Лазерные свечи зажигания для автомобиля. Лазерные свечи зажигания
Лазерные свечи зажигания - CoolReal
Узнав из очередного дайджеста новостей о том, что российские ученые изобрели лазерные свечи зажигания, я почуял неладное. Во-первых, о таких свечах уже где-то слышал, причем о работающих, во-вторых, изобретение сделано студентами Политехнического университета Нижнего Новгорода, пусть даже под руководством профессоров. По их словам, уже создан прототип на основе советского (!) полупроводникового лазера, и к концу года планируется появление опытных образцов, которые будут тестироваться на автомобилях.
По материалам статей из Все поедем, Техническая планета, Membrana, Популярная механика.
«Благодаря объединению двигателя с советским лазером была изобретена микросхема. В будущем планируется поработать также над размером свечи зажигания, чтобы сделать ее более компактной. Материальная поддержка проекта составила 100 тыс. руб. Как утверждают ученые, если будет недостаток финансирования, то будет невозможно продолжить проект».
Несерьезно как-то… тут же утверждается, что в Японии и США также разрабатываются лазерные свечи зажигания, а прототип двигателя с лазерными свечами зажигания был представлен в США в 2008 году.
Так все-таки, изобрели наши студенты свечи, или нет?
Оказалось, прототип был апробирован еще в начале прошлого десятилетия, и в 2006 году группой Азера Ялина из Колорадо была запатентована система многоканального лазерного запала с одновременной лазерной диагностикой процесса сгорания смеси в камере. Для передачи пучка на линзу запала Ялин применял термостойкое ламинированное оптоволокно с отражающим слоем серебра толщиной 0,2 мкм. Линза, установленная на месте свечи зажигания, могла фокусировать пучок на любую точку камеры сгорания, а в качестве источника излучения был успешно опробован импульсный YAG лазер мощностью 250 Вт. Примерно такие же твердотельные лазеры широко используются в медицине и косметологии.
Испытания проводились на промышленном газовом двигателе Waukesha VGF и показали высочайшую эффективность лазерного запала. Достаточно сказать, что вероятность пробоя и возгорания смеси составляла 100% на всех режимах работы, а коэффициент разброса давления смеси в цилиндре с лазерным запалом был на 80% ниже паспортного. При этом суммарная энергия импульсов составляла мизерные 2,3 мДж. Одновременно проводились опыты с лазерным зажиганием ДВС на водороде, биогазе и бензине, включая версии с прямым стратифицированным впрыском и экстремальными степенями сжатия, а в Австрии группа профессора Герхарда Крупы разработала достаточно мощный компактный лазерный диод, работающий от 12-вольтовой бортовой сети.
Тем не менее, реализовать лазерное зажигание, полностью адаптированное к условиям эксплуатации автомобильных двигателей, ученым не удалось. Было выявлено, что лазерные запалы чрезвычайно чувствительны к вибрации, нагреву и коксованию оптического окна. Частично эти проблемы удалось решить Азеру Ялину, сумевшему вплотную приблизиться к созданию инновационного зажигания, которое можно применять в стационарных и судовых газовых двигателях. Но о лазерном зажигании для легковушек и речи не было – столь громоздкие системы не помещались под капот автомобиля.
На конференции CLEO 2011, посвященной проблемам лазерной техники и оптоэлектроники, японец Такунори Тайра представил сенсационный доклад о разработке первого в мире сверхмощного твердотельного микролазера Nd:YAG/Cr:YAG с диодной накачкой, длина которого составляет 11, а диаметр – 9 мм. Лазер сделан из прозрачной стеклокерамики и способен работать при температуре свыше 150°C без ухудшения оптических свойств. Работа группы, в которую помимо ученых вошли инженеры компаний Toyota и Denso, продолжалась в течение семи лет и была изначально нацелена на создание прототипа лазерного зажигания для легковых автомобилей.
