Способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом и авиационная лазерная свеча зажигания
Владельцы патента RU 2626465:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а конкретно к авиационным свечам зажигания, в которых для поджига топливной смеси «керосин + воздух» используется импульсный оптический разряд, в котором энергия лазерного излучения концентрируется в заранее заданном фокусе F. Авиационная лазерная свеча зажигания содержит лазерную установку, состоящую из блока питания (1) и излучателя (2), излучающего энергию в виде лазерного луча (3), оптоволокно (4), цилиндрический корпус (5), состоящий из составных частей: (7, 8, 9, 10, 11), через которые проходит канал (6) для прохождения энергии в виде лазерного луча 3, рассеивающую линзу (12) с уплотнительным кольцом (13), фокусирующую линзу (14) с уплотнительным кольцом (15), материал (16) с малым коэффициентом расширения и уплотнительным кольцом (17). Технический результат - в концентрации энергии оптического разряда в заранее заданном фокусе и в повышении надежности поджига топливной смеси «керосин + воздух» путем снижения вероятности оптического пробоя в длиином канале лазерной свечи. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а конкретно к способам воспламенения в них топливной смеси, а также к авиационным свечам зажигания, в которых для поджига топливной смеси «керосин + воздух» используется импульсный оптический разряд, в котором энергия лазерного излучения концентрируется в заранее заданном фокусе, кроме того, может быть использовано в других энергетических установках и двигателях.
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 заключается 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.
Известен способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления (патент РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 2010 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 воспламенение топливо-воздушной смеси (ТВС) в двигателе 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. В устройстве для осуществления способа содержится лазер, оптический световод, фокусирующая линза, блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера и датчиком положения распределительного вала двигателя. В известном способе возможна инициация разряда лазерного луча до фокусирующей линзы, что приводит к выходу ее из строя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении надежности поджига топливной смеси «керосин + воздух» путем получения импульсного оптического разряда в камере сгорания авиационного двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что в способе воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, включающем нагрев и воспламенение горючей смеси путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, новым является то, что фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, производят в заданном фокусе в пространстве, при этом фокусируемый луч рассеивают перед фокусирующей линзой с помощью рассеивающей линзы.
Положение оптического разряда в заданном фокусе 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.
Авиационная лазерная свеча зажигания, содержащая корпус с каналом подвода энергии и каналом вывода энергии, оптический световод, фокусирующую линзу, блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера и датчиком положения распределительного вала двигателя, отличающаяся тем, что в канале вывода энергии установлена рассеивающая линза, а на выходе канала установлено защитное окно.
Защитное окно выполнено из материала с малым коэффициентом расширения, высокой термической стойкостью.
Рассеивающая линза защищает фокусирующую линзу и окно (например, из кварца) от преждевременной инициации луча, которая может вывести их из строя.
Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение топливо-воздушной (ТВС) смеси в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, который получают в результате фокусировки энергии лазера в пространстве в маленьком объеме среды (точке), в котором происходит концентрация энергии лазера с высокой температурой плазмы в ядре оптического разряда. Плазма в ядре оптического разряда зависит от энергии выхода электронов в среде оптического разряда. Оптический разряд, реализуемый в заданном фокусе, вызывает воспламенение топливо-воздушной смеси, момент воспламенения зависит от состава ТВС и оборотов двигателя.
На фигуре представлена оптическая схема системы воспламенения, которая содержит лазерную установку, состоящую из блока питания 1 и излучателя энергии 2. Энергия из излучателя 2 выходит в виде лазерного луча 3. Система также содержит оптоволокно 4 с подводом к цилиндрическому корпусу 5, который состоит из составных частей: 7, 8, 9, 10, 11. Через составные части 7, 8, 9, 10, 11 проходит канал 6 для прохождения энергии в виде лазерного луча 3. Составная часть 7 имеет на одном конце вход для оптоволокна 4, на внешней стороне посадочную резьбу для крепления в двигатель и на другом конце внешнюю резьбу для соединения с корпусом составной части 8.
