СПОСОБ ЛАЗЕРНО-ИСКРОВОГО ЗАЖИГАНИЯ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02P23/04 

Изобретение относится к системам зажигания двигателя внутреннего сгорания и может быть использовано в энергетических установках с принудительным воспламенением рабочей смеси.

Известен способ воспламенения бедных горючих смесей, заключающийся в пропускании через свечу в конце такта сжатия серии отдельных поджигающих разрядов и регистрации пропусков воспламенения [1].

В данном способе зажигания при работе на бедной смеси для надежного воспламенения необходимо повышать вторичное напряжение и увеличивать количество поджигающих разрядов. Причем вероятность разрядов с емкостной составляющей резко возрастает, что приводит к уменьшению надежности работы системы зажигания в результате повышенной эрозии электродов свечи зажигания и пробоя высоковольтных элементов. Т. е. в данном способе не обеспечивается эффективная и надежная работа двигателя на бедных смесях. При отсутствии воспламенения в данном способе увеличивается количество поджигающих разрядов, но не регулируется их энергия в зависимости от состава смеси.

Известен способ воспламенения горючей смеси, заключающийся в предварительной обработке смеси до ее воспламенения [2].

Недостатком данного способа является использование высокого напряжения (40 кВ) для получения коронного разряда, что снижает надежность работы системы в результате высоковольтных пробоев ее элементов. Применяемая для осуществления способа свеча накаливания обладает повышенной инерционностью, и не обеспечит необходимого момента воспламенения при высоких оборотах коленчатого вала двигателя, и может привести к калильному зажиганию.

Наиболее близким является способ зажигания, заключающийся в том, что рабочую смесь в пространстве цилиндра нагревают энергией лазерного источника излучения [3].

Недостатком этого способа является увеличенное потребление энергии бортового источника питания и невозможность регулирования интенсивности лазерного излучения в соответствии с режимом работы двигателя.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и эффективности воспламенения рабочей смеси и создание лазерно-искровой системы зажигания двигателя внутреннего сгорания с более высокими энергетическими характеристиками воспламенения рабочей смеси.

Указанная задача решается тем, что в способе лазерно-искрового зажигания рабочей смеси в пространстве цилиндра двигателя внутреннего сгорания рабочую смесь нагревают энергией лазерного источника излучения в межэлектродном пространстве свечи зажигания в конце такта сжатия, дополнительно поджигают искровым разрядом и регулируют интенсивность излучения лазера в соответствии с режимом работы двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащее блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазера, связанный с датчиком состава рабочей смеси, полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра [3].

Принципиальный недостаток связан с низким КПД, характерным для твердотельных лазеров. Существенным недостатком является небольшой ресурс лампы накачки и изменение физических свойств ее параметров в связи с особенностями работы транспорта (вибрация, температурный режим, большая потребляемая мощность лазера, несовместимость с особенностями работы автомобиля).

Задачей изобретения является увеличение ресурса и надежности работы системы зажигания.

Эта задача решается тем, что предлагаемое устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания дополнительно к блоку синхронизации, связанному электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилителю мощности накачки лазера, связанному с датчиком состава рабочей смеси и с блоком синхронизации, и к полупроводниковому лазеру, связанному через световод с пространством цилиндра, снабжено источником воспламенения. При этом источник воспламенения выполнен в виде лазерно-искровой свечи, установленной в головке блока цилиндров двигателя и связанной с искровой системой зажигания и формирователем импульсов лазерного подогрева, связанным с усилителем мощности накачки лазера и блоком синхронизации, и датчиком состава смеси, соединенным с усилителем мощности накачки лазера.

Кроме того, формирователь импульсов подогрева выполнен в виде операционного усилителя с двумя входами, неинвертирующий вход которого соединен с блоком синхронизации, а инвертирующий вход усилителя соединен с делителем напряжения, состоящим из двух последовательно соединенных последовательных RC цепей, выход операционного усилителя соединен с базой транзистора выходного усилителя формирователя через последовательно соединенные регулировочный резистор и конденсатор, выходным усилителем, выполненным на транзисторе обратной проводимости, эмиттер которого подключен к общей шине источника питания, а коллектор подключен к усилителю мощности накачки лазера, операционный усилитель охвачен обратной связью через резистор со своего выхода на инвертирующий вход и обратной связью с коллектора транзистора на неинвертирующий вход, формирователь снабжен отдельным стабилизатором и подключен через него к положительному источнику питания.

Кроме того, источник воспламенения рабочей смеси выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого по оси проходит световод в электропроводящей оболочке, световод в верхней части снабжен разъемом для соединения с внешним световодом лазерного излучателя, электропроводящая оболочка в верхней части снабжена контактной втулкой, сообщенной с проводом высокого напряжения и, через него, с искровой системой зажигания, нижний торец оболочки образует центральный электрод искровой системы зажигания, нижняя часть оболочки является камерой, верхняя стенка которой образована торцом световода, а нижняя является диафрагмой с круглым отверстием, в полости камеры, между двумя проставками, находится фокусирующая линза, фокусное расстояние линзы выбирается из расчета получения фокального пятна посредине между нижним торцом оболочки и вторым электродом искровой системы зажигания. Второй электрод может быть выполнен в виде бокового электрода, укрепленного на корпусе источника воспламенения или установленного отдельно от него, например на днище поршня.

Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена структурная схема лазерно-искровой системы зажигания для двигателя внутреннего сгорания;
на фиг.2 представлена электрическая схема лазерно-искровой системы зажигания;
на фиг.3 приведена принципиальная конструкция источника воспламенения.

Лазерно-искровая система 1 зажигания (фиг.1 и фиг.2) содержит блок 2 синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком 3 положения коленчатого вала двигателя 4 и с формирователем 5 импульсов. Формирователь 5 импульсов подключен к усилителю 6 мощности накачки полупроводникового лазера 7. Усилитель 6 мощности накачки лазера подключен к полупроводниковому лазеру 7 и сообщен с датчиком 8 состава рабочей смеси. Полупроводниковый лазер 7 через световод 9 сообщен с лазерно-искровой свечой 10, установленной в камере сгорания двигателя. Лазерно-искровая свеча 10 через провод высокого напряжения 11 может быть подключена к системе 12 искрового зажигания.

Формирователь 5 импульсов (фиг.2) состоит из операционного усилителя 13, транзистора 14, переменного резистора 15, резисторов 16 и 17 отрицательной обратной связи, резисторов 18, 19, 20, 21, 22 и 23, конденсаторов 24, 25, 26, 27, 28 и 29.

Уровень управляющего сигнала излучения лазера 7 задается коллекторным током транзистора 14. Необходимая величина тока задается резистором 22. Для компенсации искажений управляющего сигнала, возникающих на нелинейных элементах тракта, используется отрицательная обратная связь, состоящая из резистора 19 и конденсатора 27. Для исключения уровня высокочастотных составляющих используется отрицательная обратная связь из резистора 16 и конденсатора 26. Резисторы 17, 21 и конденсатор 25 обеспечивают близкий к единице коэффициент передачи операционного усилителя по постоянному току. Величина сигнала управления устанавливается резистором 15. Резисторы 18 и 19 составляют делитель напряжения для входного сигнала. Выводы питания формирователя импульсов и усилителя мощности накачки подключены к отдельным стабилизаторам 30 питания для исключения влияния работы усилителя мощности и лазерного излучателя на формирователь импульсов. Оба стабилизатора питания соединены с бортовой сетью автомобиля. Один из стабилизаторов снабжен дополнительной электрической цепью, соединенной конденсатором 31. Операционный усилитель 13 снабжен инвертирующим входом 32 и электрическими цепями 33 и 34, сообщенными с массой автомобиля, и цепью 35 питания операционного усилителя. Коллектор транзистора 14 подключен к усилителю 6 мощности накачки, а усилитель мощности сообщен с полупроводниковым лазером 7.

Полупроводниковый лазер 7 для лазерного подогрева или прямого воспламенения горючей смеси располагается конструктивно в верхней части лазерно-искровой свечи 10 зажигания или в непосредственной близости от нее. Лазер 7 через внешний световод 9 соединен с внутренним световодом 41 свечи зажигания.

Лазерно-искровая свеча 10 зажигания (фиг.3) содержит корпус 36 с боковым электродом 37, металлическую оболочку 38, размещенную в изоляторе 39 корпуса 36 и снабженную разъемом 40 для подключения световода 41, выполненного в полости оболочки. Световод 41 содержит фокусирующую линзу 42.

Конструктивная особенность работы свечи заключается в подаче лазерной энергии от источника лазерного излучения через световод и оптический разъем, сфокусированного линзой 42 луча 43 с образованием фокального пятна 44 между электродами.

Металлическая оболочка 38 в верхней части сбоку снабжена контактной втулкой 45 для провода высокого напряжения 11, а нижней частью электрически соединена с центральным электродом 46 с калиброванным отверстием 47, обеспечивающим формирование лазерного луча 43 и искрообразование.

Световод 41 оканчивается активной зоной 48, обеспечивающей формирование начального участка луча 49. Между активной зоной 48 и линзой 42 размещена распорная втулка 50. Перемещение линзы 42 ограничено втулкой 51.

Устройство зажигания работает следующим способом. Формирователь 5 импульсов преобразует сигнал от блока 2 синхронизации и датчика 3 положения коленчатого вала двигателя 4 в группу импульсов тока, соответствующую моменту подогрева межэлектродного пространства лазерно-искровой свечи 10. Переменная составляющая тока повышается по мощности в усилителе мощности 6 накачки и подается в полупроводниковый лазер 7. Для управления током накачки лазера 7 в соответствии с режимом работы двигателя и соответственно амплитудой импульсов подогрева, усилитель 6 мощности электрической связью соединен с датчиком 8 состава рабочей смеси.

Луч лазера 7 проходит через световод 9 и разъем 40 внутрь лазерно-искровой свечи 10. Далее луч 49 с помощью линзы 42 фокусируется в фокальное пятно 44 в межэлектродном зазоре свечи 10 в камере сгорания двигателя 4. Линза расположена в полом центральном электроде 46 лазерно-искровой свечи 10.

