СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F02P23/04 

Группа изобретений относится к энергетике и двигателестроению, конкретно к средствам воспламенения топливовоздушной смеси.

Известна свеча зажигания по патенту РФ №2212559, МПК F02P 23/04, опубл. 20.09.2003 г.

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.

Недостаток - сложность конструкции.

Известна свеча зажигания по патенту РФ №2309288, МПК F02P 23/04, опубл 27.10.2007.

Сущность изобретения заключается в том, что горючую смесь нагревают и поджигают энергией двух лазерных источников, при этом первым (полупроводниковым) лазерным источником в горючей смеси камеры сгорания предварительно создают локальный разогретый участок в виде цилиндрического объема путем колебательного перемещения фокального пятна вдоль оси лазерного луча, а вторым (твердотельным) лазерным источником в момент зажигания горючей смеси подают энергетический импульс, причем фокусирование луча производят в центр продольной оси разогретого цилиндрического объема горючей смеси, при этом длину волны лазерных источников устанавливают в спектральном диапазоне 0,5…4,7 мкм в зависимости от вида горючей смеси.

Система для реализации способа содержит блок синхронизации, усилитель мощности накачки лазеров, связанный с датчиком состава горючей смеси и с блоком синхронизации, лазерные источники, связанные трактом передачи энергии с камерой сгорания двигателя, устройством формирования цилиндрического разогретого объема, оптически связанного посредством подвижной оптической линзы с первым (полупроводниковым) лазерным источником и через электрический разъем соединенного с задатчиком частоты и амплитуды колебаний фокального пятна, который связан с датчиком состава горючей смеси. Кроме того, оба лазерных источника и устройство формирования цилиндрического разогретого объема оформлены в виде автономного блока с оптическим устройством формирования лучей лазерных источников. Воспламеняющий разогретый цилиндрический объем играет роль мощного запального элемента.

Недостаток - сложность конструкции и высокая стоимость из-за наличия двух лазеров.

Известна свеча зажигания по патенту РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 20.12.2011.

Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, для его интенсификации лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя. Устройство для осуществления способа содержит лазер с оптическим световодом и с фокусирующей линзой. Блок синхронизации связан с усилителем мощности накачки лазера и с датчиком положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку, к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя. Усилитель мощности накачки лазера представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.

Недостаток - большая потребная мощность для блока накачки.

Известна свеча зажигания по патенту РФ №2496995, МПК F02B 1/12, опубл. 27.10.2013.

Сущность изобретения заключается в том, что двигатель с компрессионным зажиганием содержит рабочий цилиндр, систему впуска, систему выпуска и систему топливоподачи и снабжен генератором синглетного кислорода, размещенным во впускном трубопроводе с возможностью обогащения воздуха, подаваемого в рабочий цилиндр молекулами синглетного кислорода. Генератор синглетного кислорода выполнен в виде источника лазерного излучения с длиной волны от 762,3 до 762,4 нанометров и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной с возможностью отражения и диффузионного рассеивания лазерного излучения.

Способ работы поршневого двигателя с компрессионным зажиганием заключается в подаче воздуха и топлива во впускной трубопровод, формировании во впускном трубопроводе топливовоздушной смеси заданного состава, впуске ее в цилиндр двигателя, сжатии, воспламенении топливовоздушного заряда от сжатия, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя, при этом молекулы кислорода воздуха, подаваемого во впускной трубопровод, возбуждают в синглетные состояния.

Недостаток - сложность конструкции.

Известна свеча лазерного воспламенения по патенту РФ на изобретение №2496997, МПК F02B 51/06, опубл. 27.10.2013.

Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр, систему впуска, систему топливоподачи и систему выпуска. В системе впуска двигателя размещен генератор синглетного кислорода, выполненный в виде источника лазерного излучения и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной. В качестве источника лазерного излучения используется твердотельный лазер, излучающий волны длиной от 762,3 до 762,4 нанометров.

Способ работы, реализуемый в заявленном двигателе, заключается в подаче в цилиндр двигателя воздуха и топлива, обогащении воздуха на впуске синглетным кислородом, формировании топливовоздушной смеси заданного состава, воспламенении топливовоздушного заряда в цилиндре двигателя, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя. Во время работы двигателя измеряют температуру газов в цилиндре двигателя, а количество синглетного кислорода в воздухе, подаваемом во впускной трубопровод, устанавливают в зависимости от величины измеренной температуры.

