Воспламенитель

Изобретение относится к форкамерным двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является уменьшение габаритов воспламенителя и повышение эффективности зажигания для снижения расхода топлива и эмиссии вредных веществ, а также повышение надежности зажигания. Сущность изобретения заключается в том, что воспламенитель выполнен в виде форкамеры, снабженной лазерной свечой зажигания. Форкамера отделена от лазерной свечи зажигания шайбой с центральным отверстием, которое может быть выполнено сужающимся к выходу, а днище форкамеры с отверстиями выполнено в виде части сферы. Внутри форкамеры на держателе установлена мишень в форме сферы, а фокус лазерной свечи зажигания совпадает с поверхностью мишени. Выходные отверстия могут быть выполнены радиальными цилиндрической или конической формы с их расширением в сторону выхода. 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

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 - ТВС 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 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 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.

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 свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2360342, МПК Н01Т 13/54, опубл. 27.06.2009 г.

Эта свеча содержит центральный и боковой электроды и две форкамеры, установленные последовательно.

Недостатки: конструктивная сложность свечи, ее большие осевые габариты и высокая стоимость.

Известно, что для бесперебойной работы свечи зажигания нижняя часть изолятора (тепловой конус) должна иметь температуру примерно 500-600°C. При температуре ниже указанной на свече образуется слой нагара и она начинает работать с перебоями. Недостаточная температура нагрева изолятора и электродов свечи особенно сильно проявляется при запуске холодного двигателя в условиях отрицательных температур, когда пары топлива частично конденсируются и надежность воспламенения смеси обусловлена не только ее ионизацией, но и нагревом прилегающего к электродам объема газа. Для повышения надежности работы системы зажигания в условиях отрицательных температур применяют свечи с принудительным электроподогревом.

Известна, например, свеча зажигания, содержащая металлический корпус, изолятор и нагревательный элемент, размещенный в кольцевой проточке, выполненной на боковой стенке изолятора, в его части, закрытой корпусом, по А.С. в СССР №1802382, МПК Н01Т 13/00, опубл. 1993 г.

Недостатком такой конструкции является то, что нагревательный элемент может быть встроен в свечу только при ее изготовлении. Однако актуальной является также задача модернизации уже изготовленных свечей.

Известна свеча зажигания, содержащая «минифоркамеру» по патенту РФ на изобретение №2356145, МПК H01T 13/20, опубл. 20.05.2009 г.

Эта свеча зажигания содержит осевой центральный электрод для искрового разряда и боковой заземленный электрод, находящийся напротив осевого центрального электрода относительно искрового промежутка, с круглой частью в плане, имеющей центральное круглое отверстие, выполненное на разрядном конце бокового округлого электрода. При этом свеча зажигания включает множество спиральных выступов, которые выступают из внутренней стороны круглой части в направлении центрального круглого отверстия так, чтобы сформировать турбулентный поток в газовой смеси, когда газ, сжатый во время хода сжатия, подается в искровой промежуток через центральное круглое отверстие. Техническим результатом является улучшение эффективности распространения искры за счет обеспечения лучшего смешивания в искровом промежутке между электродами, обеспечение функции генерации турбулентного потока, а также увеличение силы воспламенения.

Недостатки этого устройства: низкая эффективность искрового разряда, обусловленная несоответствием формы, размером и взаимного расположения электродов оптимальным для электрического разряда в газовом промежутке. Недостатком является то, что площадь центрального отверстия выполнена меньше площади поперечного сечения центрального электрода. Это дает несколько отрицательных результатов. Закручивающее устройство малоэффективно и не выполняет своей функции по двум причинам:

- средства закрутки имеют очень маленькую высоту (из-за небольшого диаметра отверстия) и, располагаясь в пределах пограничного слоя потока, не влияют на характер движения основной массы потока, истекающего из отверстия,

- закрутка осуществляется в горизонтальной плоскости, что не способствует внедрению факела в значительный объем камеры сгорания цилиндра ДВС, который обычно располагается ниже свечи.

Кроме того, этому техническому решению присущи еще несколько недостатков:

- отверстие малого диаметра легче забивается продуктами неполного сгорания ТВС,

- отверстие выполняет роль выходного сопла «минифоркамекры» и при малой площади отверстия мощность факела незначительная и не может обеспечить запуск ДВС при отрицательных температурах. Роль второго сопла выполняют боковые зазоры между центральным и боковым электродами, но истекающие из них вдоль головки непрогретого цилиндра продукты сгорания резко охлаждаются и не могут воспламенить весь объем камеры сгорания цилиндра. Традиционно применяемый способ запуска с обогащением ТВС приводит к перерасходу топлива, износу поршневой системы ДВС и к отложению копоти на электродах.