Испытания двухлучевого лазерного запала проводились как в лабораторной камере сгорания, так и на одном из цилиндров серийной двухлитровой рядной четверки Toyota в условиях стехиометрической смеси (15,2:1) в режиме 1 600 об/мин. Тайра не зафиксировал ни одного пропуска зажигания в «лазерном» цилиндре в течение нескольких сотен тысяч тактов. Более того, в 100% случаев лазерный запал был снайперски точен: для возгорания смеси хватало первого из четырех запрограммированных импульсов продолжительностью 600 пикосекунд каждый. В специально обедненной смеси (17,2:1) свечи зажигания продемонстрировали 100%-ный отказ, тогда как лазерная «двустволка» уверенно поражала мишень максимум с третьего из пяти импульсов.
Нет сомнений, утверждает Тайра, что в адаптированном под лазерное зажигание двигателе эффективность запала будет еще выше. Вполне вероятно, что первой подобной адаптацией станет экзотический роторный двигатель Mazda Renesis, новая 300-сильная модификация которого должна появиться на рынке после 2014 года. Но японцев могут опередить другие автопроизводители. В частности, Ford, ведущий интенсивные исследования по лазерной тематике уже в течение пяти лет, обещает реализовать их в виде серийного узла в ближайшие годы.
Компания Bosch также весьма активно занимается системами лазерного зажигания и уже предпринимает конкретные меры по защите своих позиций на еще не родившемся рынке. Осенью 2011 года специалисты Bosch Вернер Херден и Юрген Райманн запатентовали систему форкамерного лазерного зажигания газового ДВС, а уже в феврале 2012-го ими была подана патентная заявка на инновационную конструкцию верхней части цилиндра и днища поршня
Еще одно альтернативное - радиочастотное электростатическое зажигание, - формирует четыре очага возгорания. Сталкиваясь друг с другом, они ускоряют процесс сгорания смеси. Частота съемки – один кадр в 16 мс
Совсем недавно специалисты из Румынии и Японии предложили порошковый лазер, который будет в скором времени использоваться в ДВС вместо свечей зажигания.
Лазер имеет такие же размеры, что и свеча. И это большая заслуга разработчиков. Этот лазер сделан из керамических порошков, вследствие чего импульсы стали более стабильными (что очень важно в системе зажигания автомобиля), терпимыми к температурным режимам.
Внутри цилиндра лазер будет выдавать два, а то и три луча, распространяющихся по глубине цилиндра, и если сосредоточить импульс в центре камеры, то произойдет полное сгорание смеси,. Таким образом, ДВС с лазерной системой зажигания будет производить меньше выбросов и углекислого газа, в основном за счет полноты сгорания топлива. Топливо со свечным зажиганием от того и сгорает неполно, что свеча воспламеняет топливо лишь возле искрового промежутка.
На данный момент изобретатели новой системы ведут диалог с ведущими автопроизводителями, а также компанией Denso, которая занимается производством автокомплектующих. Возможно, под этой маркой и выйдут лазеры зажигания.
В-общем, сдается мне, что до внедрения российской лазерной свече еще далеко. Как это часто бывает, какой-то корреспондент бежит впереди паровоза. И как только выявится масса технических проблем, над которыми студентам и тем более профессорам работать некогда, можно будет надолго забыть о такой панацее низкотемпературного зажигания, как российские лазерные свечи.
#Статьи
www.dnevniki.ykt.ru
Лазерные свечи зажигания
Если вы найдете ошибку в тексте, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter. Спасибо.
Просмотров: 3 057
Применение лазерных свечей зажигание уже не за горами. Что они из себя представляют и как работают мы познакомим вас в этой статье.
Лазер сегодня стал незаменимым помощником в строительстве и медицине, космической отрасли и немалом числе других отраслей науки и техники – например в автомобилестроении.
Огромная благодарность японским инженерам, которые разработали лазерные свечи зажигания.
Главное, что этим свечам присуще – возможность длительной работы в экстремальных температурных условиях.
От простой свечи лазерная отличается, как можно догадаться, отсутствием искры.
Здесь бензин в цилиндре поджигается концентрированными импульсами света.
Инженеры здесь решили немыслимую сначала проблемы – совместили высокую мощность лазера и маленькие размеры свечи.
