ЛАЗЕРНАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F02B19/12 F02P23/04 

Изобретение 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 «минифоркамеры», 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 «минифоркамере» 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 дисбаланса роторных частей.

Во время работы ДВС из-за коррозии могут появиться трещины 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 «минифоркамера». Искровой разряд осуществляется на цилиндрическую стенку, а выход продуктов сгорания осуществляется в кольцевой зазор.

Недостатки 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 лазерная свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №22576691, МПК F02P 23/04, опубл. 26.01.2015 г., прототип.

Эта свеча в лазерной свече зажигания, содержащей корпус, изолятор микрочип - лазер, установленный в полости внутри изолятора, оптическое окно, фокусирующую линзу и мишень, установленную в форкамере, в которую под углом входит несколько выходных отверстий.

Недостатки:

- отложение копоти на оптике и отверстии для выхода лазерного луча лазерной свечи,

- 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 и, как следствие, эмиссия вредных веществ в выхлопных газах.

Задачей создания изобретения, соответствующей достигнутому техническому результату, является увеличение срока службы лазерной свечи за счет предотвращения загрязнения оптики и выходного отверстия лазерного луча.

Технический результат - увеличение срока службы свечи лазерного зажигания за счет предотвращения загрязнения оптики и выходного отверстия лазерного луча.

Решение указанных задач достигнуто в лазерной свече зажигания, содержащей корпус, изолятор микрочип-лазер, установленный в полости внутри изолятора, оптическое окно, фокусирующую линзу и мишень, установленную в форкамере, в которую под углом входит несколько выходных отверстий, отличающейся тем, что мишень установлена на центральном обтекателе, установленном соосно с осью лазерной свечи зажигания, а на боковой стенке центрального установлены закручивающие лопатки. Лазерная свеча может содержать дополнительное оптическое окно с защитной полостью между оптическим окном и дополнительным оптическим окном. Микрочип-лазер установлен на амортизаторе. На изоляторе со стороны внутренней полости может быть нанесено металлизированное покрытие, контактирующее с корпусом.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, 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 мишень,

- на фиг. 5 приведен разрез А-А,

- на фиг. 6 приведена схема защиты оптики от посторонних частиц.

Лазерная свеча зажигания (фиг. 1) содержит корпус 1 (металлический), изолятор 2, во внутренней полости 3 которого установлен микрочип-лазер 4, внутренний высоковольтный провод 5 соединяет его с клеммным наконечником 6.

Микрочип-лазер 4 установлен во внутренней полости 3 на амортизаторе 7, к нему присоединена вакуумная трубка 8. Вакуумная трубка 8 - это металлическая и керамическая трубка, внутри которой создан вакуум. На противоположном торце 9 вакуумной трубки 8 закреплена фокусирующая линза 10.

Под фокусирующей линзой 10 установлено оптическое окно 11 и дополнительное оптическое окно 12 с защитной полостью 13 между ними.

Под дополнительным оптическим окном 12 установлена шайба 14 с отверстием 15 для выхода луча лазера 16, а под шайбой 14 выполнена форкамера 17 в виде цилиндрической полости 18, переходящей в полость 19 в виде усеченного конуса. Полость 19 ограничена торцовым днищем 20, конической стенкой 21 и цилиндрической стенкой 22. В конической стенке 21 выполнены выходные отверстия 23 (фиг. 1…4).

Для подвода энергии к микрочипу-лазеру 4 предусмотрено металлизированное покрытие 24 на внутренней поверхности изолятора 2 и контакт 25 на амортизаторе 7 с внутренней стороны.

Лазерная свеча зажигания ввернута в головку блока цилиндров 26 по резьбе 27. Головка блока цилиндров 26 соединена заземляющим проводом 28 с заземлением 29.

Лазерная свеча имеет в цилиндрической полости 18 форкамеры 17 мишень 30 для луча лазера 16 (фиг. 3…6). Мишень 30 установлена на центральном обтекателе 31, на боковой поверхности которого установлены закручивающие лопатки 32.

При этом лазерная свеча зажигания может быть выполнена в одном из двух вариантов в зависимости от крепления центрального обтекателя (фиг. 2 и 3).

На фиг. 2 приведена форкамера 17, в которой установлен центральный обтекатель 31, который при помощи цилиндрического держателя 33 на торцовом днище 20.

На фиг. 3 приведена форкамера 17, в которой центральный обтекатель 31 установлен на радиальных держателях 34 на цилиндрической стенке 22.

На фиг. 4 приведен фрагмент форкамеры 17 с мишенью 30, а на фиг. 5 разрез В-В.

На фиг. 6 приведена схема защиты оптики от посторонних частиц 35.

Работа устройства

При работе лазерной свечи зажигания, например в составе двигателя внутреннего сгорания - ДВС (фиг. 1…6), в состав которого входит эта свеча зажигания, двигатель запускают стартером (не показано). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстия 23 попадает в форкамеру 17. В момент опережения зажигания распределитель (не показан) подает потенциал на наконечник 6 и далее на микрочип-лазер 4, который генерирует лазерное излучение. Лазерное излучение по вакуумной трубке 8 передается на фокусирующую линзу 10, которая создает лазерный луч 16. Лазерный луч 16 проходит оптические окна 11 и 12 и отверстие 15 шайбы 14 и фокусирется на мишени 30. Мишень 30 имеет очень малые габариты и практически мгновенно нагревается до температуры выше 1000°C. ТВС, находящаяся в контакте с мишенью 30, воспламеняется и фронт пламени в виде шара, фронт пламени радиально идет до выходных отверстий 23 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 17 в полость камеры сгорания цилиндра ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней.

В режиме впуска ТВС в камеру сгорания часть ТВС (5…7%) поступает внутрь форкамеры 17 и его основная часть, проходя закручивающие лопатки 32, закручивается. Благодаря этому посторонние частицы 35 (несгоревший углерод) отбрасываются на периферию и отверстие 15 в шайбе 14 не засоряется.

Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности при малой мощности микрочипа-лазера 4 (фиг. 1). 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.

В итоге применение группы изобретений позволит следующее.

1. Предотвратить отложение посторонних части (копоти) на фокусирующей линзе и в отверстии для выхода лазерного луча и тем самым значительно продлить срок службы лазерной свечи зажигания.

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

3. Уменьшить потребную мощность лазера за счет применения предварительного подогрева ТВС.

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

5. 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.

Изобретение относится к энергетическим машинам, конкретно к лазерным свечам зажигания с форкамерой, и может найти применение в транспорте и в теплоэнергетике. Задачей создания изобретения, соответствующей достигнутому техническому результату, является увеличение срока службы лазерной свечи за счет предотвращения загрязнения оптики и выходного отверстия лазерного луча. Технический результат - увеличение срока службы свечи лазерного зажигания за счет предотвращения загрязнения оптики и выходного отверстия лазерного луча. Решение указанных задач достигнуто в лазерной свече зажигания, содержащей корпус, изолятор, микрочип-лазер, установленный в полости внутри изолятора, оптическое окно, фокусирующую линзу и мишень, установленную в форкамере, в которую под углом входит несколько выходных отверстий, при этом мишень установлена на центральном обтекателе, установленном соосно с осью лазерной свечи зажигания, а на боковой стенке центрального обтекателя установлены закручивающие лопатки. Лазерная свеча может содержать дополнительное оптическое окно с защитной полостью между оптическим окном и дополнительным оптическим окном. Микрочип-лазер установлен на амортизаторе. На изоляторе со стороны внутренней полости может быть нанесено металлизированное покрытие, контактирующее с корпусом. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лазерная свеча зажигания содержащая корпус, изолятор, микрочип-лазер, установленный в полости внутри изолятора, оптическое окно, фокусирующую линзу и мишень, установленную в форкамере, в которую под углом входит несколько выходных отверстий, отличающаяся тем, что мишень установлена на центральном обтекателе, установленном соосно с осью лазерной свечи зажигания, а на боковой стенке центрального обтекателя установлены закручивающие лопатки.

2. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительное оптическое окно с защитной полостью между оптическим окном и дополнительным оптическим окном.

3. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что микрочип-лазер установлен на амортизаторе.

4. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на изоляторе со стороны внутренней полости нанесено металлизированное покрытие, контактирующее с корпусом.