СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО ЗАЖИГАНИЯ И ЛАЗЕРНАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F02P23/04 H01T13/00 

Группа изобретений относится к воспламенителям, свечам зажигания, в частности лазерным с встроенной форкамерой, которая способна значительно улучшить эффективность распространения факела зажигания и эффективность сжигания топливовоздушной смеси за счет одновременного применения для воспламенения лазерного луча и подогрева и активации топливовоздушной смеси ТВС мощным электрическим полем. Изобретение может найти применение при использовании в двигателе внутреннего сгорания - ДВС, как карбюраторных, так и инжекторных и дизельных, а также в роторных двигателях, газопоршневых и других типах двигателей и в энергетических установках.

Предшествующий уровень техники

Обычно боковой заземленный электрод электрической свечи зажигания изогнут и имеет L-образную форму, будучи перпендикулярным к направлению осевого центрального электрода так, чтобы поперечное сечение разрядной части, так называемой «мини-форкамеры», обращенной к осевому центральному электроду, было прямоугольным.

Когда возникает искровой разряд свечи зажигания, искра появляется между осевым центральным электродом и концевой разрядной частью заземленного электрода, расположенной ниже осевого центрального электрода. Газовая смесь в искровом промежутке, сформированном этими электродами, воспламеняется за счет искры так, что сжатая газовая смесь воспламеняется сначала в «мини-форкамере» между электродами, а потом горизонтально истекающий факел воспламеняет остальную ТВС. В обычных конструкциях высокое давление газа, вызванное воспламенением, может быть заблокировано концевой разрядной частью так, что эффект распространения горения на воздушно-топливную газовую смесь в камере сгорания является недостаточно хорошим. А запуск двигателя при отрицательных температурах вообще вызывает затруднение из-за охлаждения воспламеняющего факела от холодных металлических частей головки цилиндра.

Когда остаточный углерод (продукт неполного сгорания топливовоздушной смеси - ТВС) остается в искровом промежутке между электродами, то углерод может накапливаться и изменяться от фазы частиц до фазы соединения на поверхностях электродов так, что между электродами может возникнуть короткое замыкание. В таком состоянии, даже при подаче напряжения, искра может не возникать, что ведет к серьезным проблемам вплоть до остановки двигателя или выпуску топливовоздушной смеси через выхлопную трубу без сгорания. Когда несгоревшая газовая смесь выпускается в выхлопную трубу, часто проявляется эффект обратной вспышки, при этом проявляется аварийный эффект и снижается эффективность сгорания. Выход из строя одного из нескольких цилиндров может длительное время оставаться без внимания, что приведет к поломке двигателя из-за дисбаласа роторных частей.

Во время работы ДВС из-за коррозии могут появиться трещина на конце осевого центрального электрода, что приводит к возникновению критического повреждения. Срок службы свечи зажигания может снизиться из-за такого дефекта.

Известна электрическая свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366053, МПК Н01Т 13/20, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча зажигания содержит центральный электрод и боковой электрод цилиндрической формы, между ними образуется «мини-форкамера». Искровой разряд осуществляется на цилиндрическую стенку, а выход продуктов сгорания осуществляется в кольцевой зазор.

Недостаток этой свечи - возможное засорение кольцевого зазора из-за отложения твердых частиц продуктов сгорания на обоих электродах, особенно при работе на обогащенной смеси.

Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366052, МПК Н01Т 13/00, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча содержит центральный электрод и Г-образный боковой электрод, плоскость которого скручена по длине для создания вихревого движения продуктов сгорания.

Недостаток - плохой запуск двигателя при отрицательных температурах.

Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2360342, МПК Н01Т 13/54, опубл. 27.06.2009 г.

Эта свеча содержит центральный и боковой электроды и две форкамеры, установленные последовательно.

Недостатки: конструктивная сложность свечи, ее большие осевые габариты и высокая стоимость.

Известна система лазерного зажигания и свеча лазерного зажигания по патенту РФ на полезную модель №152420, МПК F02P 23/04, опубл. 27.05.2015 г., прототип системы зажигания и свечи лазерного зажигания.