Поддерживал японцев Институт лазеров и радиационной физики из Румынии, поэтому разработку в определенной мере можно именовать интернациональной.
Поддержка помогла – японцы сумели разработать микролазер, применив технологию спекания порошков, состоящих из керамического композита.
Совмещение двух разных материалов ознаменовалось получением лазера требуемой мощности.
Встраиваемый в свечу новый лазер обладает диаметром 9 и длиной 11 мм, а действие его заключено в излучении длинной очереди пикосекундных импульсов – их, заметим, бывает 800.
Одной вспышкой такого луча бензин не поджечь, но множеством – вполне реально.
В лазерном пучке сконцентрированы сотни гигаватт (!) энергии, поэтому в эффективной работе можно не сомневаться, особенно если знать, что гигаватты эти приходятся на 1 см2.
Уже создана лазерная свеча, излучающая два световых пучка. Топливо такой свечой поджигается гораздо равномернее и быстрее.
Испытания лазерной свечи на частоте в 100 Гц уже проведены. Между тем, созданы свечи, имеющие 3 пучка лазерного света. Трех лучей, возможно, будет даже несколько больше, чем достаточно.
Как рассказывали специалисты, свечи с несколькими лазерными пучками могут фокусировать всю световую энергию прямо в центр камеры сгорания – это гарантия наилучших условий для качественного сгорания топлива.
Обычная свеча, даже самая лучшая в мире, настолько высокого эффекта никогда не даст.
С лазерными свечами контроль времени, за которое подается лазерный импульс, будет высокоточным. Двигатели в результате обретают более высокую экономичность и экологичность.
Рекомендуем почитать про иридиевые свечи зажигания.
Разработчики утверждают, что водителям не придется чрезвычайно много тратить на маленькое чудо большой науки.
Стоимость лазерных свечей всегда будет невысокой из-за относительно легкого, с точки зрения технологии их производства.
Если в статье есть видео и оно не проигрывается, выделите любое слово мышью, нажмите Ctrl+Enter, в появившееся окно введите любое слово и нажмите "ОТПРАВИТЬ". Спасибо.
ЭТО МОЖЕТ БЫТЬ ПОЛЕЗНЫМ:
ПОДЕЛИТЬСЯ НОВОСТЬЮ С ДРУЗЬЯМИ:
autotopik.ru
Лазерные свечи зажигания для автомобиля
Не так долго осталось ждать, когда появится альтернатива замены обычных свечей зажигания на более современные с лазерным устройством. Как известно, использование лазера уже используется в медицинских целях, строительной или космической промышленности и во многих других областях. Изобретателями лазерных свечей зажигания считаются японские специалисты.
Особенность данной новинки в том, что они способны работать намного дольше и в любых экстремальных условиях при разной температуре. Если сравнивать лазерную свечу от обычной, то главное отличие — это отсутствие обычной искры.
В данном случае бензин внутри цилиндра воспламеняется при помощи концентрации светового импульса. Японские изобретатели (инженеры) решили главную проблему – совмещения мощности лазера и установка маленьких размеров свечи зажигания.
Существенную поддержку им оказывал Институт лазера и радиационной физики, который находится в Румынии. Данную разработку можно считать интернациональной.
В итоге, был изобретен небольшой лазер по одной из технологий спекания (запекания) порошка, который состоял из керамического композита. Именно совместив два разных материала, получилось создать лазерную установку требуемой мощности для воспламенения рабочей смеси (пикосекундные импульсы достигают показателя 800) и размеры диаметром от 9 мм, а длинна 11 мм.
Конечно, одной вспышки будет не достаточно воспламенить бензин, но если их будет множество, тогда возможно.
Лазерный пучок света обладает сконцентрированостью более сотни гигаватт энергии, так что проблем с поджиганием топливной смеси в цилиндре не будет. На сегодняшний день уже существуют лазерные свечи, излучающие два и три световых пучка. Обычная свеча зажигания, даже самая лучшая не способна дать такого эффекта. Использование в двигатели лазерной свечи способствуют высокой экономичности и экологичностью. Стоимость таких свечей будет не высокой.
a-shema.ru
Лазерные свечи зажигания
Со времен изобретения свечей зажигания их внешний вид и конструкция кардинально не менялись, тогда, как двигатели обрастали новым оборудованием, которое мешало менять сами свечи.