Известен воспламенитель по патенту РФ на изобретение №2169885, МПК F23Q 9/00, опубл. 27.06.2001 г.

Признаки, общие с предложенным техническим решением: корпус форкамеры полость воспламенения и отверстия подачи ТВС в форкамеру и выброса факела.

Недостатки: большие габариты. Вес и конструктивная сложность из-за наличия большого количества деталей. В то же время при уменьшении габаритов форкамеры она не будет выполнять своей основной функции; надежно воспламенять ТС (топливовоздушную смесь). Вторым недостатком является применение электрической свечи зажигания.

Известна форкамера ДВС по патенту РФ на полезную модель №16, МПК F02B 19/16, опубл. 25.06.1994 г.

Выносная форкамера для двигателя внутреннего сгорания с движущимся потоком топлива на воздушной смеси, содержащая корпус, полость со свечой зажигания и переходной канал, отличающаяся тем, что в сопло переходного канала помещена пластина-завихритель, закрученная на угол поворота (1/2)*пи - (2/3)*пи рад (90-120°).

Недостаток - сложность конструкции.

Известна форкамера ДВС по св. РФ на полезную модель №60635, МПК F02D 19/10, опубл. 27.01.2007 г.

Вихревая форкамера двигателя внутреннего сгорания по этому патенту содержит цилиндрический корпус с наружной и внутренней резьбами, внутренней полостью, нижним отверстием и боковыми факельными каналами, при этом боковые факельные каналы имеют три угла отклонения в пространстве форкамеры. Нижнее и боковые отверстия расположены на коническом днище.

Недостаток - низкая эффективность форкамеры вследствие того, что суммарная площадь отверстий меньше площади поперечного сечения камеры воспламенения. Это приводит к дросселированию при заполнении камеры ТВС и уменьшению ее дозы и мощности факелов воспламенения. Увеличение площади отверстий технически не осуществимо из-за того, что это приведет к выступанию конического днища внутрь цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Известна форкамера ДВС по патенту РФ на полезную модель №30396, МПК F02B 19/00, опубл. 27.06.2003 г., прототип.

Форкамера двигателя внутреннего сгорания содержит полость (камеру воспламенения), осевой факельный канал и боковые факельные каналы, выполненные под углом к продольной оси, боковые факельные каналы в плане выполнены под углом к радиусам, проходящим через ось форкамеры, и расположены на коническом днище. Коническое днище имеет большой угол при вершине от 60 до 90 град., т.к. при малых углах его длина будет велика и возможно задевание поршня в верхней мертвой точке. Так как длина конического днища ограничена, то ограничено и количество отверстий и их площадь. Кроме того, углы установки всех боковых отверстий одинаковые, что ограничивает диаметр общего воспламеняющего факела. Эффект закрутки недостаточен, так как объем форкамеры составляет менее 1% от объема цилиндра ДВС и весь объем ТВС в полости цилиндра невозможно закрутить.

Недостаток этого технического решения: низкая эффективность форкамеры вследствие того, что суммарная площадь отверстий меньше площади поперечного сечения камеры воспламенения. Это приводит к дросселированию при заполнении камеры ТВС и уменьшению ее дозы и, как следствие, мощности факелов воспламенения. Вторым недостатком является применение электрической свечи зажигания.

Задачей создания изобретения, соответствующей достигнутому техническому результату, является создание простого воспламенителя малых габаритов, обеспечивающего более надежное зажигание при запуске ДВС особенно при низких температурах, более полное сгорание ТВС и надежность.

Решение указанных задач достигнуто в воспламенителе, содержащем лазерную свечу зажигания и форкамеру, отделенную от лазерной свечи зажигания шайбой с центральным отверстием и содержащую корпус и днище с выходными отверстиями в нем, отличающемся тем, что днище выполнено в виде части сферы, внутри форкамеры на держателе установлена мишень в форме сферы, а фокус лазерной свечи зажигания совпадает с поверхностью мишени. Центральное отверстие может быть выполнено сужающимся к выходу.

Геометрические центры сфер, образующих форкамеру и мишень, могут совпадать. Держатель может быть выполнен в виде конуса, прикрепленного к днищу форкамеры. Держатель может быть выполнен в виде цилиндра, прикрепленного к днищу форкамеры. Держатель может быть выполнен в виде пластины с отверстиями. Мишень может быть выполнена из жаропрочного металла. Мишень со стороны падения луча лазера может иметь плоскую поверхность, выполненную не перпендикулярно к продольной оси воспламенителя.

