СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СВЕЧА ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02P23/04 

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания, работающих на жидком и газообразном топливе, как поршневых, так и роторных. Свеча лазерного воспламенения, кроме того, может быть установлена на газотурбинных двигателях - ГТД и жидкостных ракетных двигателях - ЖРД.

Известна система зажигания камеры двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2124792, МПК F02P 23/04, опубл. 10.01.1999 г. Это изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрооборудовании транспортного средства. Свеча зажигания имеет корпус с эмиссионным преобразователем в виде пьезоэлектрического источника электронов. Свеча также содержит токоподводящий элемент, который одновременно является токопроводящим элементом преобразователя. Эмиссионный преобразователь имеет средство для формирования электрического импульса в виде эмиссионного катода, совмещенного с центральным электродом свечи. При подаче низковольтного напряжения на токоподводящий элемент с эмиссионного катода преобразователя вылетает поток электронов, представляющий собой непрерывный луч в течение одного цикла работы двигателя. Энергия, выделяемая лучом, воспламеняет топливовоздушную смесь в камере сгорания. Таким образом, повышается эффективность в работе свечи зажигания.

Недостатки: низкая мощность импульсов зажигания и периодическое обгорание электродов свечи, а также их загрязнение продуктами сгорания.

Известна свеча зажигания двигателя по патенту КНР на изобретение №103189638, МПК F02P 23/04, опубл. 03.07.2013 г. Свеча системы зажигания короны по этому патенту выдает нетермическую плазму в форме короны, чтобы ионизировать и зажигать смесь топлива. Свеча включает электрод и керамический изолятор, окружающий электрод. Изолятор окружает конец электрода и блоки электрода от внешней части до камеры сгорания. Изолятор представляет поверхность, которая, подвергаясь воздействию в камере сгорания, испускает нетермическую плазму. Преимущественно проводящие элементы расположены в матрице керамического материала и нанесены вдоль изолятора, частицы металла вставлялись в керамическом материале или отверстиях в керамическом материале. Такая конструкция уменьшает вредное действие дуги в течение действия свечи и таким образом улучшает качество зажигания.

Недостаток - относительно низкая энергия импульса.

Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2400644, МПК F16L 11/08, опубл. 20.12.2010 г. Эта свеча лазерного зажигания предназначена для ракетного двигателя малой тяги (РДМТ), работающего на несамовоспламеняющихся газообразном окислителе и жидком горючем, содержащем камеру сгорания с соплом, смесительную головку с каналами подвода компонентов и тангенциальными каналами для подачи топливной смеси в камеру сгорания с полостью закрутки и устройство воспламенения топливной смеси. Устройством воспламенения топливной смеси (свечей) служит источник лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки, герметично установленным непосредственно на смесительную головку, при этом лазерный луч направлен в осевой канал - зону первоначального воспламенения компонентов в точку фокусировки на поверхности осевого канала, либо в объеме топливной смеси.

Недостатки - воздействие высоких вибрационных нагрузок на электронную и оптическую части лазерной свечи и загрязнение фокусирующей линзы при длительной работе, особенно на углеводородном топливе.

Известна система лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2309288, МПК F02P 23/04, опубл. 27.10.2007 г., прототип. Эта свеча содержит два лазера: один предназначен для разогрева определенного объема камеры цилиндра, а другой для воспламенения топливной смеси. Кроме того, предусмотрено изменение фокусировки второго лазера. Это значительно усложняет систему лазерного зажигания и снижает ее надежность. Кроме того, фокусировка лазерного луча никак не ориентирована относительно впускного клапана топливной смеси. Также недостатком является однократная подача воспламеняющего импульса лазерной свечи от второго лазера в момент опережения зажигания, который вычисляется только с помощью датчика углового положения распределительного вала. При этом общеизвестно, что угол опережения зажигания значительно зависит от частоты вращения коленчатого вала и четного или нечетного числа его оборотов для четырехтактных двигателей. Между угловым положением распределительного и коленчатого валов может быть рассогласование, например, из-за вытягивания цепи. Все это приводит к снижению КПД двигателя и увеличению эмиссии вредных веществ в выхлопных газах.

Мер по снижению вибронагрузок на электронные компоненты и оптику лазерной свечи не предусмотрено.

Задачей создания группы изобретений, совпадающей с техническим результатом, является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологический свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности.