Эти система лазерного зажигания и свеча содержат источник электроэнергии, соединенный низковольтными проводами через выключатель с блоком высокого напряжения, который соединен высоковольтным проводом с распределителем, выход которого соединен изолированным высоковольтным проводом с лазерной свечой зажигания, содержащей источник лазерного излучения.

Недостатки:

- большая потребная мощность лазера при ограниченных габаритах свечи лазерного зажигания, которую целесообразно изготовить по габаритам как точную копию стандартных электрических свеч зажигания,

- относительно низкая полнота сгорания топлива в цилиндре ДВС из-за его воспламенения в одной точке,

- отложение копоти на оптике лазерной свечи.

Задачей создания изобретения, соответствующей достигнутому техническому результату, является создание простой лазерной свечи малых габаритов и малой мощности, обеспечивающей более надежное зажигание при запуске ДВС, особенно при низких температурах, более полное сгорание ТВС и надежность.

Технический результат - уменьшение потребной мощности лазера вследствие применения для обеспечения воспламенения ТВС лазерного луча и предварительной обработки ТВС в форкамеры очень сильным электрическим полем.

Решение указанных задач достигнуто в системе лазерного зажигания, содержащей источник электроэнергии, соединенный низковольтными проводами через выключатель с блоком высокого напряжения, который соединен высоковольтным проводом с распределителем, выход которого соединен изолированным высоковольтным проводом с лазерной свечой зажигания, содержащей источник лазерного излучения, тем, что система содержит низковольтный распределитель, распределитель и низковольтный распределитель соединены устройством синхронизации, лазерная свеча зажигания содержит форкамеру, форкамера содержит полость, образованную торцовым днищем, боковой стенкой и конической стенкой в виде усеченного конуса, в которой выполнены выходные отверстия, внутренний электрод соединен с выходом распределителя, а микрочип-лазер соединен с источником энергии через низковольтный распределитель.

Устройство синхронизации может быть выполнено механическим, например, в виде вала. Устройство синхронизации может быть выполнено электронным, например, в виде процессора.

Решение указанных задач достигнуто в лазерной свече зажигания, содержащей источник лазерного излучения и фокусирующую линзу, защищенную оптическим стеклом, тем, что на входе в форкамеру установлен внутренний электрод, содержащий, по меньшей мере, одно отверстие для прохождения луча лазера. Внутренний электрод может быть соединен высоковольтным проводом с распределителем. Лазерная свеча может содержать дополнительное оптическое стекло с защитной полостью между ними. Источник лазерного излучения может быть выполнен в виде микрочип-лазера с вакуумной трубкой. Источник лазерного излучения может быть выполнен в виде твердотельного лазера. Лазерная свеча зажигания может быть выполнена с возможностью расщепления лазерного луча. Внутренний электрод может быть выполнен с остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере. Внутренний электрод может быть выполнен с кольцевым остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере. На внутреннем электроде может быть выполнено под углом к оси форкамеры несколько отверстий. Внутри форкамеры может быть установлена, по меньше мере, одна мишень. Мишень может быть выполнена в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе, имеющем хвостовик, вмонтированный в торцовую стенку. На конической стенке может быть установлено несколько мишеней по числу выходных отверстий. Мишени, установленные на цилиндрической стенке, могут быть выполнены в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе. Мишени могут быть установлены так, что оси выходных отверстий проходят через центры металлических шариков.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…15, где

- на фиг. 1 представлена система воспламенения в сборе,

- на фиг. 2 приведена лазерная свеча зажигания, первый вариант,

- на фиг. 3 представлена лазерная свеча зажигания, второй вариант,

- на фиг. 4 приведена форкамера, первый вариант,

- на фиг. 5 приведена форкамера, второй вариант,

- на фиг. 6 приведена форкамера, третий вариант,

- на фиг. 7 приведена форкамера, четвертый вариант,

- на фиг. 8 приведен внутренний электрод с остроконечным выступом,

- на фиг. 9 приведен внутренний электрод с кольцевым остроконечным выступом,

- на фиг. 10 приведена шайба с несколькими отверстиями, выполненными под углом,

- на фиг. 11 приведен первый вариант установки мишени,

- на фиг. 12 приведен второй вариант установки мишеней,

- на фиг. 13 приведена мишень,

- на фиг. 14 приведены диаграммы подачи импульсов лазера и напряжения на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения постоянного тока,

- на фиг. 15 приведены диаграммы подачи импульсов лазера и напряжения на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения переменного тока.