Выходные отверстия могут быть выполнены радиальными. Выходные отверстия могут быть выполнены цилиндрической формы. Выходные отверстия могут быть выполнены конической формы с расширением в сторону выхода. Выходные отверстия могут быть выполнены с перекрытием. На входе в выходные отверстия могут быть выполнены фаски. На выходе из выходных отверстий могут быть выполнены фаски. На входе в выходные отверстия могут быть выполнены радиусные скругления. На выходе из выходных отверстий могут быть выполнены радиусные скругления.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…15, где

- на фиг. 1 представлен воспламенитель в сборе,

- на фиг. 2 приведена форкамера в форме полусферы, первый вариант,

- на фиг. 3 представлена форкамера в форме полусферы, второй вариант,

- на фиг. 4 приведена форкамера в форме полусферы, третий вариант,

- на фиг. 5 приведен форкамера в форме полусферы с мишенью, четвертый вариант,

- на фиг. 6 приведена форкамера,

- на фиг. 7 приведена схема движения продуктов сгорания в форкамере и в цилиндрических выходных отверстиях,

- на фиг. 8 приведена схема движения продуктов сгорания в форкамере и в конических, расширяющихся выходных отверстиях

- на фиг. 9 приведен вид А,

- на фиг. 10 приведен вид В,

- на фиг. 9 приведена схема установки обтекателя,

- на фиг. 10 приведена схема фокусировки лазерного луча,

- на фиг. 11 приведена форкамера с выходными отверстиями, имеющими фаски,

- на фиг. 12 приведено выходное отверстие с фасками,

- на фиг. 13 приведен вид С, первый вариант,

- на фиг. 14 приведен вид С, второй вариант,

- на фиг. 15 приведен вид С, третий вариант.

Воспламенитель (фиг. 1…15) содержит лазерную свечу зажигания 1, содержащую в свою очередь корпус 2 с полостью 3, в которой установлено оптическое окно 4 из кварцевого стекла, канал 4, в котором установлен преобразователь напряжения 6, соединенный проводом 7 с твердотельным лазером 8, который оптическим волокном 9 соединен с фокусирующей линзой 10. Лазерная свеча зажигания 1 ввернута в головку блока цилиндров 11. Под лазерной свечой 1 выполнена форкамера 12, которая содержит днище 13 с выходными отверстиями 14. В форкамере 12 на держателе 15 установлена мишень 16.

Форкамера 12 отделена от лазерной свечи 1 шайбой 17 с центральным отверстием 18, которое сообщает форкамеру 12 с защитной полостью 19, предназначенной для защиты оптического окна 4 от прямого воздействия продуктов сгорания в форкамере 12. Центральное отверстие 18 предназначено для прохождения луча лазера 20 от фокусирующей линзы 10.

Держатель 15 может быть выполнен в виде конуса 20, установленного на днище 13 (фиг. 2), или цилиндра 21, также установленного вдоль оси воспламенителя на днище 13 форкамеры 12 (фиг. 3), или в виде пластины 22, установленной перпендикулярно оси воспламенителя, со сквозными отверстиями 24 для прохождения продуктов сгорания(фиг. 4).

Блок согласования напряжения 6 электрически соединен с клеммным наконечником 25, который высоковольтным проводом 26 соединен с распределителем импульсов 27, который низковольтными проводами 28 соединен с источником энергии 29. Один низковольтный провод 29 соединен с массой 30 (заземлен).

Форкамера 12 может быть выполнена в виде части шара, имеющего объем половины геометрического объема шара. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены радиальными. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены цилиндрической формы. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены конической формы с расширением в сторону выхода. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены с перекрытием. Геометрический центр мишени 16 O1 может быть выполнен совпадающим с геометрическим центром O2 форкамеры 12, выполненной в виде полусферы. Это способствует радиальному выходу продуктов сгорания из выходных отверстий 14 с минимальными потерями давления (фиг. 5).

Выходные отверстия 14 могут быть выполнены радиально (фиг. 6 и 7). Выходные отверстия 14 могут быть выполнены цилиндрической формы (фиг. 7). Выходные отверстия 14 могут быть выполнены конической формы с расширением в сторону выхода (фиг. 8).

Выходные отверстия 14 могут быть выполнены с перекрытием (фиг. 9 и 10) для увеличения проницаемости днища 13 (степени перфорации).

На фиг. 11 приведена схема фокусировки лазерного луча, на фиг. 12 приведен вид С, первый вариант с фаской 31 на входе в выходные отверстия 14, на фиг. 13 приведен вид С, второй вариант с фасками 32 на выходе из выходных отверстий 14, на фиг. 14 приведен вид С, третий вариант с радиусными скруглениями 33 на входе в выходные отверстия 14, на фиг. 15 приведен вид С, четвертый вариант с радиусными скруглениями 34 на выходе из выходных отверстий 14. Фаски 31 и 32 и радиусные скругления 33 и 34 на входе и выходе выходных отверстий 14 снижают гидравлические потери факелов воспламенения при выходе из форкамеры 12, которые наблюдались при внезапном сужении и внезапном расширении потока.