Решение указанных задач достигнуто в способе лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, путем подачи импульса тепловой энергии в локальную зону во внутреннем объеме цилиндра в момент, соответствующий оптимальному углу опережения зажигания и воспламенения топливовоздушной смеси, тем, что согласно изобретению подачу импульса тепловой энергии осуществляют в локальную зону, размещенную под впускным клапаном. Воспламенение может быть осуществлено при помощи луча лазера, исходящего от свечи лазерного воспламенения, содержащей микрочип-лазер, герметичное оптическое окно, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус лазерного луча которой находится под впускным клапаном. Воспламенение может быть осуществлено при помощи луча лазера, исходящего от свечи лазерного воспламенения, установленной над форкамерой и содержащей микрочип-лазер, герметичное оптическое окно, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус лазерного луча которой находится внутри форкамеры, а ось свечи лазерного зажигания пересекается с локальной зоной под впускным клапаном. Подача импульса тепловой энергии может быть продолжена вплоть до завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Мощность лазерного излучения может быть уменьшена по мере завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Перед воспламенением топливовоздушная смесь может быть подогрета импульсами лазерного излучения, но при том его энергию импульсов уменьшают по сравнению с энергией, потребной для воспламенения. Может быть осуществлена коррекция угла опережения зажигания в зависимости от истинного угла поворота распределительного вала. Управление моментом зажигания может быть осуществлено по сигналу давления топливной смеси. Может быть осуществлена коррекция энергии лазерных импульсов в зависимости от температуры воздуха перед дроссельной заслонкой.

Решение указанных задач достигнуто в устройстве для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, тем, что согласно изобретению применена, по меньшей мере, одна свеча лазерного воспламенения, содержащая микрочип-лазер, вакуумную трубку, фокусирующую линзу и герметичное оптическое окно, а микрочип-лазер соединен оптическим волокном с блоком накачки. Фокус лазерного луча фокусирующей линзы может находиться под впускным клапаном. Свеча лазерного воспламенения может быть установлена на форкамере, а фокус лазерного луча находится внутри форкамеры. Корпус свечи лазерного воспламенения может быть выполнен из теплопроводного материала и находится в тепловом контакте с охлаждаемыми деталями двигателя. Свеча лазерного воспламенения может быть выполнена охлаждаемой и соединена с системой охлаждения двигателя. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания может содержать источник энергии, блок управления зажигания и блок накачки, соединенные электрическими связями, причем блок накачки выполнен с возможностью регулирования мощности излучения импульсов накачки, а также частоты следования и фазы. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания может содержать датчики частоты вращения коленчатого вала, углового положения коленчатого вала, числа оборотов коленчатого вала и углового положения распределительного вала, соединенные электрическими связями с блоком управления зажиганием. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания может содержать датчики углового положения дроссельной заслонки и разрежения за ней. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания может содержать датчик температуры воздуха перед дросселем. Свеча лазерного воспламенения в составе устройства может содержать внутри корпуса средство демпфирования вибраций. Средство демпфирования вибраций может быть выполнено в виде тросового виброизолятора.

Решение указанных задач достигнуто в свече лазерного воспламенения, содержащей корпус, внутри которого установлен микрочип-лазер, соединенный вакуумной трубкой с фокусирующей линзой на торце, и герметичное оптическое окно, тем, что согласно изобретению внутри корпуса установлено средство демпфирования. Средство демпфирования выполнено в виде тросового виброизолятора. Тросовый виброизолятор может быть выполнен в виде нижней обоймы, жестко закрепленной в корпусе, и верхней обоймы, установленной в корпусе с возможностью осевого и радиального перемещения, в центральном отверстии которой установлен микрочип-лазер, а обоймы соединены между собой тросовым элементом. Тросовый элемент может быть выполнен из винтовых прядей троса. Средство демпфирования может быть выполнено в виде втулки из металловолокнистого пористого материала (металлорезина).

Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг.1…22, где

- на фиг.1 приведен вид двигателя с торца,

- на фиг.2 приведен разрез A-A,

- на фиг.3 приведен разрез B-B,

- на фиг.4 приведен вид C-C,

- на фиг.5 приведен разрез D-D,

- на фиг.6 приведена схема взаимной компоновки впускного клапана и свечи лазерного зажигания,

- на фиг.7 приведена схема установки свечи лазерного зажигания на головке цилиндров,

- на фиг.8 приведена диаграмма фаз газораспределения,

- на фиг.9 приведен внешний вид свечи лазерного воспламенения,

- на фиг.10 приведена 3D модель виброизолятора,

- на фиг.11 приведена фотография виброизолятора,

- на фиг.12 приведена конструкция тросового элемента,

- на фиг.13 приведена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения,

- на фиг.14 приведен первый вариант схемы жидкостного охлаждения свечи,

- на фиг.15 приведен второй вариант схемы жидкостного охлаждения свечи,

- на фиг.16 приведен третий вариант жидкостного охлаждения свечи,

- на фиг.17 приведен вариант свечи лазерного воспламенения с форкамерой,

- на фиг.18 приведен первый вариант работы системы лазерного воспламенения,

- на фиг.19 приведен второй вариант работы свечи лазерного воспламенения,

- на фиг.20 приведен третий вариант работы системы лазерного воспламенения,

- на фиг.21 приведена циклограмма работы зажигания с подогревом,

- на фиг.22 приведено изменение подогрева от температуры воздуха.

Двигатель внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигатель) содержит (Фиг.1…22), по меньшей мере, один цилиндр 1 и установленный в нем поршень 2.

В дальнейшем описание приведено на примере двухцилиндрового двигателя. Изобретение распространяет свои права на двигатели внутреннего сгорания с любым числом цилиндров.

Каждый поршень 2 имеет компрессионные и маслосъемные кольца 3 и 4 соответственно (фиг.3). Цилиндры 1 выполнены заодно с корпусом 5, имеющим поддон 6 для масла 7. Над цилиндрами 1 установлена головка цилиндров 8, между ними установлена прокладка 9. Двигатель имеет коленчатый вал 10, систему газораспределения 11, выполненную в головке цилиндров 8.

Система газораспределения 11 содержит систему впуска топливовоздушной смеси 12 и систему выпуска выхлопных газов 13 и распределительный вал 14. Распределительный вал 14 выполнен с кулачками 15 и установлен на подшипниках 16 в корпусе 17 (фиг.2).

Кроме того, в систему впуска топливовоздушной смеси 12 (фиг.3) входят впускное (впускные) отверстиие(я) 18 и впускной (впускные) клапан(на) 19, выполненные в головке цилиндров 8 и выходящие в камеры сгорания 20, а в систему выпуска выхлопных газов 13 (фиг.4) входит выпускное отверстие (отверстия) 21, выполненное (выполненные) в головке цилиндров 8, в которых установлены выпускные клапаны 22.

Поршни 2 связаны с коленчатым валом 10 шатунами 23, в которых установлены пальцы 24 (фиг.5). Шатуны 23 имеют шатунные подшипники 25. Коленчатый вал 10 установлен на коренных подшипниках 26 и уплотнен уплотнениями 27. Внутри коленчатого вала 10 выполнены маслоканалы 28.

В систему газораспределения 11 входят ведущая звездочка 29 и ведомая звездочка 30, соединенные цепью (или ремнем) 31. Диаметр ведомой звездочки 30 в 2 раза больше диаметра ведущей звездочки 29. За два оборота коленчатого вала 10 распределительный вал 14 совершает всего один оборот.

Около бокового участка цепи 31 установлен натяжитель цепи 32 (фиг.1).

Кроме того, двигатель оборудован системой зажигания, которая содержит свечи лазерного воспламенения 33 по числу цилиндров 1, соединенные оптическим волокном 34 с блоком накачки 35. Свечи лазерного воспламенения 33 при потреблении меньшей мощности дают кратковременные разряды огромной мощности (несколько МВт.)

Свеча лазерного воспламенения 33 установлена под углом к оси впускного клапана 19 таким образом, что фокус Ф находится под впускным клапаном 19 (фиг.6 и 7). В результате такого расположения свечи лазерного воспламенения 33 воспламенение топливовоздушной смеси будет производиться в «застойной» зоне за впускным клапаном 19, где скорости потока топливовоздушной смеси невелики, а это благоприятно сказывается на воспламенении, так как легче прогреть объем, в котором массообмен практически не осуществляется. При этом следует иметь в виду, что на всех четырехтактных двигателях фазы впуска и выпуска пересекаются (фиг.8) и момент зажигания ОЗ (опережение зажигания) приходится на открытое положение впускного клапана 19 (фиг.8).