Еще пять лет назад о лазерных свечах могли только лишь мечтать, но ученые и инженеры Японии смогли создать лазерную систему, предназначенную для зажигания двигателя внутреннего сгорания. При спекании порошков из керамического композита японцы создали микролазер. Ведь при создании свечи, прежде всего, нужно было решить проблему, связанную с малогабаритностью самого лазера. Ученые создали новый лазер, диаметр которого не превышает 9 мм, а длина 11 мм.
Аналогичные разработки проводят и в России. Так, в Нижнем Новгороде студенты и преподаватели Политехнического университета разрабатывают новую систему зажигания, при которой используется лазер. Такое нововведение не требовало больших финансовых затрат, т. к. первый экземпляр изготовили из старого двигателя. К нему инженеры присоединили лазерную мини установку и запустили двигатель. Первое испытание прошло успешно, без единого сбоя. Новая разработка пока не отвечает всем требованиям, но нижегородские ученые планируют провести такое испытание не на стенде, а на автомобиле и обещают, что будущая лазерная свеча будет более компактной.
Преимущества применения лазера в свечах
Так какими же преимуществами обладают лазерные свечи зажигания перед традиционными?-компактность является несомненным преимуществом таких свечей, если учитывать ограниченное пространство блока цилиндра;-использование лазерных свечей позволяет во много раз снизить выброс вредных веществ в атмосферу;-неоспоримым преимуществом является их выносливость в самых жестких температурных условиях;-новая система поджига при использовании таких свечей происходит намного быстрее, чем от традиционных свечей.
С помощью концентрированных световых импульсов поджигается топливная смесь. Если импульс сосредоточить в самом центре камеры, то можно добиться полного сгорания смеси. Лазер может зажигаться 50 раз в секунду. Тем самым осуществляется хорошее сгорание топлива, что приводит к повышению экономичности мотора автомобиля.Как обещают ученые и инженеры, в продажу первые лазерные свечи поступят уже к концу 2013 года и они надеются на помощь инвесторов, которые будут готовы вложить денежные средства в такой перспективный и выгодный проект. Ученые утверждают, что такие свечи будут востребованы во всех областях России, а цена на них не будет существенно отличаться от цены на традиционные свечи зажигания. Так что можно с уверенностью сказать, что будущее за лазерными свечами зажигания.
resource-auto.ru
Лазерные свечи зажигания.
Японским учёным из национального института естественных наук, удалось разработать уникальную лазерную систему зажигания, которая благодаря малым размерам, может уместиться в корпусе свечи зажигания автомобиля или мотоцикла. К тому же этот лазер очень устойчив к жёстким условиям, происходящим в головке цилиндра. И в отличии от традиционных искровых свечей зажигания, новое устройство поджигает рабочую смесь в цилиндрах двигателя мощными световыми импульсами, а концентрация излучения светового пучка на выходе, составляет сто гигаватт энергии на квадратный сантиметр! И японцам пришлось решить очень важную проблему: как сохранить достаточную мощность лазера, но сохранить при этом его миниатюрность, которая позволит вписать его в корпус, с такими же размерами, как и у традиционной свечи зажигания.
Миниатюрный лазер с нужными свойствами, был получен из композита керамики, путём спекания порошков, а так же совмещением разных по свойствам материалов, таких как иттрий, алюминий, галлиевый композит, всё это легировали неодимом с добавкой хрома. Миниатюрный лазер имеет диаметр всего девять миллиметров!, а длину всего одиннадцать миллиметров!, что позволяет легко вписать его в корпус свечи, размерами как у обычной свечки.
Ещё одно преимущество лазерной свечи, так это отсутствие электродов, которые очень мешают нормальному распространению фронта пламени в обычных свечах зажигания. Благодаря отсутствию электродов и возможностью сфокусировать лазерный импульс в центре камеры сгорания двигателя, появляется возможность добиться полного сгорания топлива, и к тому же обеднить топливную смесь. В итоге концентрация вредных веществ в выхлопных газах сильно снижается, и ощутимо уменьшается расход бензина. При этом мощность двигателя не уменьшается, а увеличивается, ведь топливо сгорает полнее.
