючего материала, предпочтительно отдельно топлива и окислителя, например природного газа и воздуха или метана и кислорода. Также можно использовать различные другие жидкие или газообразные виды топлива. При этом устойчивый к давлению резервуар должен иметь выпускное отверстие для направленного сброса давления газа, образующегося в результате воспламенения горючего материала в камере сгорания. До и во время воспламенения предусмотрено запирающее устройство, которое закрывает выпускное отверстие и выполнено с возможностью открытия выпускного отверстия для направленного выпуска, и которое после сгорания может быть перемещено в исходное положение с помощью пружинного устройства. При этом запирающее устройство представляет собой поршень, который может перемещаться в продольном направлении и имеет заднюю часть, ориентированную в направлении пружинного устройства, и переднюю часть, ориентированную в направлении выпускного отверстия.
В продольном направлении седло поршня имеет поверхность поршня, которая косо наклонена к выпускному отверстию и расположена напротив поверхности корпуса, также косо наклоненной к выпускному отверстию, при этом поверхность корпуса раскрывается напротив поверхности поршня под углом, направленным к выпускному отверстию, начиная от линии запирания, ориентированной перпендикулярно направлению поршня.
Указанный угол может составлять от 0,5 до 5 градусов, предпочтительно от 1 до 3 градусов, в частности 2 градуса.
Линия запирания, ориентированная перпендикулярно направлению поршня, может быть расположена внутри стенки поршня нижней части так, чтобы между линией запирания и стенкой поршня существовала закругленная статическая поверхность напорного отверстия.
Фланцевая поверхность, которая перпендикулярна оси поршня и соединена с камерой сгорания или принадлежит ей, может иметь площадь поверхности, составляющую от 50 до 200 процентов от площади, заданной площадью поверхности поршня.
Между этими двумя частями может быть предусмотрена переходная часть. Передняя часть расположена в области камеры сгорания, когда поршень закрывает выпускное отверстие. По отношению к продольному направлению поршня передняя часть сужена по сравнению с задней частью, так что переходная часть образует рабочую поверхность, которая ориентирована поперек продольного направления поршня, и на которую при воспламенении горючего материала может быть приложено давление, толкающее поршень назад, так чтобы передняя часть поршня открыла выпускное отверстие. Это облегчает очистку, так как повышение давления может быть достигнуто и при горении, и в этом случае поршень сам отвечает за открытие пути к выпускной воронке.
Переходная часть может представлять собой часть, которая непрерывно сужается в продольном направлении поршня газовой пружины от большего диаметра поршня к меньшему диаметру поршня и расположена в области камер сгорания. С другой стороны, переходная часть также может быть образована фланцеобразным сужением поршня.
В частности, в устойчивом к давлению резервуаре может быть предусмотрен полый центральный направляющий ствол, внутри которого направляется поршень в передней части. Это дает преимущества с точки зрения износа направляющей поршня, так как позволяет осуществлять направление посредством частей поршня, которые находятся на большом расстоянии друг от друга. В этом случае между камерами сгорания и вспомогательной камерой давления в области фланцеобразного сужения поршня предусмотрен по меньшей мере один соединительный зазор.
Камера сгорания может быть расположена кольцеобразно вокруг поршня вокруг его продольной оси. В частности, кольцеобразные стенки камеры сгорания могут быть образованы сложенными друг на друга герметично соединенными кольцевыми сегментами, которые предпочтительно закрыты верхней плитой и нижней плитой сверху и снизу, соответственно. Таким образом, высоту и объем цилиндрической камеры сгорания можно легко масштабировать, так как не требуется специальных камер различных размеров. Единственной частью такой масштабируемой камеры сгорания является соответственно регулируемый по длине поршень в качестве запирающего узла.
По меньшей мере две камеры сгорания могут быть расположены в одной плоскости на угловом расстоянии друг от друга радиально к центральной оси. В частности, две камеры сгорания могут быть расположены диаметрально противоположно друг другу. Тогда либо продольная ось газовой пружины совпадает с центральной осью; тогда три камеры сгорания могут иметь в общей плоскости угловое расстояние 120 градусов. Либо продольная ось газовой пружины также лежит в той же плоскости, что и по меньшей мере две камеры сгорания, так что в случае трех камер сгорания может быть угловое расстояние 90 градусов между отдельными элементами.
Выпускное отверстие обычно имеет трубу с продольным направлением. В этом случае либо продольное направление трубы выпускного отверстия может совпадать с центральной осью, т.е. выпускное отверстие находится в удлинении поршня, либо продольная ось газовой пружины находится в той же плоскости, что и по меньшей мере две камеры сгорания. В этом случае также возможно, например, в случае двух камер сгорания, обеспечить угловое расстояние между двумя камерами сгорания менее 120 градусов, чтобы они были больше ориентированы на выпускное отверстие.
Газовая пружина может иметь переднюю камеру газовой пружины, расположенную напротив поршня, и отделенную от нее перегородкой заднюю камеру газовой пружины, при этом между передней камерой газовой пружины и задней камерой газовой пружины имеется первое соединение в виде перепускного соединения и второе соединение с обратным клапаном, при этом обратный клапан расположен таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственный поток среды из передней камеры газовой пружины в заднюю камеру газовой пружины, но в значительной степени блокировать противоположное направление из задней камеры газовой пружины.
Первое и второе соединения могут быть предусмотрены в перегородке. С другой стороны, второе соединение может иметь по меньшей мере два частичных соединения, которые, с одной стороны, выходят сбоку в продольном направлении движения поршня одно над другим в стенке газовой пружины в передней камере газовой пружины и, с другой стороны, заканчиваются в задней камере газовой пружины так, чтобы при входе поршня в переднюю камеру газовой пружины выходные отверстия перекрывались во времени одно за другим, при этом каждое из указанных частичных соединений имеет свой собственный обратный клапан. В результате этого отдельные обратные клапаны последовательно отключаются, так что поток среды из передней в заднюю камеру газовой пружины замедляется, т.е. тормозной эффект уменьшается за счет нарастания давления газа в передней камере газовой пружины.
Второе соединение может содержать управляемый обратный клапан, который опционально может содержать последовательно подсоединенный управляющий клапан и обратный клапан, причем указанный управляемый обратный клапан соединен с блоком управления, с помощью которого может быть инициировано воспламенение, причем блок управления выполнен с возможностью открытия управляемого обратного клапана через первый предварительно заданный промежуток времени после воспламенения текучего горючего материала. Таким образом может быть гарантировано, что сгорание в камере сгорания происходит полностью, прежде чем поршню будет позволено перемещаться назад дальше.
