СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ И ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F02P23/04 

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения топлива в дизельных двигателях, работающих на жидком и газообразном топливе, как поршневых, так и роторных. Воспламенитель, содержащий форкамеру и свечу лазерного воспламенения, кроме того, может быть установлен на газотурбинных двигателях - ГТД и жидкостных ракетных двигателях - ЖРД и на других энергетических установках.

Известна система зажигания камеры двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2124792, МПК F02P 3/04, 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 вдоль изолятора нанесены, частицы металла вставлялись в керамическом материале или отверстиях в керамическом материале. Электрически поведение элементов уменьшает вредное действие дуги в течение действия свечи и таким образом улучшает качество зажигания.

Недостаток - относительно низкая энергия импульса.

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 способа и устройства.

Эта система 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.

Известен воспламенитель по заявке США №2009159031, МПК F02P 23/04, опубл. 25.02.2009 г., прототип воспламенителя. Этот воспламенитель содержит форкамеру и лазерную свечу. Недостаток ненадежное воспламенение при малой мощности лазера.

Задачей создания группы изобретений, совпадающей с 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 дизельном двигателе, содержащем по меньшей мере один цилиндр, впускной и выпускной клапаны, форсунку и воспламенитель, путем подачи импульса лазерного излучения в точку фокусировки во внутреннем объеме цилиндра в момент, который соответствует углу опережении зажигания, который соответствует углу опережения впрыска топлива, и воспламенение топливовоздушной смеси, тем, что согласно изобретению подачу импульса тепловой энергии осуществляют при помощи воспламенителя, содержащего свечу лазерного воспламенения и форкамеру, направлением факела в сторону форсунки. Подачу импульса тепловой энергии начинают до момента опережения впрыска топлива и продолжают до завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Мощность лазерного излучения может уменьшаться по мере завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Перед воспламенением топлива в дизельном двигателе его воспламеняют в форкамере лазерным излучением, создаваемым микрочип-лазером. Возможно осуществление коррекции угла опережения впрыска топлива в зависимости от истинного угла поворота распределительного вала. Возможно осуществление коррекцию мощности лазерного луча свеч в зависимости от температуры воздуха. Возможно осуществление коррекцию мощности лазерного луча свеч в зависимости от давления воздуха после нагнетателя.

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 воспламенитель с форкамерой и свечой зажигания, тем, что согласно изобретению применена свеча лазерного воспламенения, содержащая микрочип-лазер, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус которой находится под впускным клапаном, при этом микрочип-лазер соединен оптическим волокном с блоком накачки. Воспламенитель может быть выполнен охлаждаемым и соединен с системой жидкостного охлаждения. Устройство может содержать блок управления, блок накачки, источник энергии, соединенные электрическими связями, а также регулятор мощности лазера, который установлен между источником энергии и блоком накачки. Устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе 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. Устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе может содержать датчик давления топлива.

Решение указанных задач достигнуто в воспламенителе, содержащем форкамеру, выполненную в виде цилиндрического корпуса с цилиндрической полостью и выходным отверстием на торце, и свечу лазерного воспламенения, содержащую, в свою очередь, корпус и фокусирующую линзу, тем, что внутри корпуса установлен микрочип-лазер, а фокус свечи лазерного воспламенения расположен около боковой стенки форкамеры на расстоянии 0,1…0,2 от внутреннего диаметра форкамеры. Фокусировка свечи лазерного воспламенения может быть выполнена за счет выполнения осей свечи лазерного воспламенения и форкамеры под углом. Фокусировка свечи лазерного воспламенения может быть выполнена за счет выполнения оптической оси фокусирующей линзы по углом к оси свечи лазерного воспламенения. Внутри корпуса может быть установлено средство демпфирования. Средство демпфирования может быть выполнено из металлорезины. Средство демпфирования может быть 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. Корпус свечи лазерного воспламенения может быть выполнен охлаждаемым. На корпусе свечи лазерного воспламенения могут быть выполнены продольные ребра. Внутри корпуса свечи лазерного воспламенения может быть выполнена кольцевая полость, к которой присоединены подводящий и отводящий патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…27, где

- на фиг. 1 приведен вид дизельного двигателя с торца,

- на фиг. 2 приведен воспламенитель, упрощенная схема,

- на фиг. 3 приведен разрез А-А,

- на фиг. 4 приведен разрез В-В,

- на фиг. 5 приведен вид С-С,

- на фиг. 6 приведен разрез D-D,

- на фиг. 7 приведена схема взаимной компоновки впускного клапана, выпускного клапана и воспламенителя,

