Способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом и устройство для его осуществления

Авторы патента:

Саттаров Альберт Габдулбарович (RU)

Дрегалин Анатолий Федорович (RU)

Мухамедзянов Ринад Алиманович (RU)

Бикмучев Айдар Рустемович (RU)

F02P23/04 - прочие физические средства для зажигания, например применение лучей лазера

Владельцы патента RU 2436991:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ им. А.Н. Туполева) (RU)

Изобретение относится к автомобилестроению, а конкретно к системам воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, для его интенсификации лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя. Устройство для осуществления способа содержит лазер (4) с оптическим световодом (5) и с фокусирующей линзой (8). Блок синхронизации (2) связан с усилителем мощности накачки (3) лазера (4) и с датчиком (1) положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза (8) в верхней части через световод (5) соединена с лазером (4), а со стороны цилиндра двигателя (11) имеет упорную втулку (9), к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя (11). Усилитель мощности (3) накачки лазера (4) представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей. Технический результат - упрощение системы зажигания за счет использования одного лазера, повышение надежности зажигания ТВС при высоких давлениях, за счет чего достигается экономическая эффективность и, следовательно, доступность использовании лазерной системы зажигания в ДВС. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к автомобилестроению, а конкретно к системам воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ воспламенения ТВС электрическим разрядом высокого напряжения (12-24 кВ), имеющим температуру около 10300 К между электродами свечи, напряжение на которые подается в результате преобразования постоянного тока в переменный импульсный ток, а затем трансформация его в импульсный ток высокого напряжения (Тур Е.Я. и др. Устройство автомобиля. М., Машиностроение, 1991, стр.154-156). Однако в известном способе не обеспечивается достаточное напряжение во вторичной цепи (после трансформации, особенно при увеличении частоты вращения, степени сжатия и числа цилиндров двигателя); быстро изнашиваются контакты прерывателя, вследствие чего снижается надежность работы и, как следствие, ухудшается экономичность двигателя; кроме того, затруднен пуск двигателя, так как для пуска двигателя напряжение во вторичной цепи должно быть больше, чем на прогретом двигателе (Тур Е.Я. и др. Устройство автомобиля. М., Машиностроение, 1991, стр.154-156).

Известен способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления (патент РФ №2309288, МПК F02P 23/04, опубл. 2003 г.). Способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления, являющийся наиболее близким к заявленному изобретению и принятый за прототип, заключающийся в том, что горючую смесь нагревают и поджигают энергией двух лазерных источников, при этом первым лазерным источником в горючей смеси создают локальный разогретый участок путем колебательного перемещения фокального пятна колебанием оптической системы, а вторым лазерным источником в момент зажигания горючей смеси подают энергетический импульс в центр разогретого объема горючей смеси. Устройство содержит блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера и собственно с самим лазером, причем блок синхронизации связан с датчиком положения коленчатого вала, а лазер связан с оптико-волоконной связью с фокусирующей линзой. В известном способе невозможно получить колебания оптической системы с частотой, на порядок превышающей обороты двигателя, необходимой для разогрева объема смеси; конструкция сложная и дорогая из-за необходимости использования энергии двух лазеров для зажигания горючей смеси и их синхронизации.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности зажигания ТВС при высоких давлениях, в упрощении системы зажигания, в результате чего достигается экономическая эффективность при использовании лазерной системы зажигания.

Технический результат достигается тем, что в способе воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, включающим нагрев и воспламенение горючей смеси путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, новым является то, что фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, производят на поверхность поршня двигателя.

Положение оптического разряда на поверхности поршня при его движении к верхней мертвой точке регулируют в зависимости от состава горючей смеси и оборотов двигателя путем изменения момента подачи энергетического импульса на лазер.

Энергетический импульс на лазерный источник подают по сигналу датчика на распределительном валу двигателя.

В устройстве для осуществления способа, содержащем лазер, оптический световод, фокусирующую линзу, блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера, новым является то, что блок синхронизации связан с датчиком положения распределительного вала двигателя.

Фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку с защитным окном, отделяющим оптическую систему от продуктов сгорания цилиндра двигателя.

Усилитель мощности представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.

Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, который получают в результате фокусировки энергии лазера в очень маленьком объеме среды (точке), в которой происходит концентрация энергии лазера, причем чем меньше объем (точка) концентрации энергии, тем выше температура плазмы в ядре оптического разряда. Плазма в ядре оптического разряда зависит от энергии выхода электронов в среде оптического разряда, поэтому для интенсификации оптического разряда лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя.

Оптический разряд, реализуемый на поршне ДВС, вызывает воспламенение ТВС, момент воспламенения которого зависит от состава ТВС и оборотов двигателя, для чего регулируют время опережения зажигания путем изменения момента подачи энергетического импульса на лазер.