При испытаниях выяснилось, что одна вспышка светового пучка, недостаточна для нормального воспламенения рабочей топливной смеси. В итоге учёные добились серии вспышек в 800 пикосекундных импульсов, а частота их высекания равна 100 Герц. Не поджечь топливо такой серией импульсов просто невозможно. Вспышка топлива в камере сгорания, происходит моментально.
Самое радостное во всей этой истории, это то, что скоро керамические лазерные свечи будут производиться серийно, и подсчёты экономистов на затраты серийного производства сильно обрадовали, и обходиться промышленникам такие свечи будут не дорого. А это значит, что скоро они станут недороги и доступны для рядового водителя и это радует. Поживём увидим.
suvorov-castom.ru
лазерная свеча зажигания - патент РФ 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.
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 коронного разряда. 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 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 дисбаласа 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 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 «мини-форкамера». 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 свеча зажигания по патенту РФ на изобретение № 2360342, МПК H01T 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 Авт.св. СССР № 1802382, МПК H01T 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 «мини-форкамеру» 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 «мини-форкамеры» 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 па 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 дросселирования при заполнении камеры ТВС и уменьшение 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.
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 уменьшение ее дозы и, как следствие, мощности факелов воспламенения. Вторым недостатком является применение электрической свечи зажигания.
Задачей создания изобретения, соответствующей достигнутому техническому результату, является создание простой лазерной свечи малых габаритов, обеспечивающей более надежное зажигание при запуске ДВС особенно при низких температурах, более полное сгорание ТВС и надежность.
Технический результат - одновременное повышение мощности свечи зажигания при уменьшении мощности лазера вследствие применения для обеспечения воспламенения ТВС лазерного луча и коронного разряда одновременно.
Решение указанных задач достигнуто в лазерной свече зажигания, содержащей оптику и форкамеру, отделенную от оптики шайбой с центральным отверстием, и днище с выходными отверстиями в нем, тем, что лазерная свеча зажигания выполнена с возможность одновременного создания коронного разряда и лазерного луча.
Лазерная свеча зажигания может быть выполнена с возможность вращения коронного разряда. Лазерная свеча зажигания может быть выполнена с возможностью создания коронного разряда внутри форкамеры. Лазерная свеча зажигания может быть выполнена с возможностью создания коронного разряда вне форкамеры. Лазерная свеча зажигания может быть выполнена с возможностью одновременного создания коронного разряда внутри и вне форкамеры. Лазерная свеча зажигания может быть выполнена с возможностью расщепления лазерного луча. Лазерная свеча зажигания может содержать последовательно установленные клеммный наконечник, высоковольтный преобразователь и твердотельный лазер, соединенные внутренним высоковольтным проводом и внутренними проводами, а также оптику, включая фокусирующую линзу и оптическое окно. Шайба может выполнять функцию внутреннего электрода и выполнена из электропроводного материала и соединена с внутренним высоковольтным проводом. Шайба может быть выполнена с кольцевым остроконечным выступом на торце, обращенном к форкамере. Шайба может быть выполнена с локальными остроконечными выступами на торце, обращенном к форкамере. На шайбе может быть выполнено под углом к оси воспламенителя несколько отверстий, концентрично электроизоляционной втулке выполнен внешний кольцевой электрод. Внешний кольцевой электрод может быть выполнен в виде сужающегося сопла. Внешний кольцевой электрод может быть выполнен в виде расширяющегося сопла. Внешний кольцевой электрод может быть выполнен в виде сужающееся-расширяющегося сопла. Внутри внешнего кольцевого электрода может быть выполнено средство закрутки потока. Выходные отверстия могут быть выполнены радиальными. Выходные отверстия могут быть выполнены тангенциальными. 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
24, где
- на фиг. 1 представлен воспламенитель в сборе, первый вариант,
- на фиг. 2 приведен воспламенитель в сборе, второй вариант,
- на фиг. 3 представлен воспламенитель в сборе, третий вариант,
- на фиг. 4 представлен воспламенитель в сборе, четвертый вариант,
- на фиг. 5 приведена шайба с кольцевым остроконечным выступом,
- на фиг. 6 приведена шайба с локальными остроконечными выступами,
- на фиг. 7 приведена шайба с несколькими отверстиями, выполненными под углом,
- на фиг. 8 приведена форкамера,
- на фиг. 9 приведена форкамера, второй вариант,
- на фиг. 10 приведен разрез А-А, первый вариант,
- на фиг. 11 приведен разрез А-А, второй вариант,
- на фиг. 12 приведена нижняя часть воспламенителя, первый вариант,
- на фиг. 13 приведена нижняя часть воспламенителя, второй вариант,
- на фиг. 14 приведена нижняя часть воспламенителя, третий вариант,
- на фиг. 15 приведена нижняя часть воспламенителя, четвертый вариант,
- на фиг.16 приведена вид В, первый вариант,
- на фиг. 17 приведен вид В, второй вариант,
- на фиг. 18 приведен вид В, третий вариант
- на фиг. 19 приведен вид В, четвертый вариант,
- на фиг. 20 приведен вид В, пятый вариант,
- на фиг. 21 приведен вид В, шестой вариант,
- на фиг. 22 приведен внешний вид лазерной свечи зажигания, первый вариант,
- на фиг. 23 приведен внешний вид лазерной свечи зажигания, второй вариант,
- на фиг. 24 приведена работа лазерной свечи зажигания в составе ДВС.
Лазерная свеча зажигания 1 (фиг. 1 24) содержит корпус 2 (металлический), изолятор 3, клеммный наконечник 4, к которому присоединен внутренним высоковольтным проводом 5 высоковольтный преобразователь 6, предназначенный для преобразования высокого напряжения в напряжение, необходимое для питания твердотельного лазера 7, присоединенного электрическими проводами 8 к этому блоку.
Твердотельный лазер 7 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. Днище 13 выполнено в виде усеченного конуса и имеет боковые стенки 15 и нижнюю стенку 16.
Фокамера 12 отделена от лазерной свечи 1 шайбой 17 с центральным отверстием 18, которое сообщает форкамеру 12 с защитной полостью 19, предназначенной для защиты оптики от прямого воздействия продуктов сгорания в форкамере 12. Центральное отверстие 18 предназначено для прохождения луча лазера 20 от фокусирующей линзы 10. В защитной полости 19 над шайбой 17 установлено оптическое окно 21. Оптическое окно 21 и фокусирующая линза 10 образуют оптику заявленного устройства.
При этом лазерная свеча зажигания 1 может быть выполнен в одном из четырех вариантов.
Лазерная свеча зажигания 1 может быть выполнена с возможностью создания коронного разряда внутри форкамеры 12 (фиг. 1)
Концентрично шайбе 17 в этом варианте исполнения установлен электрический изолятор 22 (фиг. 1)
Возможен вариант, когда лазерная свеча выполнена с возможностью создания коронного разряда вне форкамеры 12 (фиг. 2). В этом случае концентрично корпусу 2 лазерной свечи 1 установлен электрический изолятор 23, а концентрично нему - внешнее кольцевое сопло 24.
Возможен вариант, когда лазерная свеча выполнена с возможностью создания коронного разряда вне форкамеры 12 и внутри форкамеры 12 (фиг. 3). В этом варианте исполнения установлен электрический изолятор 22 и концентрично корпусу 2 лазерной свечи 1 установлен электрический изолятор 23, а концентрично нему - внешнее кольцевое сопло 24.
В четвертом варианте (фиг. 4) применена призма 25 для разделения луча лазера 20 на несколько.
Блок согласования напряжения 6 (фиг. 1) электрически соединен внутренним высоковольтным проводом 5 с клеммным наконечником 4, который высоковольтным проводом 26 соединен с распределителем импульсов 27, который высоковольтными проводами 28 соединен с высоковольтным блоком 29, который низковольтными проводами 30, содержащими выключатель 31, соединен с источником энергии 32. Один низковольтный провод 30 соединен с массой 33 (заземлен).
Возможны три варианта исполнения шайбы 17, выполняющей функцию центрального электрода (фиг. 5 7).
На фиг. 5 приведена шайба с кольцевым остроконечным выступом 34, на фиг. 6 приведена шайба 17 с локальными остроконечными выступами 35, на фиг. 7 приведена шайба 17 с несколькими отверстиями 36, выполненными под углом для предотвращения загрязнения оптики.
Выходные отверстия 12 могут быть выполнены в нескольких вариантах (фиг. 8 11).
Выходные отверстия 14 могут быть выполнены радиальными (фиг. 8 и 10). Выходные отверстия 14 могут быть выполнены тангенциально (фиг. 9 11). Выходные отверстия 14 могут быть выполнены только на боковой стенке 15 (фиг. 8 и 10). По меньшей мере, одно выходное отверстие 14 может быть выполнено на нижней стенке 16 (фиг. 9 и 11).
Возможны разные варианты исполнения внешнего кольцевого электрода 24 (фиг. 12 15).
Внешнее кольцевое сопло 24 может быть сужающимся 37 (фиг. 12) расширяющимся 38 (фиг. 13) или в виде сужающееся-расширяющегося сопла 39, т.е. в виде Лаваля (фиг. 4). Внутри внешнего кольцевого сопла 24 может быть установлено средство закрутки потока 40 (фиг. 15).
Внутри форкамеры 12 может быть установлено внутренне средство закрутки 41 (фиг. 16), возможно одновременное применение средства закрутки потока 40 и внутреннего средства закрутки 41 (фиг. 17).
На фиг. 18 приведен вид C, первый вариант с фаской 42 на входе в выходные отверстия 14, на фиг. 19 приведен вид C, второй вариант с фасками 43 на выходе из выходных отверстий 14, на фиг. 18 приведен вид C, третий вариант с радиусными скруглениями 44 на входе в выходные отверстия 14, на фиг. 19 приведен вид C, четвертый вариант с радиусными скруглениями 45 на выходе их выходных отверстий 14. Фаски 42 и 43 и радиусные скругления 44 и 45 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.
На фиг. 22 и 23 приведен внешний вид двух вариантов лазерной свечи зажигания, а на фиг. 24 - ее работа в составе ДВС.
Работа устройства
При работе воспламенителя, например в составе ДВС (фиг.1...24), в состав которого входит воспламенитель, двигатель запускают стартером (не показано) и одновременно включают выключатель 31 (замок зажигания). 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, где напряжение снижается до рабочего, и далее на твердотельный лазер 7, который генерирует луч лазера 20. Луч лазера 20 практически мгновенно воспламеняет ТВС в форкамере 12. ТВС, находящаяся в контакте, воспламеняется и фронт пламени в виде шара, фронт пламени радиально идет до выходных отверстий 14 и выходит из них в камеру сгорания цилиндра двигателя.
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.
Одновременно между металлическим корпусом 2 и шайбой 17, выполняющей роль центрального электрода, возникает коронный разряд, который значительно нагревает топливовоздушную смесь внутри форкамеры 12, что облегчает работу лазерной свечи зажигания 1 и позволяет в несколько раз уменьшить энергию твердотельного лазера 7. Наличие остроконечных выступов 34 и 35 способствует возникновению коронного разряда.
В случае применения внешнего электрода 24 (фиг. 2) коронный разряд возникает вне форкамеры 12.
Применение средства закрутки потока 40 и/или внутреннего средства закрутки 41 позволит закрутить вместе с по потоком коронный разряд.
При этом за счет того, что общая площадь выходных отверстий 14 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.
Коническая форма днища позволяет разместить на нем максимально количество отверстий при минимальном выступании форкамеры 12 внутрь цилиндра ДВС. Кроме того, на этой поверхности можно расположить выходные отверстия 14 под любым углом к оси форкамеры 12. Предпочтительно - радиально. При этом геометрические центры сфер, образующих форкамеру 12, 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 из выходных отверстий (из-за отсутствия внезапного расширения и сужения).