Недостаток - сложность конструкции.

Известна свеча лазерного воспламенения по заявке США №2009159031, МПК F02P 23/04, опубл. 25.01.2009 г. - прототип способа и устройства.

Эта свеча лазерного воспламенения содержит металлический корпус, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, с фокусирующей линзой на рабочем конце оптического волокна и соединенное другим концом с блоком накачки.

Этот способ включает подачу сфокусированного лазерного луча в камеру воспламенения, содержащую топливовоздушную смесь и образованную стенками цилиндра и поршня,

Недостатки способа и устройства - относительно низкая полнота сгорания топлива из-за его воспламенения в одной точке и, как следствие, высокая эмиссия вредных веществ.

Задачи создания группы изобретений - повышение полноты сгорания топлива из-за его воспламенения в объеме и, как следствие, снижение эмиссии вредных веществ

Решение указанных задач достигнуто в способе лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающем подачу сфокусированного лазерного луча в камеру воспламенения, содержащую топливовоздушную смесь и образованную стенками цилиндра и поршня, тем, что лазерный луч совершает сканирующее движение в двух плоскостях. Лазерный луч может совершать сканирующее движение в форме конуса, вершина которого размещена на фокусирующей линзе, а его фокус не выходит за пределы камеры воспламенения. Лазерный луч может совершать сканирующее движение таким образом, что его фокус постоянно находится на стенке цилиндра. Лазерный луч может совершать колебательное движение таким образом, что его фокус постоянно находится на торце поршня.

Решение указанных задач достигнуто в устройстве лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащем лазерную свечу с металлическим корпусом, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, с фокусирующей линзой на рабочем конце оптического волокна и соединенное другим концом с блоком накачки, тем, что оптическое волокно выполнено с возможностью совершения им вместе с фокусирующей линзой колебательного движения внутри изолятора в двух плоскостях для обеспечения сканирующего движения лазерного луча. Между изолятором и оптическим волокном может быть выполнена кольцевая полость в которой установлено, по меньшей мере, два пьезоэлемента для управления отклонением лазерного луча соединенные на массу и с генератором импульсов. Между изолятором и оптическим волокном выполнена кольцевая полость, в которой установлены, по меньшей мере, два электретных вибратора для управления отклонением лазерного луча, соединенные на массу и с генератором импульсов.

Под фокусирующей линзой может быть выполнено коническое отверстие.

Сущность изобретений поясняется фиг. 1…4, где:

- на фиг. 1 приведена схема устройства,

- на фиг. 2 приведен разрез А-А,

- на фиг. 3 приведен разрез А-А, второй вариант,

- на фиг. 4 приведен вид В.

Устройство для лазерного воспламенения содержит свечу лазерного воспламенения (фиг. 1…4), которая, в свою очередь, содержит металлический корпус 1, ввернутый по резьбе 2 в головку цилиндров 3, установленную на цилиндре 4. Между головкой 3 и цилиндром 4 установлена прокладка 5. Между корпусом 1 и головкой цилиндров 3 установлена прокладка 6. Внутри цилиндра 4 установлен поршень 7. Между стенками цилиндра 4 и поршнем 7 образуется камера сгорания 8.

Кроме того, свеча лазерного воспламенения содержит изолятор 9 и оптическое волокно 10. На конце оптического волокна 10 установлена фокусирующая линза 11. Против фокусирующей линзы 11 выполнено коническое отверстие 12. Внутри изолятора 9 выполнена изолированная при помощи термостойкого уплотнения 13 полость 14. В полости 14 коаксиально оптическому волокну 10 установлены демпфер 15 и не менее двух пьезоэлементов 16.

Оптическое волокно 10 другим концом соединено с блоком накачки 17, который проводами 18 соединен с блоком питания 19. Один провод 18 проводом 20 заземлен на массу 21.

Устройство содержит генератор импульсов 22, присоединенный по входу проводами 23 к блоку питания 19. Внутри генератора импульсов использовано несколько независимых блоков импульсов (по числу пьезоэлементов 16).

К выходу их блока питания 19 присоединены общий заземляющий провод 24 и провода 25 (по числу пьезоэлементов 16), соединенные с пьезоэлементами 16. Пьезоэлементы 16 также соединены вкладышами 26 с массой корпуса 1. Вкладыши 26 выполнены медными или из медного сплава (фиг. 4).

При работе ДВС (фиг. 1…4) стартером запускают двигатель (стартер на фиг. 1…4 не показан). В соответствии с циклограммой двигателя подают сигнал на блок накачки 17, который подает лазерные импульсы на каждую свечу лазерного воспламенения по оптическому волокну 10. Одновременно подается сигнал на генератор импульсов 22 и он по проводам 25 подает независимые управляющие импульсы на пьезоэлементы 16, которые отклоняют оптическое волокно 16 вместе с фокусирующей линзой 11 по двум координатам. При этом луч лазера совершает сканирующее движение в виде конуса, охватывающее весь объем цилиндра 4 и воспламеняет топливовоздушную смесь практически одновременно во всем объеме цилиндра 1, что способствует увеличению полноты сгорания и уменьшению эмиссии вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами.

Применение группы изобретений позволило:

- увеличить полноту сгорания топливовоздушной смеси,

- уменьшить эмиссию вредных веществ с выхлопными газами.

Изобретения относятся к газоперекачивающим агрегатам (ГПА) на базе газотурбинного двигателя. Технический результат - повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя, используемого в качестве привода газоперекачивающего агрегата на природном газе и снижение эмиссии вредных веществ. Для достижения технического результата предлагается способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающий подачу сфокусированного лазерного луча в камеру воспламенения, содержащую топливовоздушную смесь и образованную стенками цилиндра и поршня, при этом лазерный луч совершает сканирующее движение в двух плоскостях. Заявлен также способ работы свечи лазерного воспламенения. Заявлено также устройство лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащем лазерную свечу с металлическим корпусом, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, с фокусирующей линзой на рабочем конце оптического волокна и соединенное другим концом с блоком накачки, при этом, оптическое волокно выполнено с возможностью совершения им вместе с фокусирующей линзой колебательного движения внутри изолятора в двух плоскостях для обеспечения сканирующего движения лазерного луча. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, включающий подачу сфокусированного лазерного луча в камеру воспламенения, содержащую топливовоздушную смесь и образованную стенками цилиндра и поршня, отличающийся тем, что лазерный луч совершает сканирующее движение в двух плоскостях.

2. Способ работы свечи лазерного воспламенения по п. 1, отличающийся тем, что лазерный луч совершает сканирующее движение в форме конуса, вершина которого размещена на фокусирующей линзе, а его фокус не выходит за пределы камеры воспламенения.

3. Способ работы свечи лазерного воспламенения по п. 2, отличающийся тем, что лазерный луч совершает сканирующее движение таким образом, что его фокус постоянно находится на стенке цилиндра.

4. Способ работы свечи лазерного воспламенения по п. 2, отличающийся тем, что лазерный луч совершает колебательное движение таким образом, что его фокус постоянно находится на торце поршня.

5. Устройство для лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащее лазерную свечу, имеющую металлический корпус, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, с фокусирующей линзой на рабочем конце оптического волокна и соединенное другим концом с блоком накачки, отличающееся тем, что оптическое волокно выполнено с возможностью совершения им вместе с фокусирующей линзой колебательного движения внутри изолятора в двух плоскостях для обеспечения сканирующего движения лазерного луча.

6. Устройство для лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания по п. 5, отличающееся тем, что между изолятором и оптическим волокном выполнена кольцевая полость, в которой установлены по меньшей мере два пьезоэлемента для управления отклонением лазерного луча, соединенные на массу и с генератором импульсов.

7. Устройство для лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания по п. 5, отличающееся тем, что между изолятором и оптическим волокном выполнена кольцевая полость, в которой установленоы по меньшей мере два электретных вибратора для управления отклонением лазерного луча, соединенные на массу и с генератором импульсов

8. Устройство для лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания по п. 5 или 6, отличающееся тем, что под фокусирующей линзой выполнено коническое отверстие.