На фиг.1 представлена общая схема способа воспламенения ТВС в двигателе внутреннего сгорания на основе оптического разряда.

На фиг.2 представлена оптическая схема системы воспламенения, где 1 - датчик положения распределительного вала; 2 - блок синхронизации; 3 - усилитель мощности накачки лазера; 4 - лазер; 5 - световод; 6 - поршень двигателя; 7 - окно; 8 - фокусирующая линза; 9 - втулка; 10 - корпус воспламенителя; 11 - цилиндр двигателя.

Устройство для осуществления способа содержит лазер 4 с оптическим световодом 5 и с фокусирующей линзой 8. Блок синхронизации 2 связан с усилителем мощности накачки 3 лазера 4 и с датчиком 1 положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза 8 в верхней части через световод 5 соединена с лазером 4, а со стороны цилиндра двигателя 11 имеет упорную втулку 9, к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя 11.

Усилитель мощности 3 накачки лазера 4 представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.

Способ лазерного воспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания реализуется следующим образом.

Сигнал от датчика 1 положения распределительного вала двигателя и блока синхронизации 2 и поступает в усилитель мощности накачки 3 и подается на лазер 4. Луч лазера проходит через световод 5 и с помощью линзы 8 фокусируется в фокальное пятно для получения оптического разряда на поверхности поршня 6. Фокусировка луча лазера 4 на металлическую поверхность поршня 6 активизирует процесс достижения оптического разряда воспламеняющего горючую смесь. Расположение оптического разряда на поверхности поршня регулируется в зависимости от состава горючей смеси и оборотов двигателя путем изменения времени опережения момента зажигания, подаваемого на лазер 4. Фокусирующая линза 8 расположена в корпусе воспламенителя 10 и фиксируется втулкой 9. Луч лазера проходит через кварцевое стекло (окно) 7 и фокусируется в районе поверхности поршня. Окно 7 из кварцевого стекла необходимо для защиты линзы от возможного нагара.

Таким образом, предлагаемое изобретение за счет интенсификации лазерного воспламенения ТВС на металлической поверхности поршня двигателя позволяет упростить систему зажигания, за счет использования одного лазера, повысить надежность зажигания ТВС при высоких давлениях, за счет чего достигается экономическая эффективность и, следовательно, доступность использовании лазерной системы зажигания в ДВС.

1. Способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, включающий нагрев и воспламенение горючей смеси, путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, отличающийся тем, что фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, производят на поверхность поршня двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что положение оптического разряда на поверхности поршня при его движении к верхней мертвой точке регулируют в зависимости от состава горючей смеси и оборотов двигателя путем изменения момента подачи энергетического импульса на лазер.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергетический импульс на лазерный источник подают по сигналу датчика на распределительном вале двигателя.

4. Устройство для осуществления способа, содержащее лазер, оптический световод, фокусирующую линзу, блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера, отличающееся тем, что блок синхронизации связан с датчиком положения распределительного вала двигателя.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку с защитным окном, отделяющим оптическую систему от продуктов сгорания цилиндра двигателя.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что усилитель мощности представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.

Изобретение относится к устройству зажигания, двигателю внутреннего сгорания (ДВС), к свече зажигания, к плазменному оборудованию, к устройству для разложения выхлопного газа, к озонообразующему/стерилизующему/дезинфицирующему устройству и к устройству для устранения запахов.

Лазерно-искровая свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания // 2362042

Изобретение относится к устройствам воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и может быть использовано в производстве двигателей с принудительным воспламенением.

Способ зажигания топливной смеси в камере сгорания двигателя и устройство для его осуществления // 2339840

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для многократного запуска жидкостных и газовых ракетных двигателей (ЖРД и ГРД) в условиях их эксплуатации на космических аппаратах (КА) и орбитальных пилотируемых космических станциях (ОПС) и при отработке двигателей в стендовых условиях.

Способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления // 2309288

Изобретение относится к системам лазерного зажигания ДВС и может быть использовано в энергетических установках с принудительным воспламенением обедненной горючей смеси.

Способ лазерно-искрового зажигания рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления // 2212559

Изобретение относится к системам зажигания двигателя внутреннего сгорания и может быть использовано в энергетических установках с принудительным воспламенением рабочей смеси.

Способ инициирования горения газовой или газово-топливной смеси // 2161728

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в ракетных двигателях, камерах сгорания топливно-воздушных смесей, отработанных технологических и выхлопных газов.

Способ зажигания топливо-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания // 2125181

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе зажигания транспортного средства. .

Свеча зажигания двигателя внутреннего сгорания // 2124792

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрооборудовании транспортного средства. .

Способ инициирования горения газовой или газово-топливной смеси // 2079700

Изобретение относится к технике инициирования горения и, в частности, детонации газовых и газово-топливных смесей типа C2H2+O2, H2+ Cl2, CH4+N2+O2, воздух + бензин, воздух + угольная пыль и т.

Способ зажигания горючей смеси в камере сгорания и система для его осуществления // 2065990

Изобретение относится к тепловым двигателям (машинам), работающим на жидких, газообразных, смесевых, твердых и др. .

Оптимизация генерирования искры радиочастотного зажигания // 2456472

Изобретение относится к автомобильным системам зажигания

Устройство генерирования высокого напряжения // 2488016

Изобретение относится к устройствам генерирования высокого напряжения и может быть использовано для генерирования плазмы с помощью свечи зажигания, используемой для управляемого зажигания двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания и способ работы двигателя внутреннего сгорания // 2531473

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение КПД и надежности. Сущность изобретения заключается в том, что при работе двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндр с поршнем и свечи зажигания, подают импульс энергии на свечи зажигания в каждом цилиндре в момент нахождения поршня ниже ВМТ. При этом продолжают подавать импульсы энергии на каждую свечу зажигания и после воспламенения топлива в камере соответствующего цилиндра до завершения фазы выхлопа в соответствующем цилиндре. Свечи могут быть выполнены лазерными. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания и свеча лазерного воспламенения // 2538770

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания: поршневых и роторных, работающих на жидком или газообразном углеводородном топливе. Техническим результатом является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологических свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности. Решение указанных задач достигнуто в способе лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, путем подачи импульса тепловой энергии в локальную зону во внутреннем объеме цилиндра в момент, соответствующий оптимальному углу опережения зажигания и воспламенения топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что подачу импульса тепловой энергии осуществляют в локальную зону, размещенную под впускным клапаном. Воспламенение может быть осуществлено при помощи луча лазера, исходящего от свечи лазерного воспламенения, содержащей микрочип-лазер, герметичное оптическое окно, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус которой находится под впускным клапаном. Решение указанных задач достигнуто в устройстве для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, отличающемся тем, что применена, по меньшей мере, одна свеча лазерного воспламенения, содержащая микрочип-лазер, вакуумную трубку, фокусирующую линзу и герметичное оптическое окно, а микрочип-лазер соединен оптическим волокном с блоком накачки. Фокус лазерного луча фокусирующей линзы может находиться под впускным клапаном. Свеча лазерного воспламенения может быть установлена на форкамере, а фокус лазерного луча находится внутри форкамеры. Устройство для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания может содержать источник энергии, блок управления зажиганием и блок накачки, соединенные электрическими связями, причем блок накачки выполнен с возможностью регулирования мощности излучения импульсов накачки, а также частоты следования и фазы. Свеча лазерного воспламенения в составе устройства может содержать внутри корпуса средство демпфирования вибраций. Решение указанных задач достигнуто в свече лазерного воспламенения, содержащей корпус, внутри которого установлены микрочип-лазер, соединенный вакуумной трубкой с фокусирующей линзой на торце, и герметичное оптическое окно, тем, что согласно изобретению внутри корпуса установлено средство демпфирования. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 22 ил.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания // 2544123

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит коленчатый вал (10) с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке (8) цилиндров, систему (12) впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа (13) продуктов сгорания, по меньшей мере один цилиндр (1) с установленным в нем поршнем и систему зажигания со свечой (37) зажигания, установленной на каждом торце цилиндра (1). Система газораспределения выполнена в виде установленных в цилиндрических расточках в головке цилиндров и кинематически связанных цепью с коленчатым валом двух распределительных валов (14) и (15) цилиндрической формы с установленными на них ведомыми звездочками - первого и второго. Первый и второй распределительные валы (14) и (15) выполнены с осевыми каналами и радиальными впускными и выпускными отверстиями, число которых соответствует числу цилиндров (1). Против каждого поршня в головке (8) цилиндров выполнены по меньшей мере по одному впускному и выпускному отверстию, периодически сообщающих рабочую полость каждого цилиндра (1) с системой (12) впуска топливовоздушной смеси, которую выполняет первый распределительные вал (14) и системой (13) выхлопа продуктов сгорания, которую выполняет второй распределительный вал (15). На боковом участке цепи (31) установлен первый натяжитель (33) цепи с ручной регулировкой ее натяжения, на участке цепи (31) между распределительными валами (14) и (15) установлен второй натяжитель (35) цепи с управляемым приводом (36). Ведущая и ведомая звездочки выполнены одинакового диаметра. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении надежности. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания // 2544642