Система лазерного зажигания (фиг. 1) содержит источник электроэнергии 1, соединенный низковольтными проводами 2 через выключатель 3 с блоком высокого напряжения 4, который соединен высоковольтным проводом 5 с распределителем 6. Второй высоковольтный провод 7 соединен с заземлением 8. Каждый выход распределителя 6 соединен изолированным высоковольтным проводом 9 с лазерной свечой зажигания 10, точнее с клеммным наконечником 11. Один низковольтный провод 2 заземлен на массу 8.

Для обеспечения питания лазерной свечи зажигания 10 и своевременного включения питания лазерной свечи зажигания 10 низким напряжением к низковольтному проводу 2 присоединен низковольтный распределитель 12, выход которого проводом 13 соединен с лазерной свечой зажигания 10, точнее с клеммой 14.

Система лазерного зажигания 10 содержит блок управления 15 (электронный), который электрическими связями 16 соединен с распределителями 6 и 12. Система лазерного зажигания содержит датчик частоты вращения коленчатого вала 17, соединенный электрической связью 16 с блоком управления 15.

Работа распределителей 7 и 12 синхронизирована механизмом синхронизации 18, например валом или электронной системой (фиг. 1).

Лазерная свеча зажигания 9 (фиг. 1 и 2) содержит корпус 19 (металлический), изолятор 20, внутренний высоковольтный провод 21, соединенный с внутренним электродом 22, выполненным в виде шайбы с отверстием 23 (отверстиями), установленный на изолирующей втулке 24.

В полости 25 внутри изолятора 20 на амортизаторе 26 установлен микрочип-лазер 27, к которому присоединена вакуумная трубка 28. Вакуумная трубка 28 - это металлическая и керамическая трубка, внутри которой создан вакуум. На противоположном конце вакуумной трубки 28 закреплена фокусирующая линза 29.

Под фокусирующей линзой 29 установлено оптическое стекло 30 и дополнительное оптическое стекло 31 с защитной полостью 32 между ними.

Под центральным электродом 22 выполнена форкамера 33 с полостью 34, имеющая торцовое днище 35, коническую стенку 37 в виде усеченного конуса и цилиндрическую стенку 38. В конической стенке 37 выполнены выходные отверстия 39 (фиг. 1 и 2).

Для подвода энергии к микрочип-лазеру 27 кроме клеммы 14 предусмотрено металлизированное покрытие 40 на изоляторе 20 с внутренней стороны и электрод 41 для передачи напряжения к микрочип-лазеру 27.

Лазерная свеча зажигания 10 ввернута в головку блока цилиндров 42 по резьбе 43.

Центральное отверстие 18 предназначено для прохождения луча лазера 44 от фокусирующей линзы 29. Более детально конструкция лазерной свечи зажигания 10 приведена на фиг. 2.

На фиг. 3 приведен второй вариант лазерной свечи зажигания 10, в которой вместо микрочип-лазера 27 с вакуумной трубкой 28 установлен твердотельный лазер 45. На фиг. 4…7 приведены варианты форкамеры 33.

По первому варианту (фиг. 4) во внутреннем электроде 22 выполнено одно отверстие 23 вдоль оси симметрии свечи лазерного воспламенения 10.

По второму варианту (фиг. 5) применена призма 46, установленная над оптическим стеклом 30, для расщепления луча лазера 44 на несколько лучей (по числу выходных отверстий 39).

По третьему варианту (фиг. 6) предложено установить в полости 34 внутри форкамеры 33 одну мишень 46.

По четвертому варианту (фиг. 7) предложено внутри форкамеры 33 в полости 34 установить несколько мишеней 47 и прикрепить их к цилиндрической стенке 37.

Лазерная свеча может иметь в полости 34 форкамеры 33 мишень 47 для луча лазера 44 (фиг. 3…6). При этом лазерная свеча зажигания 10 может быть выполнена в одном из четырех вариантов в зависимости от конструкции этой мишени. 47 (фиг. 3…6).

На фиг. 4 приведена форкамера 33, в которой установлен один внутренний электрод 22 с одним отверстием 23.