- на фиг. 8 приведена схема взаимной компоновки впускного клапана и воспламенителя,

- на фиг. 9 приведена диаграмма фаз газораспределения,

- на фиг. 10 приведен воспламенитель,

- на фиг. 11 приведена свеча лазерного воспламенения с демпфером из металлорезины,

- на фиг. 12 приведена свеча лазерного воспламенения с тросовым демпфером,

- на фиг. 13 приведена форкамера,

- на фиг. 14 приведена форкамера, второй вариант,

- на фиг. 15 приведена форкамера, третий вариант,

- на фиг. 16 приведена схема установки фокусирующей линзы,

- на фиг. 17 приведен виброизолятор,

- на фиг. 18 приведена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения, воздушное (конвективное охлаждение),

- на фиг. 19 приведена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения, жидкостное охлаждение,

- на фиг. 20 приведен первый вариант схемы жидкостного охлаждения свечи,

- на фиг.21 приведен второй вариант схемы жидкостного охлаждения свечи,

- на фиг.22 приведен третий вариант жидкостного охлаждения свечи,

- на фиг.23 приведен первый вариант работы системы лазерного воспламенения,

- на фиг.24 приведен второй вариант работы воспламенителя,

- на фиг.25 приведен третий вариант работы воспламенителя,

- на фиг.26 приведена циклограмма работы зажигания с подогревом,

- на фиг.27 приведено изменение подогрева от температуры воздуха.

Дизельный двигатель (в дальнейшем - двигатель) содержит (фиг.1…27) по меньшей мере один цилиндр 1 и установленный в нем поршень 2.

В дальнейшем описание приведено на примере двухцилиндрового дизельного двигателя. Изобретение распространяет свои права на дизельные двигатели с любым числом цилиндров и с любым их расположением.

Каждый поршень 2 имеет компрессионные и маслосъемные кольца 3 и 4 соответственно. 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 воздуха 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.3…5).

Кроме того, в систему впуска топливовоздушной смеси 12 (фиг.3…5) входят впускные отверстия 18 и впускные клапаны 19, выполненные в головке цилиндров 8 и выходящие в камеры сгорания 20, а в систему выпуска выхлопных газов 13 (фиг.4) входят выпускные отверстия 21, выполненные в головке цилиндров 8, в которых установлены выпускные клапаны 22. В головке цилиндров 8 установлен воспламенитель 23, содержащий свечу лазерного воспламенения 24 и форкамеру 25 (фиг.2) При этом свеча лазерного воспламенения 24 соединена оптическим волокном 26 с блоком накачки 27.

Двигатель содержит топливные форсунки 28 (по числу цилиндров 1), выходящие в камеры сгорания 20 (фиг.1), и топливный насос 29, который топливопроводами высокого давления 30 соединен с топливными форсунками 28. К каждому топливопроводу высокого давления 30 присоединена топливная трубка 31, другой конец которой соединен с входным патрубком 32 воспламенителя 23.

Поршни 2 связаны с коленчатым валом 10 шатунами 33 (фиг.3…6), в которых установлены пальцы 34. Шатуны 33 имеют шатунные подшипники 35. Коленчатый вал 10 установлен на коренных подшипниках 36 и уплотнен уплотнениями 37. Внутри коленчатого вала 10 выполнены маслоканалы 38.

В систему газораспределения 11 входят ведущая звездочка 39 и ведомая звездочка 40, соединенные цепью (или ремнем) 41. Диаметр ведомой звездочки 40 в 2 раза больше диаметра ведущей звездочки 39. За два оборота коленчатого вала 10 распределительный вал 14 совершает всего один оборот.

Двигатель может быть оборудован блоком управления 42, который электрической связью 43 соединен с блоком накачки 25. Для питания блока накачки 27 электроэнергией предусмотрен источник энергии 44, который электрическими связями 43 соединен с блоком управления 42, а для регулирования мощности лазерного луча между источником энергии 44 и блоком накачки 25 подключен регулятор мощности 45.

Система впуска воздуха 12 содержит впускной патрубок 46 и может содержать турбонаддув 47.

Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 и цилиндрами 1 выполнена полость 48 для охлаждения цилиндров 1 (фиг. 1). В систему охлаждения двигателя входят отводящий трубопровод 49, соединенный с полостью 48, насос 50, промежуточный трубопровод 51, радиатор 52 и подводящий трубопровод 53.

Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения коленчатого вала 54, датчиком углового положения коленчатого вала 55, датчиком числа оборотов коленчатого вала 56 (для определения четного или нечетного оборота коленчатого вала) и датчиком углового положения распределительного вала 57, соединенными электрическими связями 43 с блоком управления 42 (фиг. 1).

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

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 58.

Для контроля работы турбонаддува 47 применен датчик давления 59. Для контроля топливного насоса 29 применен датчик давления топлива 60.

На фиг. 7 и 8 представлена схема установки воспламенителя 23 на двигателе. Предпочтительно воспламенитель 23 установить таким образом, чтобы его ось O1O1 пересекалась с продольной осью топливной форсунки 28 для воспламенения топлива в локальной зоне 61.

Свеча лазерного воспламенения 24 включается одновременно с подачей топлива в топливную трубку 31 или до этого момента. При этом следует иметь в виду, что на всех дизельных двигателях фазы впуска и выпуска пересекаются (фиг. 9) и момент ОВТ (опережение впрыска топлива) приходится на открытое положение впускного клапана 19.

На фиг. 10 приведена схема компоновки свечи лазерного воспламенения 24 и форкамеры 25. Свеча лазерного воспламенения 24 содержит резьбовой участок 62, при помощи которого она ввинчивается в корпус 63 форкамеры 25. Между свечой лазерного воспламенения 24 и форкамерой 25 установлена уплотнительная прокладка 64. На корпусе 63 выполнен резьбовой участок 65 для ввинчивания в головку цилиндров 8.

На фиг. 11 и 12 приведена более детальная схема двух вариантов свечи лазерного воспламенения 24.

Свеча лазерного воспламенения 24 (фиг. 11 и 12) содержит корпус 66 цилиндрической формы с полостью 67 тоже цилиндрической формы, в которой установлен микрочип-лазер 68. Полость 67 корпуса 66 соединена отверстием 69 с камерой сгорания 20 в цилиндре 1. Внутри корпуса 66 установлена вакуумная трубка 70 с фокусирующей линзой 71 на конце. Другой конец вакуумной трубки 70 соединен с микрочип-лазером 68. Микрочип-лазер 68 оптическим волокном 26 соединен с блоком накачки 27.

Корпус 66 свечи лазерного воспламенения 24 (фиг. 11) содержит цилиндрическую стенку 72 и днище 73. На днище 73 выполнен резьбовой участок 74 и упомянутое ранее отверстие 69 для прохода вакуумной трубки 70, которая уплотнена уплотнением 74. Сверху корпус 66 закрыт крышкой 75, имеющей осевое отверстие 76 для вывода оптического волокна 26, которое уплотнено уплотнением 77, поджато гайкой 78 с центральным отверстием 79. Крышка 75 уплотнена относительно корпуса 66 уплотнением 80.

Микрочип-лазер 68 и вакуумная трубка 70 установлены внутри амортизирующего устройства 81 (фиг. 11 и 12).

Возможны различные варианты исполнения амортизирующего устройства 81, например в виде втулки 82 из металлорезины (фиг. 11).

Наиболее предпочтительно амортизирующее устройство 81 выполнить в виде тросового виброизолятора 83 (фиг. 12), который обладает очень большой эффективностью виброгашения. Тросовый виброизолятор 83 (фиг. 17) содержит концентрично и соосно размещенные друг над другом нижнюю и верхнюю обоймы, соответственно 84 и 85, выполненные в виде дисков и соединенные упругим тросовым элементом 86. Верхняя и нижняя обоймы 84 и 85 имеют по n лучей 87, в отверстия 88 которых попеременно защемлен тросовый элемент 86. В верхней обойме 85 выполнено центральное отверстие 89. Тросовый элемент 86, в свою очередь, свит из винтовых прядей троса, например из 7 прядей одной центральной и шести периферийных. Нижняя обойма 84 жестко связана с корпусом 66, например жестко прикреплена к его днищу 73, а верхняя обойма 85 установлена с возможностью осевого и радиального перемещения в корпусе 66. В центральном отверстии 89 верхней обоймы 85 установлен микрочип-лазер 68 (фиг. 12).