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит коленчатый вал 10 с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке (8) цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа продуктов сгорания по меньшей мере один цилиндр (1) с установленным в нем поршнем и систему зажигания со свечой зажигания (1), установленной на каждом торце цилиндра. Система газораспределения выполнена в виде установленных в цилиндрических расточках в головке (8) цилиндров и кинематически связанных цепью (31) с коленчатым валом (10) двух распределительных валов (14) и (15) с ведомыми звездочками (28) и (30). Первый и второй распределительные валы (14) и (15) выполнены с осевыми каналами и радиальными впускными и выпускными отверстиями, число которых соответствует числу цилиндров. Против каждого поршня в головке цилиндров выполнены по меньшей мере по одному впускному и выпускному окну. Окна периодически сообщают рабочую полость каждого цилиндра (1) с системой (12) впуска топливовоздушной смеси, которую выполняет первый распределительный вал (14), и системой (13) выхлопа продуктов сгорания, которую выполняет второй распределительный вал (15). На боковом участке цепи (31) установлен первый натяжитель (33) цепи с ручной регулировкой ее натяжения. На участке цепи (31) между распределительными валами (14) и (15) установлен второй натяжитель (35) цепи с управляемым приводом. Ведомые звездочки выполнены одинакового диаметра и в два раза больше диаметра ведущей звездочки. Технический результат заключается в упрощении конструкции. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе, устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе и воспламенитель // 2553916

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения. Задачей создания группы изобретений является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологических свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности. Подачу импульса тепловой энергии начинают до момента опережения впрыска топлива и продолжают до завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Мощность лазерного излучения может уменьшаться по мере завершения фазы выпуска. Перед воспламенением часть топлива воспламеняют в форкамере излучением, создаваемым микрочип-лазером. Возможно осуществление коррекции угла опережения впрыска топлива в зависимости от истинного угла поворота распределительного вала. Возможно осуществление коррекции мощности лазерного луча свечи в зависимости от температуры воздуха. Воспламенитель выполнен охлаждаемым и соединен с системой жидкостного охлаждения. Устройство может содержать блок управления, блок накачки, источник энергии, соединенные электрическими связями, а также регулятор мощности лазера, который установлен между источником энергии и блоком накачки. Внутри корпуса может быть установлено средство демпфирования. На корпусе свечи лазерного воспламенения могут быть выполнены продольные ребра. Внутри корпуса свечи лазерного воспламенения может быть выполнена кольцевая полость, к которой присоединены подводящий и отводящий патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 27 ил.

Повышение эффективности лазерной системы зажигания // 2566665

Изобретение относится к системам зажигания двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - повышение надежности воспламенения топливной смеси. Для этого предложен способ для лазерной системы зажигания для работы по меньшей мере в двух режимах, основанных на четырехтактном цикле горения, в котором световую энергию лазера создают для зажигания топливной смеси для горения и могут дополнительно использовать для нагревания стенок цилиндров, например при холодном запуске, в моменты, иные, нежели те, когда лазер зажигает топливную смесь для горения. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Лазерная свеча зажигания // 2574189

Изобретение относится к лазерным свечам зажигания с форкамерой и может найти применение в транспорте и в теплоэнергетике. Задачи создания изобретения состоят в уменьшении габаритов воспламенителя и повышении эффективности искрового разряда. Техническим результатом является снижение расхода топлива и эмиссии вредных веществ и повышение надежности зажигания. Лазерная свеча зажигания, содержащая оптику и форкамеру, отделенную от оптики шайбой с центральным отверстием, и днище с выходными отверстиями в нем, выполнена с возможность одновременного создания коронного разряда и лазерного луча. 23 з.п. ф-лы, 24 ил.

Воспламенитель двигателя внутреннего сгорания // 2574191

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является уменьшение габаритов воспламенителя и повышение эффективности искрового разряда для снижения расхода топлива и эмиссии вредных веществ и повышение надежности зажигания. Сущность изобретения заключается в том, что воспламенитель ДВС содержит лазерную свечу зажигания, ввернутую в форкамеру имеющую днище с выходными отверстиями. При этом днище выполнено с образованием дополнительной полости в виде части сферы с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр камеры воспламенения. Внутри дополнительной полости вдоль оси форкамеры установлен центральный обтекатель, выполненный в виде конуса, при этом вершина конуса выполнена совпадающей с центром дополнительной полости, а фокус лазерной свечи зажигания совпадает с вершиной конуса. Общая площадь выходных отверстий может быть выполнена больше площади поперечного сечения камеры воспламенения, а дополнительная полость может быть выполнена в форме полушара или части шара, имеющего объем более половины геометрического объема шара. 12 з.п. ф-лы, 14 ил.