На фиг. 5 приведена форкамера 33, в которой установлена призма 46 для расщепления луча лазера 44 и во внутреннем электроде 22 выполнено несколько отверстий 23, при этом число отверстий равно числу лазерных лучей.

На фиг. 6 приведена форкамера 33 с мишенью 47.

На фиг. 7 приведена лазерная свеча зажигания с несколькими мишенями 47.

Форкамера 33 может быть выполнена в нескольких вариантах в зависимости от конструкции мишени 47 (фиг. 8…10).

На фиг. 8 приведена мишень 47, установленная вдоль оси OO свечи лазерного воспламенения внутри форкамеры 33 в полости 34.

Эта мишень 47 выполнена в виде металлического шарика 48, установленного на коническом держателе 49, имеющем хвостовик 50, вмонтированный в торцовое днище 35 (фиг. 9).

Во втором варианте применено несколько мишеней 47, установленных на боковой стенке 38.

Возможны три варианта исполнения шайбы 22, выполняющей функцию центрального электрода (фиг. 11…13).

На фиг. 11 приведена шайба 22 с кольцевым остроконечным выступом 51, на фиг. 12 приведена шайба 22 с кольцевым остроконечным выступом 52, на фиг. 13 приведена шайба 22 с несколькими отверстиями 23, выполненными под углом для выпуска нескольких лучей лазера и предотвращения загрязнения оптики,

- на фиг. 14 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 53 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения постоянного тока,

- на фиг. 15 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 54 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения переменного тока.

Работа устройства

При работе воспламенителя, например в составе двигателя внутреннего сгорания - ДВС (фиг. 1…13), в состав которого входит воспламенитель, двигатель запускают стартером (не показано) и одновременно включают выключатель 31 (замок зажигания). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстия 14 попадает в форкамеру 12. В момент опережения зажигания распределитель 27 подает потенциал на блок преобразования напряжения 6, где напряжение снижается до рабочего, и далее на твердотельный лазер 7, который генерирует луч лазера 20. Луч лазера 20 практически мгновенно воспламеняет ТВС в форкамере 33. ТВС, находящаяся в контакте, воспламеняется и фронт пламени в виде шара, фронт пламени радиально идет до выходных отверстий 37 и выходит из них в камеру сгорания цилиндра двигателя.

В цикле «рабочий ход» продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, с огромной скоростью выбрасываются из форкамеры 33 в полость камеры сгорания цилиндра ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней.

Одновременно между металлическим корпусом 2 и шайбой 22, выполняющей роль центрального электрода, возникает коронный разряд, который значительно нагревает топливовоздушную смесь внутри форкамеры 33, что облегчает работу лазерной свечи зажигания 1 и позволяет в несколько раз уменьшить энергию твердотельного лазера 7. Наличие остроконечных выступов 50 или 51 способствует возникновению коронного разряда.

Коническая форма днища позволяет разместить на нем максимально количество отверстий при минимальном выступании форкамеры 33 внутрь цилиндра ДВС. Кроме того, на этой поверхности можно расположить выходные отверстия 39 под любым углом к оси форкамеры 33.

Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности при малой мощности твердотельного лазера 45 (фиг. 3). Также этот подход может быть применен на двигателях, работающих на криогенных топливах: водороде и сжиженном природном газе. Для воспламенения криогенного топлива, имеющего очень низкую температуру, не понадобится значительно увеличивать мощность свечи зажигания. Особенно хорошо этот эффект будет проявляться на двигателях большой мощности и на двигателях, работающих на природном газе.

На фиг. 14 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 53 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения постоянного тока, при этом напряжение 53 может снижаться по мере завершения рабочего хода.

На фиг. 15 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 54 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения переменного тока.

Частота импульсов лазера может быть больше или меньше частоты переменного напряжения на выходе из блока высокого напряжения 4.

В итоге, применение группы изобретений позволит:

1. Уменьшить габаритные размеры лазерной свечи зажигания до габаритов стандартных электрических свеч зажигания.

2. Уменьшить потребную мощность лазера за счет применения предварительного подогрева ТВС и ее активации внутри форкамеры мощным электрическим полем.

3. Упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении лазерной свечи зажигания и форкамеры.

4. Улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет воспламенении ТВС в малом объеме форкамеры двумя источниками энергии лазерной и предварительного подогрева электрическим полем.

7. Уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом форкамеры.

8. Снизить эмиссию вредных веществ вследствие более полного сгорания топлива.

9. Предотвратить отложение копоти на фокусирующей линзе и уменьшить вредное влияние высоких температур.

Группа изобретений относится к энергетическим машинам, конкретно к лазерным свечам зажигания с форкамерой, и может найти применение в транспорте и в теплоэнергетике. Технический результат - уменьшение габаритов воспламенителя и повышение эффективности искрового разряда и надежности зажигания. Система лазерного зажигания содержит источник электроэнергии, соединенный низковольтными проводами через выключатель с блоком высокого напряжения, который соединен высоковольтным проводом с распределителем, выход которого соединен изолированным высоковольтным проводом с лазерной свечой зажигания, содержащей источник лазерного излучения. Система содержит низковольтный распределитель, распределитель и низковольтный распределитель соединены устройством синхронизации, лазерная свеча зажигания содержит форкамеру с полостью, образованной торцовым днищем, боковой стенкой и конической стенкой в виде усеченного конуса, в которой выполнены выходные отверстия, внутренний электрод соединен с выходом распределителя, а микрочип-лазер соединен с источником энергии через низковольтный распределитель. Лазерная свеча зажигания содержит источник лазерного излучения и фокусирующую линзу, защищенную оптическим стеклом, отличающаяся тем, что на входе в форкамеру установлен внутренний электрод, содержащий, по меньшей мере, одно отверстие для прохождения луча лазера. Внутренний электрод может быть соединен высоковольтным проводом с распределителем. 2 н. 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Система лазерного зажигания, содержащая источник электроэнергии, соединенный низковольтными проводами через выключатель с блоком высокого напряжения, который соединен высоковольтным проводом с распределителем, выход которого соединен изолированным высоковольтным проводом с лазерной свечой зажигания, содержащей источник лазерного излучения, отличающаяся тем, что система содержит низковольтный распределитель, распределитель и низковольтный распределитель соединены устройством синхронизации, лазерная свеча зажигания содержит форкамеру, форкамера содержит полость, образованную торцовым днищем, боковой стенкой и коническорй стенкой в виде усеченного конуса, в которой выполнены выходные отверстия, внутренний электрод соединен с выходом распределителя, а микрочип-лазер соединен с источником энергии через низковольтный распределитель.

2. Система лазерного зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что устройство синхронизации выполнено механическим, например, в виде вала.

3. Система лазерного зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что устройство синхронизации выполнено электронным, например, в виде процессора.

4. Лазерная свеча зажигания, содержащая источник лазерного излучения и фокусирующую линзу, защищенную оптическим стеклом, отличающаяся тем, что на входе в форкамеру установлен внутренний электрод, содержащий, по меньшей мере, одно отверстие для прохождения луча лазера.

5. Лазерная свеча зажигания по п. 4, отличающаяся тем, что внутренний электрод соединен высоковольтным проводом с распределителем.

6. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что она содержит дополнительное оптическое стекло с защитной полостью между ними.

7. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что источник лазерного излучения выполнен в виде микрочип-лазера с вакуумной трубкой.

8. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что источник лазерного излучения выполнен в виде твердотельного лазера.

9. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью расщепления лазерного луча.

10. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что внутренний электрод выполнен с остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере.

11. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что внутренний электрод выполнен с кольцевым остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере.

12. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что на внутреннем электроде выполнено под углом к оси форкамеры несколько отверстий.

13. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что внутри форкамеры установлена, по меньше мере, одна мишень.

14. Лазерная свеча зажигания по п. 13, отличающаяся тем, что мишень выполнена в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе, имеющем хвостовик, вмонтированный в торцовую стенку.

15. Лазерная свеча зажигания по п. 13, отличающаяся тем, что на конической стенке установлено несколько мишеней по числу выходных отверстий.

16. Лазерная свеча зажигания по п. 15, отличающаяся тем, что мишени, установленные на цилиндрической стенке, выполнены в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе.

17. Лазерная свеча зажигания по п. 16, отличающаяся тем, что мишени установлены так, что оси выходных отверстий проходят через центры металлических шариков.