Форкамера 25 (фиг. 13) выполнена в виде цилиндрического корпуса 90 с цилиндрической полостью 91 вдоль его оси. На верхнем торце 92 выполнено резьбовое отверстие 93 для установки свечи лазерного воспламенения 24, а на нижнем торце 94 - выходное отверстие 95, содержащее диффузорную часть 96 для увеличения диаметра воспламеняющего факела на выходе. Угол диффузора от 7 до 15 град выполнен из условия безотрывности потока в нем.

Для подвода топлива в цилиндрическую полость 91 применена система каналов, которая содержит первый и второй коллекторы 97 и 98, соединенные каналом 99, и обратный клапан 100. К первому коллектору 97 присоединен входной коллектор 62, а на внутренней стенке 101 выполнены тангенциальные отверстия 102, выходящие в цилиндрическую полость 92.

Особенностью воспламенителя 23 является то, что фокус лазерного луча находится вблизи от внутренней стенки 101, но не касается ее, т.е. выполнено соотношение:

D1=(08…0,9)D.

Это достигается одним из двух способов: или выполнением оси свечи лазерного воспламенения 24 под углом к оси форкамеры 25 (фиг. 14), или выполнением под углом оптической оси фокусирующей линзы 71 (фиг. 15 и 16).

В первом варианте (фиг. 14) между осями свечи лазерного воспламенения 24 и осью форкамеры 25 выполнен угол:

β=7…10 град.

Второй вариант выполнение оптической оси фокусирующей линзы 71 под углом к оси воспламенителя 23 (фиг. 15 и 16):

β=7…10 град.

Возможно применение охлаждаемых свеч лазерного воспламенения 24 (фиг. 18 и 19).

Вариант исполнения свечи лазерного воспламенения 24 с воздушным охлаждением (фиг 18). В этом варианте на корпусе 90 выполнены продольные ребра 103.

Если применена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения 24 жидкостного охлаждения (фиг. 19), то она содержит кольцевую полость 104, выполненную концентрично полости 67. С этой полостью сообщаются входной и выходной штуцеры 105 и 106 соответственно.

Возможны различные варианты схем охлаждения свечи лазерного воспламенения 24 (фиг. 20…22).

На фиг. 20 приведен первый вариант схемы охлаждения с использованием системы охлаждения двигателя.

К входному штуцеру 105 присоединен входной трубопровод 107, другой конец которого соединен с выходом из насоса 50, а к выходному штуцеру 106 присоединен выходной трубопровод 108, другой конец которого присоединен к выходу из теплообменника 52 (фиг. 18). Таким образом, системы охлаждения двигателя и свеч лазерного воспламенения 24 объединены и в них используется жидкий охладитель: вода или антифриз. Системы охлаждения цилиндров 1 и свеч лазерного воспламенения 24 имеют общий расширительный бачок 109.

Во втором варианте (фиг. 21) система охлаждения свеч лазерного воспламенения 24 выполнена независимой со сбросом охлаждающей жидкости в атмосферу. Эта система содержит бачок 110 с охлаждающей жидкостью, трубопровод низкого давления 111, соединяющий бачок 110 с насосом 112, и трубопровод высокого давления 113, соединяющий насос 112 с входным штуцером 105. Кроме того, к выходному штуцеру 106 присоединен трубопровод сброса 114.

На фиг. 22 приведен третий вариант. Он отличается тем, что вместо трубопровода сброса 114 в корпусе 66 свечи лазерного воспламенения 24, точнее в ее резьбовом участке 67, выполнен канал 115, соединяющий полость 104 и камеру сгорания 20.

Циклограмма работы двигателя показана на фиг. 21…25. Линией 116 (фиг. 23) показаны импульсы энергии воспламенения свечи лазерного воспламенения 24. 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. 117 (фиг. 24), или плавно, поз. 118 (фиг. 25), 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 24 до момента опережения зажигания работает в режиме пониженной мощности 10%…50% от номинальной мощности (поз. 119) на фиг. 26.

При изменении температуры окружающей среды (воздуха) изменяется мощность импульсов подогрева, например при увеличении - уменьшается (поз. 120) на фиг. 27.

Работает двигатель следующим образом.

Топливо (фиг. 1) подается из топливного насоса 29 по топливопроводу высокого давления 30 в топливную форсунку 28 и одновременно по топливной трубке 31 во входной коллектрор 32 воспламенителя 23. Воздух подается через впускные отверстия 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 42 по электрической связи 43 подает сигнал на блок накачки 27, в котором формируется лазерное излучение, которое по оптическому волокну 26 подает на свечу лазерного воспламенения 24 первую серию импульсов для воспламенения топливовоздушной смеси.