Двигатель может быть оборудован блоком управления зажиганием 36, который электрической связью 37 соединен с блоком накачки 35. Для питания блока накачки 35 электроэнергией предусмотрен источник энергии 38 (фиг.1), который электрическими связями 37 соединен с блоком управления зажиганием 36, а для регулирования мощности лазерного луча между источником энергии 38 и блоком накачки 35 подключен регулятор мощности 39, который имеет возможность изменять мощность энергии лазерного импульса, частоты и фазу.

Система впуска топливовоздушной смеси 12 содержит впускной патрубок 40 и дроссельную заслонку 41 (фиг.1 и 2).

Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 выполнена полость 42 для охлаждения цилиндров 1.

Система охлаждения двигателя содержит отводящий трубопровод 43, насос 44, промежуточный трубопровод 45, радиатор 46 и подводящий трубопровод 47 (фиг.1).

Двигатель оборудован датчиком давления топливной смеси 48. Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения коленчатого вала 49, датчиком углового положения коленчатого вала 50, датчиком числа оборотов коленчатого вала 51 (для определения четного или нечетного оборота коленчатого вала) и датчиком углового положения распределительного вала 52, соединенными электрическими связями 37 с блоком управления зажиганием 36 (фиг.1).

Применение систем лазерного зажигания, например, на микрочипе-лазере позволит кратковременно развивать мощность разряда в несколько МВт при малом потреблении энергии, так как в них можно реализовать длительность импульса энергии в несколько нс.

Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком углового положения дроссельной заслонки 53 и датчиком разрежения за дроссельной заслонкой 54. Датчики 53 и 54 электрическими связями 37 соединены с блоком управления 36 (фиг.1). Это позволит скорректировать опережение зажигания при работе с минимальной нагрузкой на высоких оборотах коленчатого вала 10 для экономии топлива.

В связи с тем что потребная мощность лазерного излучения для воспламенения топлива зависит от температуры окружающее среды (воздуха в системе впуска топливовоздушной смеси 12), целесообразно установить датчик температуры воздуха 55 перед дроссельной заслонкой 41.

Свеча лазерного воспламенения 33 (фиг.6) содержит корпус 56 с полостью 57, в которой установлен микрочип-лазер 58. Полость 57 корпуса 56 соединена отверстием 59 с камерой сгорания 20 в цилиндре 1. Внутри корпуса 56 установлена вакуумная трубка 60 с фокусирующей линзой 61 на конце. Другой конец вакуумной трубки 61 соединен с микрочипом-лазером 58. Микрочип-лазер - это лазер, в котором активный кристалл, затвор для модуляции добротности и зеркала резонатора представляют собой единый твердотельный элемент.

Микрочип-лазер 58 оптическим волокном 34 соединен с блоком накачки 35 (фиг.1). Фокусирующая линза 61 углублена относительно торца вакуумной трубки 60 и торец этой трубки закрыт пластиной 62 с отверстием 63 для вывода лазерного луча. Диаметр отверстия 63 составляет от 2 до 4 мм и всегда меньше внутреннего диаметра вакуумной трубки 60. Отверстие 63 закрыто герметичным оптическим окном 64. Таким образом, между пластиной 62 и фокусирующей линзой 61 образуется камера, предохраняющая фокусирующую линзу 61 от загрязнения и воздействия высоких температур.

Корпус 56 свечи лазерного воспламенения 33 (фиг.9) содержит цилиндрическую стенку 65 и днище 66. На днище 66 выполнен резьбовой участок 67 и упомянутое ранее отверстие 63 для прохода вакуумной трубки 60, которая уплотнена уплотнением 68. Сверху корпус 56 закрыт крышкой 69, имеющей осевое отверстие 70 для вывода оптического волокна 35, которое уплотнено уплотнением 71, поджато гайкой 72 с центральным отверстием 73. Крышка 69 уплотнена относительно корпуса 56 уплотнением 74.

Микрочип-лазер 58 и вакуумная трубка 60 установлены внутри амортизирующего устройства 75 (фиг.7 и 10).

Наиболее предпочтительно амортизирующее устройство 75 выполнить в виде тросового виброизолятора, который обладает очень большой эффективностью виброгашения. Тросовый виброизолятор (фиг.8…11) содержит концентрично и соосно размещенные друг над другом нижнюю и верхнюю обоймы, соответственно 76 и 77, выполненные в виде дисков и соединенные упругим тросовым элементом 78. Верхняя и нижняя обоймы 76 и 77 имеют по n лучей 79, в отверстия 80 которых попеременно защемлен тросовый элемент 78. В верхней обойме 77 выполнено центральное отверстие 81. Тросовый элемент 78 в свою очередь свит из винтовых прядей троса 82, например из 7 прядей одной центральной и шести периферийных (фиг.12). Нижняя обойма 76 жестко связана с корпусом 56, например жестко прикреплена к его днищу 66, а верхняя обойма 76 установлена с возможностью осевого и радиального перемещения в корпусе 56. В центральном отверстии 81 верхней обоймы 77 установлен микрочип-лазер 58.