Работа устройства

При работе воспламенителя, например, в составе ДВС (фиг. 1…15), в состав которого входит воспламенитель, после впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 14 попадает в форкамеру 12. В момент опережения зажигания распределитель 27 подает потенциал на блок преобразования напряжения 6 и далее на твердотельный лазер 8, который генерирует луч лазера 20. Луч лазера 20 практически мгновенно подогревает мишень 16 из-за ее малых габаритов. ТВС, находящаяся в контакте с поверхностью мишени, воспламеняется и фронт пламени в виде шара радиально идет до выходных отверстий 14 и выходит из них. В верхней части форкамеры 12 из-за наличия на мишени 16 плоской поверхности 15 фронт пламени идет, как указано стрелкой 26 и не попадает в центральное отверстие 18 шайбы 17, не забивает отверстие продуктами неполного сгорания и защищает оптику.

В цикле «рабочий ход» продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, с огромной скоростью выбрасываются из форкамеры 12 в полость камеры сгорания цилиндра ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней. При этом, за счет того, что общая площадь выходных отверстий 12 больше, чем площадь поперечного сечения форкамеры 12, выходные отверстия 14 не дросселируют поток ТВС при его поступлении в форкамеру 12 и в камеру воспламенения. Вследствие этого заряд ТВС в форкамере 12 возрастает. В цикле рабочий ход из-за большей общей площади выходных отверстий 12 по сравнению с прототипом мощность воспламеняющего факела возрастает.

Сферическая форма днища (в виде полушара) позволяет разместить на нем максимальное количество отверстий при минимальном выступании форкамеры 12 внутрь цилиндра ДВС. Кроме того, на сферической поверхности можно расположить выходные отверстия 14 под любым углом к оси форкамеры 12. Предпочтительно - радиально. При этом геометрические центры сфер, образующих форкамеру 12 и мишень 16, должны совпадать, тогда движение фронта пламени внутри форкамеры 12 будет строго радиальным. Применение фасок 31 и 32 или радиусных скруглений 33 и 34 значительно (на порядок) уменьшит потери давления факелов воспламенения, выходящих их выходных отверстий (из-за отсутствия внезапного расширения и сужения).

Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности при малой мощности твердотельного лазера 6 (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) уменьшить осевые габаритные размеры воспламенителя;

2) упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении свечи зажигания и форкамеры;

3) увеличить мощность воспламенителя за счет снижении аэродинамических потерь в выходных отверстиях за счет:

- выполнения форкамеры и мишени сферическими и совмещения их геометрических осей,

- выполнения выходных отверстий радиальными,

- выполнения на выходных отверстиях фасок или радиусных скруглений,

- выполнения на мишени со стороны падения луча лазера плоской поверхности, выполненной не перпендикулярно к продольной оси воспламенителя;

4) улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет воспламенении ТВС в малом объеме форкамеры;

5) уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом форкамеры;

6) снизить эмиссию вредных веществ вследствие более полного сгорания топлива;

7) увеличить ресурс работы свечи за счет предотвращения отложения копоти на ее оптике. Это достигнуто выполнением на мишени плоской наклонной поверхности, неперпендикулярной продольной оси воспламенителя.

1. Воспламенитель, содержащий лазерную свечу зажигания и форкамеру, отделенную от лазерной свечи зажигания шайбой с центральным отверстием и содержащую корпус и днище с выходными отверстиями в нем, отличающийся тем, что днище выполнено в виде части сферы, внутри форкамеры установлена мишень в форме сферы, закрепленная на держателе, а фокус лазерной свечи зажигания совпадает с поверхностью мишени.

2. Воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что центральное отверстие выполнено сужающимся к выходу.

3. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что геометрические центры сфер, образующих форкамеру и мишени, совпадают.

4. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде конуса, прикрепленного к днищу форкамеры.

5. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде цилиндра, прикрепленного к днищу форкамеры.

6. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде пластины с отверстиями.

7. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что мишень выполнена из жаропрочного металла.

8. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что мишень со стороны падения луча лазера имеет плоскую поверхность, выполненную не перпендикулярно к продольной оси воспламенителя.

9. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выходные отверстия выполнены радиальными.

10. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выходные отверстия выполнены цилиндрической формы.

11. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выходные отверстия выполнены конической формы с расширением в сторону выхода.

12. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выходные отверстия выполнены с перекрытием.

13. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на входе в выходные отверстия выполнены фаски.

14. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на выходе из выходных отверстий выполнены фаски.

15. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на входе в выходные отверстия выполнены радиусные скругления.

16. Воспламенитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на выходе их выходных отверстий выполнены радиусные скругления.