После предварительного лазерного подогрева межэлектродного пространства свечи 10 зажигания по проводу высокого напряжения 11, соединенному с центральным электродом 46, подается высоковольтный импульс воспламенения горючей смеси. Высокое напряжение от системы 12 зажигания подается через контактную втулку 45 на центральный электрод 46. Подогрев рабочей смеси в межэлектродном пространстве обеспечивает устойчивое искрообразование при относительно низком напряжении (10...15 кВ). Лазерный источник излучения для ДВС должен соответствовать определенным характеристикам, обуславливающим его использование в системе воспламенения. Определяющими являются выходная мощность излучения и коэффициент полезного действия (КПД), показывающий долю энергии бортового источника питания автомобиля, преобразуемую в излучение лазера.

Преимущества лазерно-искровой свечи заключаются в надежном искрообразовании при работе ДВС на бедных смесях и различных режимах работы: пусковом, режиме холостого хода и режиме максимальной нагрузки.

Источники информации
1. Патент РФ 2087741, кл. F 02 P 11/06, 3/00, 1997 г.

2. Патент РФ 2099584, кл. F 02 P 15/00, 19/00, 1998 г.

3. Патент РФ 2003825, кл. F 02 P 23/04, 1991 г. - прототип.

Изобретение относится к системам зажигания двигателя внутреннего сгорания и может быть использовано в энергетических установках с принудительным воспламенением рабочей смеси. Технический результат заключается в возможности увеличения ресурса и надежности работы системы зажигания, а также в повышении надежности и эффективности воспламенения рабочей смеси, и в создании лазерно-искровой системы зажигания двигателя внутреннего сгорания с высокими энергетическими характеристиками воспламенения рабочей смеси. Устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания содержит блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазера, связанный с датчиком состава рабочей смеси и блоком синхронизации, полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра. Кроме того, устройство снабжено источником воспламенения, выполненным в виде лазерно-искровой свечи, которая установлена в головке блока цилиндров двигателя и связана с искровой системой зажигания, формирователем импульсов лазерного подогрева, связанным с усилителем мощности накачки лазера и блоком синхронизации, и датчиком состава смеси, соединенным с усилителем мощности накачки лазера. Способ лазерного зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что рабочую смесь в пространстве цилиндра двигателя нагревают энергией лазерного источника излучения. Причем рабочую смесь нагревают в межэлектродном пространстве свечи зажигания в конце такта сжатия, дополнительно поджигают искровым разрядом и регулируют интенсивность излучения лазера в соответствии с режимом работы двигателя. Подогрев рабочей смеси в межэлектродном пространстве обеспечивает устойчивое искрообразование при относительно низком напряжении 10...15 кВ. 2 с. и 2 з. п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ лазерного зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что рабочую смесь в пространстве цилиндра двигателя нагревают энергией лазерного источника излучения, отличающийся тем, что рабочую смесь нагревают в межэлектродном пространстве свечи зажигания в конце такта сжатия, дополнительно поджигают искровым разрядом, и регулируют интенсивность излучения лазера в соответствии с режимом работы двигателя. 2. Устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащее блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазера, связанный с датчиком состава рабочей смеси и блоком синхронизации, полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра, отличающееся тем, что устройство снабжено источником воспламенения, выполненным в виде лазерно-искровой свечи, установленной в головке блока цилиндров двигателя, связанной с искровой системой зажигания, формирователем импульсов лазерного подогрева, связанным с усилителем мощности накачки лазера и блоком синхронизации, и датчиком состава смеси, соединенным с усилителем мощности накачки лазера. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что формирователь импульсов подогрева выполнен в виде операционного усилителя с двумя входами, неинвертирующий вход которого соединен с блоком синхронизации, а инвертирующий вход усилителя соединен с делителем напряжения, состоящим из двух последовательно соединенных последовательных RC цепей, выход операционного усилителя соединен с базой транзистора выходного усилителя формирователя через последовательно соединенные регулировочный резистор и конденсатор, выходным усилителем, выполненным на транзисторе обратной проводимости, эмиттер которого подключен к общей шине источника питания, а коллектор подключен к усилителю мощности накачки лазера, операционный усилитель охвачен обратной связью через резистор со своего выхода на инвертирующий вход и обратной связью с коллектора транзистора на неинвертирующий вход, формирователь снабжен отдельным стабилизатором и подключен через него к положительному источнику питания. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что источник воспламенения рабочей смеси выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, внутри которого по оси проходит световод в электропроводящей оболочке, световод в верхней части снабжен разъемом для соединения с внешним световодом лазерного излучателя, электропроводящая оболочка в верхней части снабжена контактной втулкой, сообщенной с проводом высокого напряжения и, через него, с искровой системой зажигания, нижний торец оболочки образует центральный электрод искровой системы зажигания, нижняя часть оболочки является камерой, верхняя стенка которой образована торцом световода, а нижняя является диафрагмой с круглым отверстием, в полости камеры, между двумя проставками, находится фокусирующая линза, фокусное расстояние линзы выбирается из расчета получения фокального пятна посредине между нижним торцом оболочки и вторым электродом искровой системы зажигания.