Кроме тросового виброизолятора возможно применение и других более эффективных амортизирующих устройств 75, например, из металловолокнистого пористого материала (такой вариант на фиг.1…22 не показан).

Если применена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения 33, то она содержит кольцевую полость 83, выполненную концентрично полости 57. С этой полостью сообщаются входной и выходной штуцеры 84 и 85 соответственно (фиг.13 и 14).

Возможны различные варианты охлаждения свечи лазерного воспламенения 33 (фиг.14…17).

На фиг.14 приведен первый вариант схемы охлаждения с использованием системы охлаждения двигателя.

К входному штуцеру 84 присоединен входной трубопровод 86, другой конец которого соединен с входом в насос 44, а к выходному штуцеру 85 присоединен входной трубопровод 87, другой конец которого присоединен к выходу из радиатора 46 (фиг.14). Таким образом, системы охлаждения двигателя и свеч лазерного воспламенения 33 объединены и в них используется жидкий охладитель: вода или антифриз. Системы охлаждения цилиндров 1 и свеч лазерного зажигания имеют общий расширительный бачок 88.

Во втором варианте (фиг.15) система охлаждения свеч лазерного воспламенения выполнена независимой со сбросом охлаждающей жидкости в атмосферу. Эта система содержит бачек 89 с охлаждающей жидкостью, трубопровод низкого давления 90, соединяющий бачок 89 с насосом 91 и трубопровод высокого давления 92, соединяющий насос 91 с входным штуцером 84. Кроме того, к выходному штуцеру 85 присоединен трубопровод сброса 93.

На фиг.16 приведен третий вариант системы охлаждения свечи лазерного воспламенения 33. Он отличается тем, что вместо трубопровода сброса 93 в корпусе 56 свечи лазерного воспламенения 33, точнее в ее резьбовом участке 67 выполнен канал 94, соединяющий полость 83 и камеру сгорания 20 внутри цилиндра 1 для сброса охладителя в полость цилиндра 1.

На фиг.17 приведена свеча лазерного воспламенения с форкамерой 95. В этом случае свеча лазерного воспламенения 33 имеет фокус «Ф» внутри форкамеры 95. Кроме того, свеча лазерного воспламенения 33 установлена таким образом, что ее ось пересекается с цилиндрическим объемом 96, диаметр которого D равен диаметру впускного клапана 19, под впускным клапаном 19 в точке поз.«П». Форкамера 95 может быть выполнена любой конструкции. Предпочтительно организавать подвод топлива внутрь нее. Кроме того, форкамера 95 может быть выполнена с системой ее охлаждения. Система охлаждения форкамеры 95 может быть совмещена с системой охлаждения свечи лазерного воспламенения 33. Форкамера 95 значительно увеличивает энергию воспламеняющего импульса и может быть применена на двигателях большой мощности.

Циклограмма работы двигателя показана на фиг.18…21. Линией 97 (фиг.18) показаны импульсы энергии воспламенения свечи лазерного зажигания 33. Видно, что первый импульс подается в фазе сжатия до ее завершения (момент опережения зажигания), а потом периодически подаются импульсы во время фазы расширения и возможно до ее завершения. При этом мощность импульса дожигания по мере завершения выхлопа может уменьшаться ступенчато - поз.98 (фиг.19) или плавно - поз.99 (фиг.20), так как воспламенение недогоревшего топлива при высокой температуре не требует большой энергии.

Если в двигателе применена система предварительного подогрева топливовоздушной смеси, то свеча лазерного зажигания 33 до момента опережения зажигания работает в режиме пониженной мощности 10%…50% от номинальной мощности (поз.100 на фиг.22).

При изменении температуры окружающей среды (воздуха) изменяется мощность импульсов подогрева, например при увеличении - уменьшается (поз.101 на фиг.22).

Работает двигатель следующим образом.

Топливовоздушная смесь (фиг.2 и 3) подается из впускного патрубка 40 по системе впуска топливовоздушной смеси 12 (Фиг.3) через впускное отверстие 18 (при открытом впускном клапане 19) в камеру сгорания 20. При этом первый поршень 2 находится в верхней мертвой точке ВМТ и начинает движение вниз, работая в режиме впуска топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания 20 первого цилиндра 1. Система выхлопа 13 первого цилиндра 1 в это время закрыта. В это же время для второго цилиндра 1 впускное отверстие 18 закрыто впускным клапаном 19. Продукты сгорания из второго цилиндра 1 поступают в систему выхлопа 13 через выпускное отверстие 21 (при открытом выпускном клапане 22). После того как коленчатый вал 10 совершит пол-оборота, произойдет сжатие топливовоздушной смеси в камере сгорания 20 и блок управления зажиганием 36 по электрической связи 37 подает сигнал на блок накачки 35, в котором формируется лазерное излучение, которое по оптическому волокну 34 подается на свечу лазерного воспламенения 33 первую серию импульсов для воспламенения топливовоздушной смеси.

Датчик давления топливной смеси 49 постоянно контролирует степень сжатия топливовоздушной смеси и позволяет определить оптимальный момент ее воспламенения (опережение зажигания) и контролировать сбои работы системы воспламенения в каждом цилиндре 1.

Датчик частоты вращения коленчатого вала 50 контролирует частоту вращения коленчатого вала 10, датчик числа оборотов 51 - общее число, а датчик углового положения распределительного вала 51 постоянно измеряет угловое положение распределительного вала 14 и в зависимости от этих показателей блок управления зажиганием 36 подает команды на блок накачки 35 для подачи импульса на свечи лазерного воспламенения 33.

Кроме того, датчик углового положения распределительного вала 52 определяет истинное угловое положение распределительного вала 14, которое может, во-первых, не соответствовать угловому положению коленчатого вала 10, во-вторых, они могут расходиться и между собой, например, при вытяжке цепи 31 или ее проскальзывании относительно звездочек 29 и 30 и блок управления зажиганием 36 вносит коррекцию в угол опережения зажигания в соответствии с истинным положением распределительного вала 14, а не в соответствии с положением коленчатого вала 10.

Предложенное техническое решение позволит более четко подавать импульсы на свечи лазерного воспламенения 33 и корректировать опережение зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 10. Кроме того, при вытягивании цепи 31 или ее проскальзывании относительно ведомой звездочки 30 осуществляется коррекция момента опережения зажигания. Сравнивая показания датчиков углового положения коленчатого вала 50 и датчика углового положения распределительного вала 52, блок управления зажиганием 36 определяет разницу между расчетным и фактическим положением распределительного вала 14 и корректирует угол опережения зажигания.

Наличие системы лазерного воспламенения позволит четко и многократно подавать импульсы на свечи лазерного воспламенения 33, начиная с угла опережения зажигания (до ВМТ) и до полного завершения цикла расширения, что повысит полноту сгорания топлива и, как следствие, повысит КПД четырехтактного двигателя и уменьшит эмиссию вредных веществ в атмосферу. Это поясняется на фиг.18…22. Порядок работы цилиндров 1 следующий: Всасывание - Сжатие - Рабочий ход - Выпуск. Импульсы 97 на свечи лазерного воспламенения 33 подают, начиная с угла опережения зажигания (до ВМТ) и до полного завершения цикла Выпуска.

Целесообразно мощность импульсов свеч лазерного воспламенения 33 уменьшать по мере завершения фазы Выпуска (фиг.19 и 20). Это не только позволит сэкономить энергию, затрачиваемую на зажигание, но и облегчит работу микрочипа-лазера 58 и предотвратит его перегрев. При этом возможны два варианта уменьшения энергии импульсов: ступенчатое (поз.98 на фиг.19) или плавное (поз.99 на фиг.20).

Если применен предварительный подогрев топливовоздушной смеси (фиг.21 и 22), то перед моментом опережения зажигания на свечу лазерного зажигания 33 подают импульсы подогрева 100, энергия которого составляет 10%…50% от энергии, необходимой для воспламенения топливовоздушной смеси (поз.92). Это, с одной стороны, исключит преждевременное воспламенение топливовоздушной смеси, а с другой стороны, подготовит ее для гарантированного воспламенения в необходимый момент.

При изменении температуры окружающей среды необходимо корректировать мощность импульсов в сторону увеличения при низких температурах и в сторону уменьшения при высоких температурах (поз.101 на фиг.22).

В случае установки свеч лазерного воспламенения 33 на мощных двигателях внутреннего сгорания на корпус 5 двигателя, а особенно на ЖРД или ГТД, учитывая, что в них установлен микрочип-лазер 58 и оптика, на ответственные детали свечи действует огромная виброназрузка. В случае применения амортизирующего устройства 75 в виде тросового виброизолятора вибронагрузка на микрочип-лазер 58 уменьшается в десятки и сотни раз (фиг.10…13). Тросовый виброизолятор эффективен в широком диапазоне частот в отличие от других типов демпферов. Возможно применение средства демпфирования, выполненного в виде втулки из металловолокнистого пористого материала (на фиг.1…22 такой вариант не показан).

Возможно несколько вариантов исполнения охлаждения свеч лазерного воспламенения (фиг.14…16).

По первому варианту охлаждение свеч лазерного воспламенения 33 (фиг.14) производится подачей относительно холодного охладителя, который отбирается после радиатора 46 и по подающему трубопроводу 87 поступает во входной штуцер 84 и далее в полость 83. Охладитель возвращается через выходной штуцер 85 и выходной трубопровод 87 на вход насоса 44 и далее в радиатор 46 (фиг.14). Совмещение систем охлаждения цилиндров 1 двигателя и свеч лазерного воспламенения 33 позволило упростить систему охлаждения и повысить ее надежность.

По второму варианту (фиг.15) с применением независимой системы охлаждения свечи лазерного воспламенения 33 предложено охладитель, например воду из бачка 89, по трубопроводу низкого давления 90 насосом 91 по трубопроводу высокого давления 92 и далее через входной штуцер 84 подавать в полость 83, где он охлаждает свечу лазерного воспламенения 33 и через выходной штуцер 85 и трубопровод сброса 93 сбрасывается в атмосферу.

В третьем варианте (фиг.16) охлаждающая жидкость сбрасывается по каналу 94, выполненному в корпусе 56 свечи лазерного зажигания 33 в камеру сгорания 20 цилиндра 1.

Технология полного дожигания топливовоздушной смеси в камерах сгорания 20 цилиндров 1 приведена на фиг.18 и 20, на фиг.21 и 22 поз.100 показан подогрев топливовоздушной смеси перед ее воспламенением. При этом мощность импульсов подогрева 101 может быть уменьшена при повышении температуры атмосферного воздуха и наоборот.

Применение группы изобретений позволило:

1. Повысить надежность системы зажигания.

2. Повысить КПД двигателя.

3. Уменьшить эмиссию вредных веществ при работе двигателя внутреннего сгорания за счет более полного сжигания топлива.

4. Уменьшить вибронагрузки на микрочип-лазер и оптику.

5. Повысить надежность системы зажигания

- за счет предотвращения загрязнения фокусирующей линзы установкой ее внутри камеры с отверстием минимально-возможного диаметра и применения герметичного оптического окна,

- за счет применения системы охлаждения свеч зажигания.

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания: поршневых и роторных, работающих на жидком или газообразном углеводородном топливе.

Техническим результатом является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологических свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности.

Решение указанных задач достигнуто в способе лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, путем подачи импульса тепловой энергии в локальную зону во внутреннем объеме цилиндра в момент, соответствующий оптимальному углу опережения зажигания и воспламенения топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что подачу импульса тепловой энергии осуществляют в локальную зону, размещенную под впускным клапаном. Воспламенение может быть осуществлено при помощи луча лазера, исходящего от свечи лазерного воспламенения, содержащей микрочип-лазер, герметичное оптическое окно, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус которой находится под впускным клапаном. Решение указанных задач достигнуто в устройстве для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, отличающемся тем, что применена, по меньшей мере, одна свеча лазерного воспламенения, содержащая микрочип-лазер, вакуумную трубку, фокусирующую линзу и герметичное оптическое окно, а микрочип-лазер соединен оптическим волокном с блоком накачки. Фокус лазерного луча фокусирующей линзы может находиться под впускным клапаном. Свеча лазерного воспламенения может быть установлена на форкамере, а фокус лазерного луча находится внутри форкамеры. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания может содержать источник энергии, блок управления зажиганием и блок накачки, соединенные электрическими связями, причем блок накачки выполнен с возможностью регулирования мощности излучения импульсов накачки, а также частоты следования и фазы. Свеча лазерного воспламенения в составе устройства может содержать внутри корпуса средство демпфирования вибраций.