Первое соединение может содержать управляемый перепускной клапан, который опционально может содержать последовательно подсоединенный управляющий клапан и перепускной отвод, причем указанный управляемый перепускной клапан соединен с блоком управления, с помощью которого может быть инициировано воспламенение, причем блок управления выполнен с возможностью открытия управляемого перепускного клапана через второй предварительно заданный промежуток времени после открытия управляемого обратного клапана. Это позволяет после открытия управляемого обратного клапана и, таким образом, выравнивания давления между передней и задней камерами давления газовой пружины активировать обратный поток с задержкой, т.е. инициировать закрывающее движение поршня позже, чтобы газы сгорания, остающиеся под давлением, полностью покинули камеру сгорания.
Для передней и задней камер газовой пружины могут быть также предусмотрены два отдельных газовых соединения газовой пружины, при этом блок управления оснащен блоком управления наполнением газа, с помощью которого перед воспламенением давление наполнения газом в передней и задней камерах газовой пружины может быть установлено на предварительно заданное значение, при этом давление наполнения газом в передней камере газовой пружины может быть установлено выше, чем в задней камере газовой пружины. В частности, давление наполнения газом в передней камере газовой пружины может быть установлено по меньшей мере в два раза больше, предпочтительно по меньшей мере в три или пять раз больше, чем в задней камере газовой пружины, чтобы, с одной стороны, при воспламенении передняя камера газовой пружины не смещалась назад или смещалась назад лишь немного, так как давление в ней при воспламенении противодействует нарастающему давлению в камере сгорания, а смещение назад происходит полностью и быстро только при открытии обратного клапана, так как разность давлений газа уже была установлена. В частности, задняя камера может находиться под атмосферным давлением, в то время как давлением инертного газа нагружается только передняя камера газовой пружины.
Для решения задачи предложения усовершенствованного устройства и способа, которые проще и безопаснее с точки зрения воспламенения, устройство для генерирования высокоамплитудных волн давления, в частности для очистки котлов, содержащее устойчивый к давлению резервуар с размещенной в нем камерой сгорания и по меньшей мере одним воспламенительным устройством, входящим в камеру сгорания, по меньшей мере один питающий трубопровод для подачи текучего горючего материала в камеру сгорания, причем устойчивый к давлению резервуар содержит выпускное отверстие для направленного сброса давления газа, образующегося при воспламенении горючего материала в камере сгорания, и запирающее устройство, которое закрывает выпускное отверстие и выполнено с возможностью открытия выпускного отверстия для направленного сброса, и которое может быть смещено в исходное положение с помощью пружинного устройства, может отличаться тем, что запирающее устройство представляет собой поршень, выполненный с возможностью смещения в продольном направлении и имеющий заднюю часть, ориентированную в направлении пружинного устройства, и переднюю часть, ориентированную в направлении выпускного отверстия, причем передняя часть, когда поршень находится в положении запирания выпускного отверстия, расположена в области камеры сгорания, причем по отношению к продольному направлению поршня седло поршня имеет поверхность поршня, косо наклоненную под углом к выпускному отверстию, напротив которой расположена поверхность корпуса, также косо наклоненная под углом к выпускному отверстию, причем поверхность корпуса раскрывается напротив поверхности поршня под углом, направленным к выпускному отверстию, начиная от линии запирания, ориентированной перпендикулярно направлению поршня. Этот угол предпочтительно лежит в диапазоне от 0,5 до 3, в частности составляет 1 градус. Линия запирания, ориентированная перпендикулярно направлению поршня, выгодно расположена внутри стенки поршня нижней части, так что между линией запирания и стенкой поршня существует закругленная статическая поверхность напорного отверстия. Это устройство также имеет признак, заключающийся в том, что по отношению к продольному направлению передняя часть выполнена суженной поршня по сравнению с задней частью. Указанное сужение относится к внутренней стенке седла поршня и тогда предпочтительно имеет противоположную внешнюю стенку седла клапана корпуса, которая открывается внутрь по направлению к выпуску под небольшим углом.
Прочие варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи, которые приведены только для пояснительных целей и не ограничивают изобретение.
На фиг.1 показан схематический вид в аксонометрии устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.2 показан схематический вид устройства в соответствии с фиг.1;
на фиг.3 показан вид сбоку (не в масштабе) в разрезе устройства для генерирования волн давления с компонентами, существенными для изобретения;
на фиг.4А, 4В и 4С показаны в трех поперечных разрезах, выполненных один над другим, три горизонтальных разреза устройства в соответствии с фиг.3;
на фиг.5 показан схематический подробный вид поршня с фиг.3 между линиями IVb и IVc;
на фиг.6 показан схематический вид в аксонометрии другого устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
на фиг.7 показан схематический вид в разрезе с вертикальной осью разреза устройства в соответствии с фиг.6;
на фиг.8 показан схематический вид в разрезе с горизонтальной осью разреза устройства в соответствии с фиг.6;
на фиг.9 показан схематический вид в аксонометрии еще одного устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг.10 показан схематический вид в разрезе с вертикальной осью разреза устройства в соответствии с фиг.9;
на фиг.11 показан схематический вид в разрезе с вертикальной осью разреза устройства с признаками, частично соответствующими устройству в соответствии с фиг.6 и в соответствии с фиг.9;
на фиг.12 показан схематический вид в разрезе с вертикальной осью разреза варианта осуществления газовой пружины, которая может быть использована в устройстве в соответствии с фиг.1, 6, 10 или 11;
на фиг.13 показан схематический вид в разрезе с вертикальной осью разреза другого варианта осуществления газовой пружины, которая может быть использована в устройстве в соответствии с фиг.1, 6, 10 или 11;
на фиг.14 показан схематический частичный вид центральной части устройства в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, которое также может быть использовано на фиг.2, 3, 7, 10 и 11:
на фиг.15А, 15В и 15С показаны подробные виды фиг.14 в разные моменты времени цикла открытия; и
на фиг.16 показана диаграмма изменения сил во времени для варианта осуществления седла клапана для устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан вид в аксонометрии устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Первый устойчивый к давлению резервуар 21 и второй устойчивый к давлению резервуар 22 расположены слева и справа от центрального корпуса 30. В этом варианте осуществления эти резервуары 21 и 22 проходят по существу параллельно стенке 5 котла, которая показана в разрезе. Кроме того, к центральному корпусу 30 прифланцована выпускная воронка 61 со следующей за ней выпускной трубой 62, которая проходит через стенку 5 котла и заканчивается выпускным отверстием 63 во внутреннем пространстве 15 котла. В других вариантах осуществления выпускное отверстие 63 также может быть расположено непосредственно на стенке котла, а выпускная труба 62 может быть выполнена короче выпускной воронки 61 или полностью исключена. Напротив выпускной воронки 61 к центральному корпусу 30 прифланцован корпус 40 газовой пружины. В нижней части нижнего центрального корпуса 30 с левой и правой стороны находится первый резервуар 51 для хранения газа, а напротив - второй резервуар 52 для хранения газа. В других вариантах осуществления конструкция резервуаров 21 и 22 может быть длиннее, т.е. соотношение сторон для внутренних объемов 121 и 122 находится в диапазоне между 5:1 и 20:1.
Функционирование устройства для генерирования волн давления теперь будет описано совместно с рассмотрением схематического изображения устройства, представленного на фиг.1 и фиг.2. Оно показывает некоторые существенные элементы фиг.1 в схематическом изображении. На центральном корпусе 30 расположены два (левый и правый) устойчивых к давлению резервуара 21 и 22, которые имеют первую камеру 121 сгорания и вторую камеру 122 сгорания, соответственно. В варианте осуществления устойчивые к давлению резервуары 21 и 22 имеют цилиндрическую форму с внутренним пространством большего диаметра в задней части, т.е. имеется в виду сужение прохода в сторону центрального корпуса 30.
В центральном корпусе 30 расположен поршень 70, который будет более подробно показан на следующих фигурах, и который в показанном закрытом положении отделяет камеры 121 и 122 друг от друга и закрывает своим передним концом 72 поршня 70 выпускное отверстие по направлению к выпускной воронке 61. Поршень 70 своей верхней частью 71 проходит в корпус 40 газовой пружины, как более подробно показано на фиг.3. Само седло клапана обозначено ссылочным обозначением 300. Оно может быть выполнено, в частности, в соответствии с фиг.14 и подробным изображением на фиг.15А, 15В, 15С, для того, чтобы затем проявить возможность действовать, как показано на фиг.16.
Цель устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления состоит в том, чтобы генерировать их в первой и второй камерах 121 и 122 давления путем сжигания текучего горючего или взрывчатого вещества. Предпочтительно, чтобы это горючее вещество образовывалось в результате смешивания компонентов, которые сами по себе не являются горючими или взрывчатыми, и которые хранятся в первом и втором резервуарах 51 и 52 для хранения газа. Эти резервуары 51 и 52 для хранения газа снабжаются по внешним питающим газопроводам 53 и 54 от соответствующих газовых соединений 57 и 58, которые управляются клапанами 55 и 56 питающих газопроводов. Первый резервуар 51 для хранения газа соединен с камерами 121 и 122 сгорания через первый газозаправочный трубопровод 151 и промежуточный первый газозаправочный клапан 153. Вариант, изображенный на фиг.2, с подсоединением только к одной камере 121 сгорания также возможен, если между первой и второй камерами 121 и 122 сгорания предусмотрены соответствующие компенсационные линии. Соответственно, для второго газового соединения 58 второй резервуар 52 для хранения газа непосредственно или опосредованно соединен с камерами 121 и 122 сгорания через второй газозаправочный трубопровод 152 и второй газозаправочный клапан 154. Представленный вариант осуществления соответствует наполнению камер 121 и 122 сгорания через две дозирующие емкости с последующим поступлением в устройство. Кроме этого возможно также непосредственное наполнение камер через дроссельные отверстия.
Кроме того, предусмотрено соединение 47 газовой пружины, причем газ для газовой пружины 40 подается во внутренние камеры 41 или 42 газовой пружины, как показано на фиг.3, через питающий клапан 48 газовой пружины и питающий трубопровод 49 газовой пружины.
В этом варианте осуществления рассматриваются первый и второй газ. Первый газ может представлять собой, например, метан или природный газ, в то время как второй газ может представлять собой кислород или воздух, или кислородосодержащую воздушную смесь. В других вариантах осуществления текучий горючий материал в некоторых обстоятельствах может представлять собой взрывчатую смесь, он может быть газообразным, жидким, порошкообразным или смесью таких материалов.
Камеры 121 и 122 сгорания дополнительно подсоединены к воспламенительному устройству, которое одновременно инициирует воспламенение горючего материала в камерах 121 и 122 сгорания. Если, как и в варианте осуществления на фиг.6, предусмотрен кольцевой зазор, т.е. объемное соединение двух камер 121 и 122 сгорания, то необходимо только одно воспламенительное устройство. В качестве воспламенительного устройства можно использовать свечи накаливания или свечи зажигания. При более интенсивном воспламенении с помощью свечи зажигания, которая имеет более высокую энергию воспламенения, чем свеча накаливания, скорость реакции может быть увеличена. Таким образом, в камерах 121 и 122 сгорания происходит более быстрое нарастание давления.
При инициировании воспламенения в камерах 121 и 122 сгорания происходит контролируемое сгорание или контролируемый взрыв горючих или взрывчатых смешанных компонентов, которые оказывают давление на поршень 70 и, в частности, на переходную часть 75, как это будет описано в связи с фиг.3. Это приводит к движению поршня 70 в продольном направлении против давления газовой пружины 40, что одновременно быстро открывает соединение между камерами 121 и 122 сгорания и выпускной воронкой 61.
До этого выпускное отверстие устойчивого к давлению резервуара удерживается в закрытом состоянии поршнем 70 в качестве запирающего устройства. Газовая пружина позволяет удерживать закрытое состояние запирающего устройства даже против давления наполнения горючих элементов в камерах 121 и 122 сгорания. Только при повышении давления во время воспламенения текучей смеси давление на переходной части 75 увеличивается таким образом, что поршень 70 соответственно сдвигается назад. В дальнейшем, как будет описано в связи с фиг.3, газовопружинный элемент после сгорания также заставляет поршень 70 в качестве запирающего устройства отодвигаться назад и позволяет непосредственно повторить процесс посредством нового наполнения камер 121 и 122 сгорания. Одновременно надежно предотвращается обратный поток веществ, находящихся в котле, в устройство.
4
Поршень 70 открывается настолько быстро, что смесь под давлением в камерах 121 и 122 сгорания при выходе еще не полностью сгорела, так что газовая смесь в выпускной воронке продолжает гореть, генерируя импульс давления с высоким пиком давления. При использовании воздуха в качестве одной из двух сред помимо СН или природного газа, внутри камер 121 и 122 сгорания происходит химическая реакция, и вся энергия в устройстве преобразуется. Затем, за счет последующего, т.е. задержанного по времени, быстрого открытия поршня 70 после первоначального повышения давления газ высвобождается в атмосферу.
На фиг.3 представлен вид сбоку в разрезе схематически изображенного устройства для генерирования волн давления с компонентами, существенными для изобретения.
Первый и второй устойчивые к давлению резервуары 21 и 22 примыкают к вставленной в них выпускной воронке 61, на внутреннем конце которой расположен закругленный контакт 65 с седлом клапана. Этот контакт 65 с седлом клапана, выполненный в виде горизонтальной, по существу кольцеобразной контактной линии, проходящей перпендикулярно и концентрически к продольной оси 90 поршня, примыкает к переднему концу 72 поршня 70, за которым следует суженная часть 73 поршня. К этой суженной части 73 примыкает переходная часть 75 поршня, на которой диаметр поршня увеличивается для того, чтобы образовать больший диаметр на заднем конце 71 поршня. Таким образом, задний диаметр 171 поршня больше, чем передний диаметр 172 поршня. В частности, поршень 70 имеет в продольном направлении поверхность 91 (как показано на фиг.4) с размером, достаточным для перемещения поршня в направлении газовой пружины 40 во время воспламенения. Диаметр и высота полостей газовой пружины 40 могут быть выбраны большими по отношению к камерам 121 и 122 сгорания. Поршень 70 герметизирован между стенками левого и правого устойчивых к давлению резервуаров 21 и 22 посредством ряда уплотнений 81 и 82 в продольном направлении. Причем три уплотнения 81 могут представлять собой бронзовые уплотнения, а уплотнение 82, расположенное между ними, представляет собой уплотнительное кольцо круглого сечения. Эти уплотнения 81 и 82 вставляются в канавки поршня 70; они также могут быть предусмотрены в расположенных напротив стенках.
Поршень 70, который, таким образом, герметично проходит через центральный корпус 30 с устойчивыми к давлению резервуарами 21 и 22, затем герметично выступает в переднюю камеру 41 газовой пружины в корпусе 40 газовой пружины, которая отделена от задней камеры 42 газовой пружины посредством перегородки 43 газовой пружины. В перегородке газовой пружины предусмотрен обратный клапан 44 и газовое перепускное отверстие 45.
2
Функция газовой пружины заключается в следующем. По газозаправочным трубопроводам 151 и 152 в камеры 121 и 122 подают два компонента горючих газовых смесей. Эти газы воспламеняют посредством воспламенительного устройства, не показанного на фиг.3. Это приводит к приложению давления на переходную часть 75, которое преодолевает противоположное давление газовой пружины и перемещает поршень 70 в область передней камеры 41 газовой пружины. Для того, чтобы это движение было достаточно быстрым, в перегородке 43 предусмотрен обратный клапан 44, который сразу же открывается и быстро выравнивает давление газа между передней камерой 41 газовой пружины и задней камерой 42 газовой пружины, так что после первоначального быстрого движения поршня 70, его затем тормозит повышенное сопротивление из объединенных камер 41 и 42 газовой пружины. После обратного смещения поршня 70 в направлении перегородки 43 горючие газы, находящиеся в сгоревшем или еще горящем состоянии, выходят из выпускной воронки 61 и снижают давление в камерах 121 и 122 сгорания. Так как клапан в перегородке 43 газовой пружины является обратным клапаном 44, то камеры 41, 42 газовой пружины соединяются только через газовое перепускное отверстие 45 очень малого диаметра. Таким образом, газ из задней камеры 42 газовой пружины возвращается обратно в переднюю камеру 41 газовой пружины и смещает поршень 70 в исходное положение, как показано на фиг.3. Любая потеря газа компенсируется посредством питающего трубопровода 49 газовой пружины. Газ в газовой пружине 40 может представлять собой как воздух, так и инертный газ, например N.
На фиг.4 в трех поперечных разрезах, выполненных один над другим (фиг.4а, фиг.4b и фиг.4с), показаны три поперечных разреза устройства с фиг.3 вдоль линий разреза IVa, IVb и IVc, соответственно. Предпочтительным образом поршень 70 имеет круглое поперечное сечение.
На фиг.4а изображен поперечный разрез вдоль линии IVa через верхнюю стенку 21, 22 устойчивых к давлению резервуаров, причем показано бронзовое уплотнение 81, окружающее заднюю часть 71 поршня 70.
На фиг.4b показана параллельная плоскость разреза в камере 121, 122 сгорания и через камеру 121, 122 сгорания, причем показанный разрез проходит вдоль линии IVb в верхней части пространства камер 121, 122 сгорания, где поршень 70 имеет диаметр, соответствующий задней части 71.
На фиг.4с изображен следующий разрез вдоль линии IVc, параллельный разрезу с фиг.4b в нижней части полости, где непосредственно видно, что хотя ширина поршня 70 в центральной части 30 камеры примыкает к стенкам устойчивых к давлению резервуаров 21, 22 и, таким образом, ширина остается постоянной по всей длине поршня, глубина выполнена меньшей в направлении продольного выравнивания внутренних камер 121, 122. Таким образом, здесь можно непосредственно видеть, что существует разница между передним диаметром 172 поршня и задним диаметром 171 поршня, причем в настоящем документе под диаметром поршня понимают ширину в продольном направлении расположенных друг напротив друга камер 121, 122 сгорания.
Выпускное отверстие 61 здесь показано на всех трех чертежах фиг.4а, 4b и 4с под плоскостью чертежа. Также возможно, как показано на фиг.3 патентного документа WO 2010/025574 из уровня техники, что выпускная воронка 61 в продольном направлении удлинения на другой стороне центрального корпуса 30 соединена с камерой 121 сгорания, причем запирающий элемент в виде поршня 70 расположен перпендикулярно к ней, так что при обратном смещении поршня 70 газовая смесь может выходить непосредственно прямо в продольном направлении всего устройства.
При этом можно предусмотреть две, три, четыре и более камеры сгорания, которые будут расположены в плоскости камер 121 и 122 сгорания с фиг.1, 2 или 6, в соответствии с плоскостью 92 на фиг.7, так как здесь во всех случаях поршень 70 перпендикулярен этой плоскости расположения камер сгорания и выпускной воронке 61. При расположении согласно патентному документу WO 2010/025574 выпускная воронка 61 будет находиться в той же плоскости, что и все камеры сгорания, и может, например, иметь одинаковое угловое расстояние относительно всех них. Тогда в случае трех камер сгорания между ними будет угол 90 градусов. Камеры сгорания, расположенные напротив выпускной воронки 61, также могут быть расположены ближе друг к другу, так чтобы направление выпуска должно было меньше меняться.
На фиг.5 показан увеличенный фрагмент переходной части 75 поршня 70.
На нем видно, что от продольной оси 90 поршня отложен первый диаметр 121, который меньше, чем задний диаметр 171 поршня. Таким образом, переходная часть 75 образует в разрезе в проекции продольной оси 90 две прямоугольные полосы 91, которые служат полосами передачи давления. При наполнении камер 121 и 122 сгорания давление, оказываемое на эти полосы 91, недостаточно для того, чтобы сдвинуть поршень 70 назад против давления газовой пружины. Но это резко меняется после воспламенения газовой смеси, так как может возникнуть разность давлений, от 25 до 30 раз превышающая давление наполнения, что в таком случае достаточно для того, чтобы вытолкнуть поршень 70 назад при соответствующем установленном напряжении газовой пружины. В примерных вариантах осуществления камеры сгорания имеют объем от одного до двух литров, при этом давление наполнения газа может составлять от 10 до 30 бар, например, от 15 до 25 бар. Диаметр кольцевого отверстия, закрываемого поршнем, составляет от 40 до 150 мм, например, от 60 до 100 мм, в частности 80 мм.
Воспламенение может быть выполнено аналогично патентному документу WO 2010/025574 из уровня техники и, таким образом, может происходить за счет электричества или, например, за счет светового воспламенения.
На фиг.6 показан схематический вид в аксонометрии другого устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Идентичные признаки обозначены идентичными ссылочными обозначениями по всему описанию. На центральном корпусе 30 здесь также находятся два устойчивых к давлению резервуара 21 и 22, и перпендикулярно ним предусмотрен корпус 40 газовой пружины. Внутрь центрального корпуса 30 ведут газозаправочные трубопроводы 151 и 152, а в центре центрального корпуса 30 показана линия электропитания воспламенительного устройства 50.
Далее на фиг.7 показан схематический вид в поперечном разрезе устройства с фиг.6 с вертикальной осью разреза. Продольная ось 90 поршня, которая соответствует продольной оси корпуса 40 газовой пружины, пересекает горизонтальную центральную плоскость 92 разреза устойчивых к давлению резервуаров 21 и 22. Для упрощения чертежа элементы центрального корпуса 30 здесь на фиг.7 не показаны. В нижней части устойчивые к давлению резервуары 21 и 22 проходят к выпускной воронке 61, внутренний конец которой образует контакт 65 с седлом клапана для поршня 70. Уплотнительная линия представляет собой круглое кольцо на седле 300 клапана. Поршень 70 имеет суженную нижнюю часть 73, за которой следует переходная часть 75 с увеличивающимся диаметром, которая проходит к задней части 71 поршня. Здесь поршень 70 выполнен полым. Он может состоять из двух частей, при этом нижний конец может быть установлен в полый поршень 70 для контакта 65 с седлом клапана. Седло 300 клапана также может быть выполнено так, как показано на фиг.14.
2
Задняя часть поршня 70 имеет достаточную высоту от переходной части 75 до его верхней плоской торцевой поверхности, которая ограничивает нижнюю камеру 41 газовой пружины, так что даже если поршень будет задвинут обратно в эту переднюю камеру 41 газовой пружины, поршень 70 все равно будет по существу герметично прилегать к внутренним стенкам газовой пружины 40 за счет соответствующих уплотнительных элементов. При этом в соответствии с вариантом осуществления на фиг.7 между ними расположены две бронзовых прокладки 81, проходящие вокруг поршня 70, и уплотнительное кольцо 82 круглого сечения. Бронзовые прокладки 81, расположенные на большем расстоянии друг от друга, также выполняют уплотнительную функцию и, как и уплотнительное кольцо 82 круглого сечения, установлены в соответствующих кольцевых канавках поршня 70. В перегородке 43 газовой пружины, которая проходит по существу перпендикулярно продольной оси 90 поршня, предусмотрен обратный клапан 44 и газовое перепускное отверстие 45. Газовое перепускное отверстие 45 также можно назвать дроссельным отверстием. На заднем конце камеры 42 газовой пружины подведен питающий трубопровод 47 газовой пружины, посредством которого снаружи через газовое соединение 49 газовой пружины может быть подан инертный газ, например, азот, CO или аргон. Если камеры 41 и 42 газовой пружины достаточно герметичны, то газ может представлять собой также воздух.
На фиг.8 показан вариант осуществления с фиг.6 в плоскости 92 разреза. На нем видно, что поршень 70 расположен на постоянном расстоянии в этой центральной области от внутренней стенки центрального корпуса 30, и что в направлении продольной оси 90 поршня имеется кольцевой зазор 123, который предназначен для выравнивания давления между двумя камерами 121 и 122 сгорания. Таким образом, в настоящем варианте осуществления для двух подлежащих смешиванию газов или жидкостей для горения достаточно газозаправочного трубопровода 151 и 152, расположенных рядом друг с другом. По центру кольцевого зазора 123 между камерами 121 и 122 сгорания, предпочтительно также на средней высоте центрального корпуса, расположена свеча накаливания или свеча 59 зажигания, выходящая в кольцевой зазор 123, которая подключена к линии 50 воспламенительного устройства. Здесь предусмотрены дроссельные отверстия или дозирующие клапаны 153 и 154 для непосредственного наполнения камер 121 и 122 сгорания.
Такой кольцевой зазор 123 также может направляться с одной стороны, т.е. только со стороны свечи 59 зажигания, а также он может использоваться в других вариантах осуществления с двумя и более другими камерами сгорания.
На фиг.9 показан схематический вид в аксонометрии другого устройства для генерирования высокоамплитудных волн давления в соответствии с одним примером осуществления изобретения. Здесь предусмотрено симметричное расположение вокруг продольной оси 90 поршня. В частности, предусмотрен кольцеобразный устойчивый к давлению резервуар 25, к которому подводятся газозаправочные трубопроводы 151 и 152. Этот устойчивый к давлению резервуар 25 расположен под корпусом 40 газовой пружины в его удлинении, а линия 50 электропитания воспламенительного устройства проходит внутрь устройства через часть устойчивого к давлению резервуара 25, которая выступает за корпус газовой пружины. Устойчивый к давлению резервуар 25 состоит из верхней плиты, нижней плиты и, в данном случае, кольца, которые установлены друг на друге герметичным образом. Также несколько колец могут быть расположены одно над другим.