Составная часть 8 имеет с одного конца внутреннюю резьбу для соединения с составной частью 7, а с другого конца наружную резьбу для соединения с составной частью 9 и прижатия в посадочное место рассеивающей линзы 12 через уплотнительное кольцо 13.
Составная часть 9 имеет с одного конца внутреннюю резьбу для соединения с составной частью 8, посадочное место для рассеивающей линзы 12, а с другого конца наружную резьбу для соединения с составной частью 10 и прижатия в посадочное место фокусирующей линзы 14 через уплотнительное кольцо 15.
Составная часть 10 имеет с одного конца внутреннюю резьбу для соединения с составной частью 9, посадочное место для фокусирующей линзы 14, а с другого конца наружную резьбу для соединения с составной частью 11 (прижимным колпачком) и прижатия в посадочное место материала 16 с малым коэффициентом расширения через уплотнительное кольцо 17.
Составная часть 11 является прижимным колпачком, который имеет с одного конца внутреннюю резьбу для соединения с составной частью 10 и прижатия в посадочное место материала 16 с малым коэффициентом расширения через уплотнительное кольцо 17.
Авиационная лазерная свеча зажигания работает следующим образом. Лазерная оптическая система, содержащая блок питания 1 и излучатель энергии 2. Излучатель энергии 2 излучает энергию в виде лазерного луча 3, который подводится оптоволокном 4 к цилиндрическому корпусу 5. В цилиндрическом корпусе 5 луч 3 по каналу 6 проходит через составные части 7, 8 и доходит до рассеивающей линзы 12, проходя которую рассеивается. В рассеянном виде луч движется в канале составной части 9 до фокусирующей линзы 14. Пройдя фокусирующую линзу 14, через канал составной части 10, луч идет в фокусированном виде через окно составной части 11 (прижимного колпачка), сделанного из материала с малым коэффициентом расширения 16, и фокусируется на заданном фокусе F. Сфокусированная энергия дает импульсный оптический разряд на выводе цилиндрического корпуса после окна (например, из кварца) с высокой температурой в ядре, составляющей 1000000 K, которая способствует поджигу топливной смеси «керосин + воздух» при низких температурах окружающей среды и при высоких давлениях в камере, что приводит к возможности работы ДВС в широком диапазоне коэффициента избытка окислителя.
Сфокусированная энергия дает импульсный оптический разряд на выводе цилиндрического корпуса после окна (например, из кварца) с высокой температурой в ядре, составляющей 1000000 K, которая способствует поджигу топливной смеси «керосин + воздух» при низких температурах окружающей среды и при высоких давлениях в камере, что приводит к возможности работы ДВС в широком диапазоне коэффициента избытка окислителя.
Применение изобретения позволяет повысить надежность поджига топливной смеси «керосин + воздух», улучшить ее теплостойкость, увеличить КПД и продлить срок службы свечи зажигания.
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 в заданном фокусе в пространстве, при этом фокусируемый луч рассеивают перед фокусирующей линзой с помощью рассеивающей линзы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что положение оптического разряда в заданном фокусе регулируют в зависимости от состава горючей смеси и оборотов двигателя путем изменения момента подачи энергетического импульса на лазер, а энергетический импульс на лазерный источник подают по сигналу датчика на распределительном валу двигателя.
3. Авиационная лазерная свеча зажигания, содержащая корпус с каналом подвода энергии и каналом вывода энергии, оптический световод, фокусирующую линзу, блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера и датчиком положения распределительного вала двигателя, отличающаяся тем, что в канале вывода энергии установлена рассеивающая линза, а на выходе канала установлено защитное окно.
4. Авиационная лазерная свеча зажигания по п. 3, отличающаяся тем, что защитное окно выполнено из материала с малым коэффициентом расширения, высокой термической стойкостью.