Датчик частоты вращения коленчатого вала 54 контролирует частоту вращения коленчатого вала 10, датчик числа оборотов 56 - общее число, а датчик углового положения коленчатого вала 55 постоянно измеряет угловое положение коленчатого вала 10 и в зависимости от этих показателей блок управления 42 подает команды на блок накачки 27 для подачи импульса на свечи лазерного воспламенения 24.

Кроме того, датчик углового положения 57 распределительного вала 14 определяет истинное угловое положение распределительного вала 14, которое может, во-первых, не соответствовать угловому положению коленчатого вала 10, во-вторых, расходиться и между собой, например, при вытяжке цепи 41 или ее проскальзывании относительно звездочек 39 и 40, и блок управления 42 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 24 и корректировать опережение зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 10. Кроме того, при вытягивании цепи 41 или ее проскальзывании относительно ведомой звездочки 40 осуществляется коррекция момента опережения зажигания. Сравнивая показания датчиков углового положения коленчатого вала 56 и распределительного вала 57 блок управления 42 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 24, 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.23…27. Порядок работы цилиндров 1 следующий: Всасывание - Сжатие - Рабочий ход - Выпуск. Импульсы 116 на свечи лазерного воспламенения 24 подают начиная с угла опережения зажигания, который соответствует углу опережения впрыска топлива ОВТ (до ВМТ), и до полного завершения рабочего хода.

Целесообразно мощность импульсов свеч лазерного воспламенения 24 уменьшать по мере завершения фазы выпуска (фиг.24 и 25), поз. 117 и 118. Это не только позволит сэкономить энергию, затрачиваемую на зажигание, но и облегчит работу микрочип-лазера, и предотвратит его перегрев.

Если применен предварительный подогрев топливовоздушной смеси (фиг.26 и 27), то перед моментом опережения зажигания (опережения впрыска топлива) на свечу лазерного зажигания подают импульс, энергия которого составляет 10%…50% от энергии, необходимой для воспламенения топливовоздушной смеси (поз.119). 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.120 на фиг.27.

В случае установки свечи лазерного зажигания 34 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 81 в виде тросового виброизолятора 83 вибронагрузка на микрочип-лазер 68 уменьшается в десятки и сотни раз. Тросовый виброизолятор 83 эффективен в широком диапазоне частот в отличие от других типов демпферов.

Возможно несколько вариантов исполнения охлаждения свеч лазерного воспламенения 24.

При применении воздушного охлаждения (фиг.18) ребра 103 отводят тепло от корпуса 90.

В случае применения жидкостного охлаждения (фиг.19) возможны три варианта.

Первый вариант

По первому варианту охлаждение свеч лазерного зажигания 24 (фиг.20) производится подачей относительно холодного охладителя, который отбирается после радиатора 52 и по входному трубопроводу 107 поступает в подводящий штуцер 1055 и далее в полость 104. Охладитель возвращается через отводящий штуцер 16 и выходной трубопровод 108 на вход насоса 50 и далее в радиатор 52. Совмещение систем охлаждения цилиндров 1 двигателя и свеч лазерного воспламенения позволило упростить систему охлаждения и повысить ее надежность.

Второй вариант

По второму варианту (фиг.21) с применением независимой системы охлаждения свечи лазерного воспламенения охладитель, например воду из бачка 110, по трубопроводу низкого давления 111 насосом 112 по трубопроводу высокого давления 113 и далее через подводящий штуцер 105 подается в полость 104, охлаждает свечу лазерного воспламенения 24 и через отводящий штуцер 106 и трубопровод сброса 114 сбрасывается в атмосферу.

В третьем варианте (фиг.22) охлаждающая жидкость сбрасывается по каналу 115, выполненному в корпусе 66 свечи лазерного воспламенения 24 в камеру сгорания 20 цилиндра 1.

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,

- за счет применения системы жидкостного охлаждения свеч зажигания.

