ЛАЗЕРНАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F02P23/04 H01T13/00 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 «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 дисбаланса 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.

Недостатком этой свечи является 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 указанной задачи 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 конической полостью, шайбу с центральным отверстием - между оптическим окном и форкамерой, и мишень, установленную в полости форкамеры, несколько выходных отверстий, входящих в коническую полость, отличающаяся тем, мишень закреплена на оси, на которой также установлены с возможностью вращения в противоположном направлении два рабочих колеса биротативной газовой турбины.

Рабочие колеса биротативной турбины могут быть выполнены со ступицами. Ступицы могут быть выполнены с конической внешней поверхностью и образуют бесступенчатый аэродинамический канал. Внутри ступиц могут быть установлены подшипники скольжения. Подшипники скольжения могут быть выполнены керамическими. Шайба может быть выполнена с внутренней поверхностью, имеющей параболическую форму. Мишень может быть выполнена в форме шара. Ось может быть выполнена ступенчатой. 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.

Выходные отверстия могут быть выполнены тангенциально.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…9, на которых:

на фиг. 1 представлена лазерная свеча зажигания,

на фиг. 2 приведена форкамера,

на фиг. 3 представлено рабочее колесо аэродинамической турбины,

на фиг. 4 приведен разрез А-А,

на фиг. 5 приведен разрез Б-Б,

на фиг. 6 приведен вид С,

на фиг. 7 приведены треугольники скоростей,

на фиг. 8 приведен процесс входа продуктов сгорания в выходное отверстие до внедрения изобретения,

на фиг. 9 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 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 и 6).

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. 3-5). Мишень 30 установлена на оси 31 по резьбе 32. Также на оси 31 установлены два рабочих колеса 33 и 34 биротативной газовой турбины 35. Рабочее колесо 33 имеет первую ступицу 36 и рабочие лопатки 37. Рабочее колесо 34 содержит вторую ступицу 38 и рабочие лопатки 39. В ступицах 36 и 38 установлены подшипники скольжения 40 и 41 соответственно. Подшипники скольжения 40 и 41 предпочтительно выполнить керамическими. Между второй ступицей 38 и торцовым днищем 20 установлен упорный подшипник 42.

Ось 31 выполнена ступенчатой. Ось 31 установлена на торцовом днище 20 без возможности вращения (фиг. 2 и 3). На оси 31 выполнена резьба 43, на которую навернута и жестко зафиксирована гайка 44. Гайка 44 расположена в полости 45. Пластина 46 сварочным швом 47 приварена к торцовому днищу 20 и закрывает полость 45 с гайкой 44.

Посторонние частицы показаны поз. 48 на фиг. 2.

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

На фиг. 3 приведены рабочие колеса 33 и 34 биротативной газовой турбины 35, выполненные из жаростойкого материала. На фиг. 4 приведен разрез А-А первого рабочего колеса 33, а на фиг. 5 приведен разрез Б-Б второго рабочего колеса 34.

Выходные отверстия 23 могут быть выполнены тангенциальными (фиг. 6).

На фиг. 7 приведены треугольники скоростей до и после внедрения предложенного технического решения. Обозначения, использованные на фиг. 6-9:

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. 8 приведен процесс входа продуктов сгорания V₁ в выходное отверстие 23 до внедрения изобретения, видно, что направление вектора скорости V₁ и оси выходного отверстия 23 не совпадает, что приводит к большим аэродинамическим потерям.

На фиг. 9 приведен процесс входа продуктов сгорания V₂ в выходное отверстие 23 после внедрения изобретения, при этом вектор скорости V₂ совпадает с осью выходного отверстия 23.

Работа устройства

При работе лазерной свечи зажигания, например в составе двигателя внутреннего сгорания - ДВС (фиг. 1-9), в состав которого входит эта свеча зажигания, двигатель запускают стартером (не показано). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 25 попадает в форкамеру 17. В момент опережения зажигания распределитель (не показан) подает потенциал на электрод 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 мишени 30. Мишень 30 имеет очень малые габариты и практически мгновенно нагревается до температуры выше 1000°С. 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). Внутренняя поверхность 17 параболической форы отражает фронт пламени в сторону выходных отверстий 23. Это увеличивает эффективность лазерной свечи зажигания.

При этом рабочие лопатки 37 и 39 рабочих колес 33 и 34 биротативной газовой турбины 35 турбины 32 закручивают проходящий через них поток и отбрасывают посторонние частицы 48 на периферию.

В цикле впуска топливо-воздушной смеси - ТВС ее часть, проходя рабочие лопатки 37 и 39 биротативной газовой турбины 35, ее охлаждает.

Применение биротативной газовой турбины 35 уменьшает окружную составляющую скорости продуктов сгорания перед выходными отверстиями 23 и значительно уменьшают аэродинамические потери на них. Это приводит к увеличению мощности воспламеняющих факелов, исходящих из выходных отверстий 23 (фиг. 6 и 5).

Посторонние частицы 48 (несгоревший углерод) центробежными силами отбрасываются 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 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 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. 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 конической полостью, шайбу с центральным отверстием - между оптическим окном и форкамерой, и мишень, установленную в полости форкамеры, несколько выходных отверстий, входящих в коническую полость. Мишень закреплена на оси, на которой также установлены с возможностью вращения в противоположном направлении два рабочих колеса биротативной газовой турбины. Рабочие колеса биротативной турбины могут быть выполнены со ступицами. Ступицы могут быть выполнены с конической внешней поверхностью и образуют бесступенчатый аэродинамический канал. Внутри ступиц могут быть установлены подшипники скольжения. Подшипники скольжения могут быть выполнены керамическими. Шайба может быть выполнена с внутренней поверхностью, имеющей параболическую форму. Мишень может быть выполнена в форме шара. Ось может быть выполнена ступенчатой. 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. Выходные отверстия могут быть выполнены тангенциально. 11 з.п. ф-лы, 9 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 конической полостью, шайбу с центральным отверстием - между оптическим окном и форкамерой, и мишень, установленную в полости форкамеры, несколько выходных отверстий, входящих в коническую полость, отличающаяся тем, мишень закреплена на оси, на которой также установлены с возможностью вращения в противоположном направлении два рабочих колеса биротативной газовой турбины.

2. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что рабочие колеса биротативной турбины выполнены со ступицами.

3. Лазерная свеча зажигания по п. 2, отличающаяся тем, что ступицы выполнены с конической внешней поверхностью и образуют бесступенчатый аэродинамический канал.

4. Лазерная свеча зажигания по п. 3, отличающаяся тем, что внутри ступиц установлены подшипники скольжения.

5. Лазерная свеча зажигания по п. 3, отличающаяся тем, что подшипники скольжения выполнены керамическими..

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

7. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что мишень выполнена в форме шара.

8. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что ось выполнена ступенчатой.

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

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

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

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