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

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 дисбаласа 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 H01T 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 H01T 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, соединенную с ним вакуумную трубку, оптическое окно, фокусирующую линзу, форкамеру с цилиндрической и конической полостями, шайбу с отверстием - между оптическим окном и форкамерой и мишень, установленную в одной из полостей форкамеры на держателе, несколько выходных отверстий, входящих в коническую полость, тем, что в цилиндрической полости форкамеры на центральной опоре установлено на подшипнике рабочее колесо аэродинамической турбины.

В качестве подшипника может быть применен подшипник скольжения, выполненный из керамики. Лазерная свеча зажигания 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.

Центральный вал может быть установлен на керамических подшипниках скольжения.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…4, где

- на фиг. 1 представлена лазерная свеча зажигания,

- на фиг. 2 приведена форкамера,

- на фиг. 3 представлено рабочее колесо аэродинамической турбины,

- на фиг. 4 приведен вид А.

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 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 отверстием 15, выполненным в центре шайбы 14 для выхода луча лазера 16.

Под шайбой 14 выполнена форкамера 17 в виде цилиндрической полости 18, переходящей в коническую полость 19 в виде усеченного конуса. Коническая полость 19 ограничена торцовым днищем 20, конической стенкой 21 и цилиндрической стенкой 22. В конической стенке 22 выполнены выходные отверстия 23 (фиг. 1…4).

Для подвода энергии к микрочип-лазеру 4 (земляной контакт) 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 и 4). Мишень 30 установлена на держателе 31, выполненном в виде конической гайки с внутренней резьбой 32. В цилиндрической полости 18 форкамеры 17 на центральной опоре 33 установлено рабочее колесо аэродинамической турбины 34, которое имеет ступицу 35 и лопатки 36. Рабочее колесо аэродинамической турбины 34 установлено на подшипнике 37. В качестве подшипника 37 применен подшипник скольжения из керамики. Опора 33 имеет ось 38 для установки подшипника 37.

На фиг. 2 приведена форкамера 17, в которой установлена на держателе 31 мишень 30, выполненная в виде металлического шара малого диаметра от 0,5 до 1 мм.

На фиг. 3 приведено рабочее колесо аэродинамической турбины 34, выполненное из жаростойкого материала, а на фиг. 4 - разрез А-А.

Работа устройства

При работе лазерной свечи зажигания, например, в составе двигателя внутреннего сгорания - ДВС (фиг. 1…4), в состав которого входит эта свеча зажигания, двигатель запускают стартером (не показано). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 23 попадает в форкамеру 17. В момент опережения зажигания распределитель (не показан) подает потенциал на клемный 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 фокусируется 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 радиально идет до выходных отверстий 23 и выходит из них в камеру сгорания цилиндра двигателя (не показано).

При этом закручивается рабочее колесо аэродинамической турбины 34.

В цикле впуска топливовоздушной смеси - ТВС - ее часть, проходя рабочее колесо аэродинамической турбины 34, ее охлаждает и несколько замедляет ее вращение. Посторонние частицы 39 (несгоревший углерод) центробежными силами отбрасываются на периферию, и отверстие 15 в шайбе 14 не засоряется.

Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100%-ное воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности при малой мощности микрочип-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:

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.

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

7. 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. Технический результат - увеличение срока службы свечи лазерного зажигания за счет предотвращения загрязнения оптики и выходного отверстия лазерного луча. Лазерная свеча зажигания содержит корпус, изолятор, микрочип-лазер, установленный в полости внутри изолятора, соединенную с ним вакуумную трубку, оптическое окно, фокусирующую линзу, форкамеру с цилиндрической и конической полостями, шайбу с отверстием - между оптическим окном и форкамерой и мишень, установленную в одной из полостей форкамеры на держателе, несколько выходных отверстий, входящих в коническую полость. В цилиндрической полости форкамеры на центральной опоре установлено на подшипнике рабочее колесо аэродинамической турбины. 4 з.п. ф-лы, 4 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 и конической полостями, шайбу с отверстием - между оптическим окном и форкамерой и мишень, установленную в одной из полостей форкамеры на держателе, несколько выходных отверстий, входящих в коническую полость, отличающаяся тем, что в цилиндрической полости форкамеры на центральной опоре установлено на подшипнике рабочее колесо аэродинамической турбины.

2. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве подшипника применен подшипник скольжения, выполненный из керамики.

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

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

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