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения. Задачей создания группы изобретений является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологических свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности. Подачу импульса тепловой энергии начинают до момента опережения впрыска топлива и продолжают до завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Мощность лазерного излучения может уменьшаться по мере завершения фазы выпуска. Перед воспламенением часть топлива воспламеняют в форкамере излучением, создаваемым микрочип-лазером. Возможно осуществление коррекции угла опережения впрыска топлива в зависимости от истинного угла поворота распределительного вала. Возможно осуществление коррекции мощности лазерного луча свечи в зависимости от температуры воздуха. Воспламенитель выполнен охлаждаемым и соединен с системой жидкостного охлаждения. Устройство может содержать блок управления, блок накачки, источник энергии, соединенные электрическими связями, а также регулятор мощности лазера, который установлен между источником энергии и блоком накачки. Внутри корпуса может быть установлено средство демпфирования. На корпусе свечи лазерного воспламенения могут быть выполнены продольные ребра. Внутри корпуса свечи лазерного воспламенения может быть выполнена кольцевая полость, к которой присоединены подводящий и отводящий патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 27 ил.

1. Способ лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе, содержащем по меньшей мере один цилиндр, впускной и выпускной клапаны, форсунку и воспламенитель, путем подачи импульса лазерного излучения в точку фокусировки во внутреннем объеме цилиндра, начиная с угла опережения зажигания, который соответствует углу опережения впрыска топлива, и воспламенения топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что подачу импульса лазерного излучения осуществляют при помощи воспламенителя, содержащего свечу лазерного воспламенения и форкамеру направлением факела в сторону форсунки.

2. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что мощность лазерного излучения уменьшают по мере завершения фазы выпуска продуктов сгорания.

3. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что перед воспламенением топлива в дизельном двигателе его воспламеняют в форкамере лазерным излучением, создаваемым микрочип-лазером.

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

5. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п. 1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию мощности лазерного луча свеч в зависимости от температуры воздуха.

6. Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п. 5, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию мощности лазерного луча свеч в зависимости от температуры воздуха после нагнетателя.

7. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и воспламенитель с форкамерой и свечой зажигания, при этом применена свеча лазерного воспламенения, содержащая микрочип-лазер и фокусирующую линзу, при этом микрочип-лазер соединен оптическим волокном с блоком накачки, отличающееся тем, что воспламенитель выполнен охлаждаемым и соединен с системой жидкостного охлаждения.

8. Устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе по п. 7, отличающееся тем, что воспламенитель выполнен охлаждаемым и соединен с системой жидкостного охлаждения.

9. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания по п. 7, отличающееся тем, что оно содержит блок управления, блок накачки, источник энергии, соединенные электрическими связями, а также регулятор мощности лазера, который установлен между источником энергии и блоком накачки.

10. Устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе внутреннего сгорания по п. 7, 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.

11. Устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе по п. 7, отличающееся тем, что оно содержит датчик давления топлива.

12. Воспламенитель, содержащий форкамеру, которая выполнена в виде цилиндрического корпуса с цилиндрической полостью, и свечу лазерного воспламенения, содержащую, в свою очередь, корпус и фокусирующую линзу, отличающуюся тем, что внутри корпуса установлен микрочип-лазер, отличающийся тем, что фокус свечи лазерного воспламенения расположен около боковой стенки форкамеры на расстоянии 0,1…0,2 от внутреннего диаметра форкамеры.

13. Воспламенитель по п. 12, отличающийся тем, что фокусировка свечи лазерного воспламенения выполнена за счет выполнения осей свечи лазерного воспламенения и форкамеры под углом.

14. Воспламенитель по п. 12, отличающийся тем, что фокусировка свечи лазерного воспламенения выполнена за счет выполнения оптической оси фокусирующей линзы под углом к оси свечи лазерного воспламенения.

15. Воспламенитель по п. 12, отличающийся тем, что внутри корпуса установлено средство демпфирования.

16. Воспламенитель по п. 15, отличающийся тем, что средство демпфирования выполнено из металлорезины.

17. Воспламенитель по п. 15, отличающийся тем, что средство демпфирования выполнено в виде тросового виброизолятора.

18. Воспламенитель по п. 17, отличающийся 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.

19. Воспламенитель по п. 17, отличающийся тем, что тросовый элемент выполнен из винтовых прядей троса.

20. Воспламенитель по п. 17, отличающийся тем, что корпус свечи лазерного воспламенения выполнен охлаждаемым.

21. Воспламенитель по п. 20, отличающийся тем, что на корпусе свечи лазерного воспламенения выполнены продольные ребра.

22. Воспламенитель по п. 20, отличающийся тем, что внутри корпуса свечи лазерного воспламенения выполнена кольцевая полость, к которой присоединены подводящий и отводящий патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости.