ЛАЗЕРНАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F02B19/12 F02P23/04 H01T13/40 

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 «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 может 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 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.

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

Технический результат достигнут в лазерной свече зажигания, содержащей корпус, изолятор, микрочип-лазер, установленный в полости внутри изолятора, соединенную с ним вакуумную трубку, оптическое окно, фокусирующую линзу, форкамеру с цилиндрической полостью, переходящей в коническую, ограниченную конической стенкой и торцовым днищем, шайбу с центральным отверстием - между оптическим окном и форкамерой, несколько выходных отверстий на конической стенке, тем, что внутри цилиндрической полости на внутренней поверхности цилиндрической полости установлена биротативная турбина, а на торцовом днище выполнено осевое отверстие.

Биротативная турбина может быть выполнена из двух ступеней с внешними ступицами. Между внешними ступицами и корпусом могут быть установлены подшипники скольжения. Подшипники скольжения могут быть выполнены керамическими.

Шайба может быть выполнена с внутренней поверхностью, имеющей параболическую форму, Лазерная свеча может содержать дополнительное оптическое окно с защитной полостью между оптическим окном и дополнительным оптическим окном. Микрочип-лазер может быть установлен на амортизаторе. На изоляторе со стороны внутренней полости может быть нанесено металлизированное покрытие, контактирующее с корпусом. Выходные отверстия могут быть выполнены тангенциально.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…7, где

- на фиг. 1 представлена лазерная свеча зажигания,

- на фиг. 2 приведена форкамера,

- на фиг. 3 приведен разрез А-А,

- на фиг. 4 приведен вид В,

- на фиг. 5 приведены треугольники скоростей,

- на фиг. 6 приведен процесс входа продуктов сгорания в выходное отверстие до внедрения изобретения,

- на фиг. 7 приведен процесс входа продуктов сгорания в выходное отверстие после внедрения изобретения.

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. Вакуумная трубка 8 установлена вдоль продольной оси лазерной свечи зажигания. 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 центральным отверстием 15, выполненным в центре шайбы 14 для выхода луча лазера 16. Шайба 14 имеет внутреннюю поверхность 17, выполненную параболической формы.

Под шайбой 14 выполнена форкамера 18, имеющая цилиндрическую полость 19, переходящую в коническую полость 20 в виде усеченного конуса. Коническая полость 20 ограничена торцовым днищем 21 и конической стенкой 22. Цилиндрическая полость 19 ограничена внутренней цилиндрической поверхностью 23. В конической стенке 22 выполнены выходные отверстия 24 (фиг. 1, 2, 5). Выходные отверстия 24 могут быть выполнены тангенциально.

Для подвода энергии к микрочип-лазеру 4 (земляной контакт) предусмотрено металлизированное покрытие 25 на внутренней поверхности изолятора 2 и контакт 26 на амортизаторе 7 с внутренней стороны.

Лазерная свеча зажигания ввернута в головку блока цилиндров 27 по резьбе 28. Головка блока цилиндров 27 соединена заземляющим проводом 29 с заземлением 30.

На внутренней цилиндрической поверхности 23 установлена биротативная газовая турбина 31, имеющая два рабочих колеса 32 и 33 с внешними ступицами 34 и 35 (фиг. 1 и 2).

Между корпусом 1 и внешними ступицами 34 и 35 установлены подшипники скольжения 36 и 37. Подшипники скольжения 36 и 37 выполнены керамическими.

На торцовом днище 21 выполнено осевое отверстие 38.

Посторонние частицы показаны поз. 39 на фиг. 2.

На фиг. 2 приведена более детально форкамера 18.

На фиг. 3 приведен разрез А-А биротативной газовой турбины 31.

Выходные отверстия 24 могут быть выполнены тангенциальными (фиг. 4).

На фиг. 5 приведены треугольники скоростей до и после внедрения предложенного технического решения. Обозначения, использованные на фиг. 4…7:

V₁ - скорость продуктов сгорания до внедрения изобретения,

V₂ - скорость продуктов сгорания после внедрения изобретения,

V₀ - осевая составляющая скорости продуктов сгорания,

V_u1 - окружная составляющая скорости продуктов сгорания до внедрения изобретения,

V_u2 - окружная составляющая скорости продуктов сгорания после внедрения изобретения,

На фиг. 6 приведен процесс входа продуктов сгорания V₁ в выходное отверстие 24 до внедрения изобретения, видно, что направление вектора скорости V₁ и оси выходного отверстия 24 не совпадает, что приводит к большим аэродинамическим потерям.

На фиг. 7 приведен процесс входа продуктов сгорания V₂ в выходное отверстие 24 после внедрения изобретения, при этом вектор скорости V₂ совпадает с осью выходного отверстия 24.

Работа устройства

При работе лазерной свечи зажигания, например, в составе двигателя внутреннего сгорания - ДВС (фиг. 1…7), в состав которого входит эта свеча зажигания, двигатель запускают стартером (не показано). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 24 попадает в форкамеру 18. В момент опережения зажигания распределитель (не показан) подает потенциал на клеммный 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 центральное отверстие 15 шайбы 14 и фокусируется на точке фокусировки Ф. ТВС, находящаяся в форкамере 18, воспламеняется и фронт пламени в виде шара, радиально идет до выходных отверстий 24 и осевого отверстия 38 и выходит из них в камеру сгорания цилиндра двигателя (не показано). Внутренняя поверхность 17 параболической форы отражает фронт пламени в сторону выходных отверстий 24. Это увеличивает эффективность лазерной свечи зажигания.

При этом рабочие колеса 32 и 33 биротативной газовой турбины 31 закручиваются в противоположные стороны и закручивают проходящий через него поток и отбрасывают посторонние частицы 39 (фиг. 2) на периферию.

Применение биротативной газовой турбины 31 уменьшает окружную составляющую скорости продуктов сгорания перед выходными отверстиями 24, и значительно уменьшают аэродинамические потери на них. Это приводит к увеличению мощности воспламеняющих факелов, исходящих из выходных отверстий 24 (фиг. 6 и 5).

Большая часть продуктов сгорания выбрасывается через осевое отверстие 38.

Посторонние частицы 39 (несгоревший углерод) центробежными силами отбрасывается на периферию, и центральное 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 микрочип-лазер 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 изобретения позволит:

1. Предотвратить отложение посторонних части (копоти) на фокусирующей линзе и в центральном 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 параболической формы внутренней поверхности шайбы.

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

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, соединенную с ним вакуумную трубку, оптическое окно, фокусирующую линзу, форкамеру с цилиндрической полостью, переходящей в коническую, ограниченную конической стенкой и торцовым днищем, шайбу с центральным отверстием - между оптическим окном и форкамерой, несколько выходных отверстий на конической стенке, тем, что внутри цилиндрической полости на внутренней поверхности цилиндрической полости установлена биротативная турбина, а на торцовом днище выполнено осевое отверстие. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лазерная свеча зажигания, содержащая корпус, изолятор, микрочип-лазер, установленный в полости внутри изолятора, соединенную с ним вакуумную трубку, оптическое окно, фокусирующую линзу, форкамеру с цилиндрической полостью, переходящей в коническую, ограниченную конической стенкой и торцовым днищем, шайбу с центральным отверстием - между оптическим окном и форкамерой, несколько выходных отверстий на конической стенке, отличающаяся тем, что внутри цилиндрической полости на внутренней поверхности цилиндрической полости установлена биротативная газовая турбина, а на торцовом днище выполнено осевое отверстие.

2. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что биротативная газовая турбина выполнена в виде двух рабочих колес с внешними ступицами.

3. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что между внешними ступицами и корпусом установлены подшипники скольжения.

4. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что подшипники скольжения выполнены керамическими.

5. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что шайба выполнена с внутренней поверхностью, имеющей параболическую форму,

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

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

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

9. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что выходные отверстия выполнены тангенциально.