Решение указанных задач достигнуто в свече лазерного воспламенения, содержащей корпус, внутри которого установлены микрочип-лазер, соединенный вакуумной трубкой с фокусирующей линзой на торце, и герметичное оптическое окно, тем, что согласно изобретению внутри корпуса установлено средство демпфирования. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, путем подачи импульса тепловой энергии в локальную зону во внутреннем объеме цилиндра в момент, соответствующий оптимальному углу опережения зажигания и воспламенения топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что подачу импульса тепловой энергии осуществляют в локальную зону, размещенную под впускным клапаном.

2. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что воспламенение осуществляют при помощи луча лазера, исходящего от свечи лазерного воспламенения, содержащей микрочип-лазер, герметичное оптическое окно, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус которой находится под впускным клапаном.

3. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что воспламенение осуществляют при помощи луча лазера, исходящего от свечи лазерного воспламенения, установленной над форкамерой и содержащей микрочип-лазер, герметичное оптическое окно, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус лазерного луча которой находится внутри форкамеры, а ось свечи лазерного зажигания пересекается с локальной зоной под впускным клапаном.

4. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что подачу импульса тепловой энергии продолжают вплоть до завершения фазы выпуска продуктов сгорания.

5. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.4, отличающийся тем, что мощность лазерного излучения уменьшают по мере завершения фазы выпуска продуктов сгорания.

6. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что перед воспламенением топливовоздушную смесь подогревают импульсами лазерного излучения, но при этом его энергию импульсов уменьшают по сравнению с энергией, потребной для воспламенения.

7. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию угла опережения зажигания в зависимости от истинного угла поворота распределительного вала.

8. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что управление моментом зажигания осуществляют по сигналу давления топливной смеси.

9. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию энергии лазерных импульсов в зависимости от температуры воздуха перед дроссельной заслонкой.

10. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащее, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, отличающееся тем, что применена, по меньшей мере одна свеча лазерного воспламенения, содержащая микрочип-лазер, вакуумную трубку, фокусирующую линзу и герметичное оптическое окно, а микрочип-лазер соединен оптическим волокном с блоком накачки.

11. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что фокус лазерного луча фокусирующей линзы находится под впускным клапаном.

12. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что свеча лазерного воспламенения установлена на форкамере, а фокус лазерного луча находится внутри форкамеры.

13. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что корпус свечи лазерного воспламенения выполнен из теплопроводного материала и находится в тепловом контакте с охлаждаемыми деталями двигателя.

14. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что свеча лазерного воспламенения выполнена охлаждаемой и соединена с системой охлаждения двигателя.

15. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что оно содержит источник энергии, блок управления зажиганием и блок накачки, соединенные электрическими связями, причем блок накачки выполнен с возможностью регулирования мощности излучения импульсов накачки, а также частоты следования и фазы.

16. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что оно содержит датчики частоты вращения коленчатого вала, углового положения коленчатого вала, числа оборотов коленчатого вала и углового положения распределительного вала, соединенные электрическими связями с блоком управления зажиганием.

17. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что оно содержит датчики углового положения дроссельной заслонки и разрежения за ней.

18. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что оно содержит датчик температуры воздуха перед дросселем.

19. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что свеча лазерного воспламенения содержит внутри корпуса средство демпфирования вибраций.

20. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п.10, отличающееся тем, что средство демпфирования вибраций выполнено в виде тросового виброизолятора.

21. Свеча лазерного воспламенения, содержащая корпус, внутри которого установлен микрочип-лазер, соединенный вакуумной трубкой с фокусирующей линзой на торце, и герметичное оптическое окно, отличающаяся тем, что внутри корпуса установлено средство демпфирования.

22. Свеча по п.21, отличающаяся тем, что средство демпфирования выполнено в виде тросового виброизолятора.

23. Свеча по п.22, отличающаяся тем, что тросовый виброизолятор выполнен в виде нижней обоймы, жестко закрепленной в корпусе, и верхней обоймы, установленной в корпусе с возможностью осевого и радиального перемещения, в центральном отверстии которой установлен микрочип-лазер, а обоймы соединены между собой тросовым элементом.

24. Свеча по п.23, отличающаяся тем, что тросовый элемент выполнен из винтовых прядей троса.

25. Свеча по п.21, отличающаяся тем, что средство демпфирования выполнено в виде втулки из металловолокнистого пористого материала.