На фиг.10 представлен схематический вид в разрезе с вертикальной осью разреза устройства с фиг.9.
Газовая пружина 40 выполнена аналогично другим вариантам осуществления. Относительно этих других вариантов осуществления есть два существенных структурных отличия, которые здесь используются вместе. Однако, в других вариантах осуществления, не показанных на фигурах, также возможно использовать только одно из двух раскрытых ниже отличий с другими вариантами осуществления.
Первое отличие от других вариантов осуществления заключается в том, что предусмотрена кольцевая камера 125 сгорания, которая полностью окружает поршень 70. Таким образом, имеются кольцеобразные элементы устойчивого к давлению резервуара 25. В данном случае это - три кольца, которые благодаря гладким выровненным заподлицо наружным поверхностям на фиг.9 изображены как одно кольцо. Через верхнюю стеновую плиту в кольцевую камеру 125 сгорания герметично вставлена свеча 59 зажигания воспламенительного устройства 50. В другом месте, показанном на фиг.10 снизу, непосредственно подведены два газозаправочных трубопровода 151 и 152. Другими словами, каких-либо резервуаров 51 и 52 для хранения газа в качестве дозирующих элементов не предусмотрено. Это регулируется посредством дроссельных отверстий 153 и 154 при наполнении.
Вторым отличием других вариантов осуществления от варианта осуществления на фиг.9 и 10 является конструкция поршня 70. Проекция 91 напорной поверхности других вариантов осуществления здесь образована нижней стороной 191 поршня 70, причем нижняя сторона и внутренняя сторона поршня ограничивает вспомогательную камеру 95 давления. Эта камера своей нижней стороной примыкает к сужающемуся вниз стволу 96 с отклоняющим профилем. В данном случае полый ствол 96 имеет одинаковый по длине внутренний диаметр, в который входит нижняя часть с суженной частью 173 поршня, которая направляется с упором в ствол 96 посредством двух бронзовых уплотнений 81. При воспламенении горючей газовой смеси, поступающей из трубопроводов 151 и 152, посредством свечи 59 зажигания, давление в кольцевой камере 125 сгорания возрастает, как и в предыдущих примерах, при этом здесь давление имеет возможность через соединительный зазор 126 расширяться во вспомогательную камеру 95 давления. Также может быть предусмотрено несколько таких зазоров 126, предпочтительно с равномерными угловыми интервалами между ними, так что ствол 96 с отклоняющим профилем прикреплен к плите или к корпусу газовой пружины, за исключением этих разрывов, образованных соединительными зазорами 126.
Таким образом, вскоре после воспламенения внутреннее давление кольцевой камеры 125 сгорания действует на нижнюю сторону заднего конца 71 поршня 70, поверхность 191 которой выступает за цилиндрический сердечник, во вспомогательной камере 95 давления. Таким образом, давление, прикладываемое к этой поверхности 191, которое соответствует давлению на проекцию 91 напорной поверхности из другого варианта осуществления, смещает поршень 70 в его стволе 96 назад через увеличивающуюся вспомогательную камеру 95 давления в переднюю камеру 41 газовой пружины, при этом здесь также предусмотрено бронзовое уплотнение 81 и уплотнительное кольцо 82 круглого сечения между задним концом 71 поршня и внутренней стенкой газовой пружины 40.
При смещении поршня 70 назад открывается соединение между кольцевой камерой 125 сгорания и выпускной воронкой 61, которая здесь не показана и расположена под стволом 96 и седлом 65 клапана на расстоянии от них. Также в этом случае давление горения или детонации среды, имеющейся в кольцевой камере 125 сгорания, действует на смещающийся назад поршень 70.
На фиг.11 представлен схематический вид в разрезе с вертикальной осью 90 разреза устройства с признаками, которые частично соответствуют устройству с фиг.6 и частично соответствуют устройству с фиг.9 или 10.
В данном случае представлен поршень 70 в соответствии с вариантом осуществления на фиг.1 и 6, который окружен кольцевой камерой 125 сгорания, как показано в варианте осуществления на фиг.9 и 10. Таким образом, кольцевой зазор 123 расширен до кольцевой камеры 125 сгорания и вместо двух противоположных камер 121 и 122 сгорания имеется только одна цилиндрическая камера с поршнем 70 в виде цилиндрического сердечника. Кроме этого функция смещения поршня 70 назад решается точно так же давлением горючей газовой смеси, воздействующим на переходную часть 75. На фиг.11 корпус газовой пружины показан как цельный элемент с крышкой кольцевой (если вставленный поршень 70 рассматривать как центральный элемент) или, иначе, цилиндрической камеры 125 сгорания. Разумеется, это могут быть также несколько элементов, прифланцованных друг к другу. Существенным для иллюстрации является то, что стенки, окружающие заднюю часть поршня 70, имеют выступы 196, которые выступают внутрь камеры 125 сгорания. Эти выступы 196, которые здесь имеют кольцевую форму, соответствуют стволу 96, показанному на фиг.10, и служат для дальнейшего направления поршня 70. Они также могут быть расположены напротив бронзовых колец 81, которые всажены в поршень 70. Другими словами, выгодно направлять поршень 70 на большую длину, и это может быть достигнуто с помощью ствола, проходящего посередине, или с помощью выступов 96 в форме кольца или кольцевых сегментов.
Сам поршень 70 может быть выполнен полым, чтобы уменьшить вес, причем он может быть открытым спереди в продольном направлении 90, или он может быть изготовлен из цельного материала, в частности из стали, или может быть полым и иметь заглушку, вставленную спереди, в частности ввинченную. Она также может образовывать уплотнительную поверхность к седлу 65 клапана.
На фиг.12 показан схематический вид в поперечном разрезе с вертикальной осью 90 разреза другого варианта осуществления газовой пружины 140, при этом проходящая далее часть устройства с поршнем 70 и свечой 59 зажигания, а также не показанные здесь камеры сгорания и выпускные воронки могут быть выполнены аналогично или идентично. Существенным отличием от газовой пружины 40 является внешний обход (байпас) обратного клапана 44 снаружи корпуса, а также внешний обход (байпас) газового перепускного отверстия 45 снаружи корпуса. Поэтому оба они проведены не внутри перегородки 43 газовой пружины между камерами 41 и 42, а имеют внешние клапаны 144 и 145. Эти дроссельные отверстия или управляющие клапаны 144 и 145 соединены с управляющей линией 150, которая также соединена с воспламенительным устройством. Здесь линия 150 не обозначает прямую электрическую или иную прямую электрически управляемую линию, а схематически символизирует, что управляющие сигналы передаются от блока управления, не показанного на чертежах, на свечу 59 зажигания, а также на клапаны 144 и 145, так что они переключаются с соответствующей задержкой по времени. После воспламенения обратный клапан 44 сначала непрерывно переключается клапаном 144, опционально с небольшой задержкой, чтобы сначала затормозить движение поршня за счет быстрого нарастания давления в передней камере 41 газовой пружины и после открытия быстро выравнять давление с задней камерой 42 газовой пружины. Клапан 145 для перепускного отверстия 45 закрыт.Он также может открываться заранее во времени, так как позволяет лишь небольшому количеству газа проходить в обратном направлении. После этого, когда весь газ сгорит и, таким образом, давление из камер 41 и 42 должно толкать поршень назад, дроссельное отверстие 145 открывается, а клапан 144 закрывается. С такими управляемыми клапанами также нет необходимости выполнять элементы 44 и 45 в виде обратного клапана или дроссельного отверстия; они также могут быть простыми трубопроводами (каналами).
Наконец, на фиг.13 показан другой схематический вид поперечного разреза с вертикальной осью 90 разреза другого варианта осуществления газовой пружины 240, которая также может быть вставлена в устройство, например, как показано на фиг.1, 6, 10 или 11. Здесь обратный клапан 244 выполнен четыре раза, в то время как газовое перепускное отверстие 45 расположено в перегородке 43 газовой пружины, как и в других вариантах. Конструкция с четырьмя обратными клапанами 244, которые соединены с задней камерой 42 газовой пружины через соответствующие отдельные трубопроводы 243, приводит к дополнительной функции совместно со смещающимся назад поршнем 70. Предусмотрено, что отдельные выходные отверстия 246 четырех обратных клапанов 244 расположены друг над другом и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси 90 поршня (не обязательно непосредственно друг над другом, но также возможно боковое смещение на угловом расстоянии друг от друга), так что смещающийся назад поршень 70, двигаясь постепенно снизу, перекрывает одно за другим выходные отверстия 246 и, таким образом, разрывает соединение с обратными клапанами 244 и соединение между передней камерой 41 газовой пружины и задней камерой 42 газовой пружины. Таким образом, по мере увеличения хода поршня, т.е. смещения поршня 70 назад в газовую пружину 240, выравнивание давления газа между передней и задней камерами 41 и 42 газовой пружины через обратные клапаны 244 постепенно снижается, что приводит к более мягкому торможению поршня 70 в передней камере 41 газовой пружины без необходимости более сложного управления клапанами. Закрытие обратных клапанов 244 осуществляется чисто механически.
Все варианты осуществления, показанные выше в связи с фиг.1-13, могут быть выполнены дополнительно или исключительно с седлом 300 клапана, раскрытым в связи с фиг.14, функция которого пояснена на подробном виде поперечного разреза седла 300 клапана на фиг.15А-15С, а измеренное воздействие на график зависимости силы, действующей на поршень 70, от времени, показаны на фиг.16.
На фиг.14 представлен вид в разрезе внешней стенки 172 поршня 70 варианта осуществления седла 300 клапана с дополнительными признаками. Внешняя стенка на фиг.14 прилегает к противоположной стенке корпуса 40 газовой пружины; она также может прилегать к направляющему стволу 96. В этом случае седло 300 клапана поддерживается снизу сопрягаемыми поверхностями выпускной воронки 61. Между выпускной воронкой 61 и корпусом 40 газовой пружины находится отверстие, которое ведет в первую камеру 121 сгорания. Вместо верхней части выпускной воронки 61 может быть также предусмотрена заданная сопрягаемая поверхность, которая может относится, например, к устойчивым к давлению резервуарам 21, 22. Вид, показанный на фиг.14, на верхнем конце поршня завершается поверхностью 170, которая перпендикулярна боковой стенке переднего диаметра 172 поршня, и над которой предусмотрена (передняя) камера 41 газовой пружины. Данная конструкция может быть использована для вариантов осуществления, показанных на фиг.2, 3, 7, 10, 11. Вариант осуществления, показанный здесь, аналогичен показанному на фиг.10, в котором предусмотрена вспомогательная камера 95 давления, в которой фланцевая поверхность 191 является напорной поверхностью для перемещения поршня 70.
На седле 300 клапана показана линия 301, указывающая на расстояние от боковой стенки поршня диаметром 172. Это расстояние относится к изгибу R2, который проходит от боковой стенки 172 до внутренней стенки седла поршня 302, что лучше видно на подробном виде фиг.15А-15С. Эта внутренняя стенка 302 седла поршня расположена напротив внешней или расположенной со стороны корпуса стенки 303 седла клапана. Здесь существенно то, что две стенки 302 и 303, которые по отношению к оси 305 перемещения поршня по существу имеют угол примерно 45 градусов, а в других не показанных вариантах осуществления угол между 30 и 60 градусами, не параллельны друг другу, а имеют угол 304, который в варианте осуществления на фиг.14 задан равным 1 градусу, но также может быть между 0,5 и 5 градусами, в частности между 1 и 3 градусами.
Вершина угла 304 раскрытия находится в точке пересечения линии 301, указывающей конец изгиба поршня 70, с противоположной внешней расположенной со стороны корпуса стенкой 303 и закрывает там в круговом кольце внешнюю камеру 306 выпускной воронки от (показанной здесь) первой камеры 121 сгорания, но, конечно же, также относительно второй камеры 122 сгорания.
Данная конструкция седла 300 клапана показана в хронологической последовательности взрывного открытия хода поршня на фиг.15А (начало 0,5 мм), фиг.15В (открытие 1 мм), фиг.15С (свободный проход 2 мм), при этом сделана ссылка на соотношения сил, показанные на фиг.16. На фиг.14 и фиг.15С (только в ней из-за доступного пространства) изображены стрелки 311, 312, 313, 314 и 315. Они указаны для полных поверхностей, на которых они расположены. Таким образом, они обозначают, при наличии: опциональную поверхность 311 предкамеры, статическую вспомогательную поверхность 312, динамическую вспомогательную поверхность 313, внутреннюю поверхность 314 поршня и диаметрально противоположную всем им поверхность 315 газовой пружины.
Опциональная поверхность 311 предкамеры представляет собой удлинение фланца во вспомогательной камере 95 давления. Статическая вспомогательная поверхность 312 представляет собой изогнутую поверхность, образованную расстоянием 301 и соответствующим ему радиусом R2 на переднем конце поршня на фиг.14, которая затем, в математическом смысле, плавно переходит во внутреннюю стенку 302 седла поршня. Динамическая вспомогательная поверхность 313 так названа потому, что под углом 304 две стенки 302 и 303 расходятся в направлении камеры 306 выпускной воронки и, таким образом, поверхность динамично развивается. Здесь стрелки 313 должны быть нарисованы последовательно от внутреннего края до стрелки 312. Наконец, внутренняя поверхность 314 поршня изображена в углублении полого поршня, но может также находиться на нижнем конце поршня. Диаметрально противоположно ему расположена поверхность 315 газовой пружины.
На фиг.16 по оси Υ отложена сила, действующая на поршень 70, во времени, соответствующем оси X. Основное действие вспомогательной камеры 95 давления и ее поверхности 311 обозначено линией 411. Таким образом, площадь 511 между нулевой линией и линией 411 является характеристикой для поверхности отклика предкамеры. Линия 412 показывает дополнительное силовое воздействие, возникающее за счет закругленной поверхности у стрелки 312 и характеризующееся площадью 512 между линией 411 и линией 412.
Эта сила нарастает до тех пор, пока поршень 70 не приподнимется от седла в момент 520 времени. Затем в игру вступает динамическая поверхность 313, что приводит к нарастанию, которое характеризуется линией 413, причем действие в виде возрастания силы характеризуется площадью 513, расположенной между линиями 412 и 413. Немного позже и с небольшим опозданием в игру вступает противодействие газовой пружины 40, силовое воздействие которой обозначено линией 415.
Возрастание силы, или нарастание, заканчивается в тот момент времени, когда кривая 413 нарастания меняет направление в несколько более поздний момент 521 времени, в который расходящийся зазор, как показано на фиг.15А-15С, расширился до прохода, как показано на фиг.15С. Это не означает, что ширина щели составляет 2 мм, это зависит от глубины седла клапана, т.е. от расстояния от закругления R2 (описанного линией / стрелкой 301) до начала камеры 306 выпускной воронки. В данный момент 521 времени линия 414 отделяется от линии 413 в области спада.
С линией 414 и соответствующим силовым воздействием на участке 415 в области спада добавляется опустошение камер поршня, при этом затем в сумме образуется характеристическая линия 419 в виде суммирующей линии, которая колеблется в противофазе с линией газовой пружины. Таким образом, геометрия седла клапана положительно влияет на поведение поршня при открытии. Во время открытия самое узкое поперечное сечение смещается в радиальном направлении снаружи внутрь, так что преимуществами являются малые проекции поверхностей в закрытом состоянии, что предотвращает непреднамеренное открытие. В показанном варианте осуществления предкамера 95 обеспечивает начальное открытие в желаемый момент времени. Однако эту вспомогательную камеру можно заменить, расположив поверхности 191 в главной камере 121 (т.е. без раздельного воспламенения, аналогично варианту осуществления на фиг.10) таким образом, чтобы площадь 511 соответствовала начинающемуся воспламенению главной камеры.
Так как самое узкое поперечное сечение смещается радиально снаружи внутрь, то увеличение активной поверхности сразу после начального открытия приводит к усилению эффекта движения поршня, которое на фиг.15А-С показано на начальном этапе движения открытия.
Список ссылочных обозначений
5 - стенка котла
10 - устройство
15 - внутреннее пространство котла
21 - правый устойчивый к давлению резервуар
22 - левый устойчивый к давлению резервуар
25 - кольцеобразный устойчивый к давлению резервуар
30 - центральный корпус
40 - корпус газовой пружины
41 - передняя камера газовой пружины
42 - задняя камера газовой пружины
43 - перегородка газовой пружины
44 - обратный клапан
45 - газовое перепускное отверстие
47 - газовое соединение газовой пружины
48 - питающий клапан газовой пружины
49 - питающий трубопровод газовой пружины
50 - воспламенительное устройство
51 - первый резервуар для хранения газа
52 - второй резервуар для хранения газа
53 - первый внешний питающий газопровод
54 - второй внешний питающий газопровод
55 - первый клапан питающего газопровода
56 - второй клапан питающего газопровода
57 - первое газовое соединение
58 - второе газовое соединение
59 - свеча зажигания
61 - выпускная воронка
62 - выпускная труба
63 - выпускное отверстие
65 - контакт с седлом клапана
70 - поршень
71 - задний конец поршня
72 - передний конец поршня
73 - суженная часть поршня
75 - переходная часть поршня
81 - бронзовое уплотнение
82 - уплотнительное кольцо круглого сечения
90 - продольная ось поршня
91 - проекция напорной поверхности
92 - горизонтальная плоскость
95 - вспомогательная камера давления
96 - направляющий ствол
121 - первая камера сгорания
122 - вторая камера сгорания
123 - кольцевой зазор камеры сгорания
125 - кольцевая камера сгорания
126 - сужающийся ствол
140 - газовая пружина
144 - обратный управляющий клапан
145 - перепускной управляющий клапан
151 - первый газозаправочный трубопровод
152 - второй газозаправочный трубопровод
153 - первый газозаправочный клапан
154 - второй газозаправочный клапан
170 - поверхность поршня
171 - задний диаметр поршня
172 - передний диаметр поршня
173 - суженная часть поршня
175 - фланцевый переход поршня
191 - фланцевая поверхность
196 - кольцеобразные направляющие выступы
240 - газовая пружина
243 - соединительный трубопровод
246 - выходное отверстие трубопровода
300 - седло клапана
301 - линия, указывающая конец изгиба
302 - внутренняя стенка седла поршня
303 - внешняя, расположенная со стороны корпуса, стенка седла клапана
304 - угол между 302 и 303
305 - ось перемещения поршня (открытие)
306 - камера выпускной воронки
311 - поверхность предкамеры
312 - статическая вспомогательная поверхность
313 - динамическая вспомогательная поверхность
314 - внутренняя поверхность поршня
315 - поверхность газовой пружины
411 - линия отклика предкамеры
412 - линия отклика статической поверхности
413 - линия отклика нарастания
414 - линия опустошения поршня
415 - линия отклика газовой пружины
419 - суммирующая линия
511 - поверхность отклика предкамеры
512 - статическая поверхность отклика
513 - поверхность отклика нарастания
514 - поверхность отклика опустошения поршня
520 - момент времени открытия поршня
521 - открытый проход на седле поршня