Во втором варианте (фиг. 2) коронный разряд возникает вне форкамеры 12, а в третьем варианте (фиг. 3) одновременно внутри и вне форкамеры 12.
В четвертом варианте (фиг. 4) можно получить несколько лазерных лучей путем расщепления луча лазера 20 на призме 25.
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 лазерной свечи зажигания.
2. Уменьшить потребную мощность лазера за счет применения коронного разряда как внутри форкамеры, так и вне ее, также дополнительно за счет закрутки коронного разряда.
3. Упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении лазерной свечи зажигания и форкамеры.
4. Заменить серийно выпускаемые свечи зажигания без изменения электрической части системы зажигания на лазерные свечи зажигания.
5. Увеличить мощность воспламенителя за счет снижении аэродинамических потерь в выходных отверстиях за счет:
- выполнением выходных отверстий радиальными или тангенциальными,
- выполнением на выходных отверстиях фасок или радиусных скруглений.
6. Улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет воспламенении ТВС в малом объеме форкамеры двумя источниками энергии лазерного и коронного разряда.
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.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Лазерная свеча зажигания, содержащая оптику и форкамеру, отделенную от оптики шайбой с центральным отверстием, и днище с выходными отверстиями в нем, отличающаяся тем, что лазерная свеча зажигания выполнена с возможность одновременного создания коронного разряда и лазерного луча.
2. Лазерная свеча зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможность вращения коронного разряда.
3. Лазерная свеча выполнена по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью создания коронного разряда внутри форкамеры.
4. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью создания коронного разряда вне форкамеры.
5. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью одновременного создания коронного разряда внутри и вне форкамеры.
6. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью расщепления лазерного луча.
7. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит последовательно установленные клеммный наконечник, высоковольтный преобразователь и твердотельный лазер, соединенные внутренним высоковольтным проводом и внутренними проводами, а также оптику, включая фокусирующую линзу и оптическое окно.
8. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что шайба выполняет функцию внутреннего электрода и выполнена из электропроводного материала и соединена с внутренним высоковольтным проводом.
9. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что шайба выполнена с кольцевым остроконечным выступом на торце, обращенном к форкамере.
10. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что шайба выполнена с локальными остроконечными выступами на торце, обращенном к форкамере.
11. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на шайбе выполнено под углом к оси воспламенителя несколько отверстий.
12. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что концентрично электроизоляционной втулке выполнен внешний кольцевой электрод.
13. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что внешний кольцевой электрод выполнен в виде сужающегося сопла.
14. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что внешний кольцевой электрод выполнен в виде расширяющегося сопла.
15. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что внешний кольцевой электрод выполнен в виде сужающееся-расширяющегося сопла.
16. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что внутри внешнего кольцевого электрода выполнено средство закрутки потока.
17. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что выходные отверстия выполнены радиальными.
18. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что выходные отверстия выполнены тангенциальными
19. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что выходные отверстия выполнены цилиндрической формы.
20. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что выходные отверстия выполнены конической формы с расширением в сторону выхода.
21. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на входе в выходные отверстия выполнены фаски.
22. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на выходе из выходных отверстий выполнены фаски.
23. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на входе в выходные отверстия выполнены радиусные скругления.
24. Лазерная свеча зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на выходе из выходных отверстий выполнены радиусные скругления.
www.freepatent.ru
Исследователи Великобританского отделения компании Форд, совместно с учеными Университета Ливерпуля (University of Liverpool) занимаются разработкой лазеров, которые могут выступить заменой свечам зажигания в бензиновых двигателях. Ожидается, что новая технология не только облегчит запуск двигателя автомобиля, но и сделает более эффективным весь процесс поджига и сгорания топливной смеси, что должно положительно сказаться на КПД двигателей и токсичности выбросов в окружающую среду.  Эти лазеры будут питаться от бортовой сети автомобиля через специальные стабилизаторы, которые обеспечат одинаковые характеристики лазерного светового излучения вне зависимости от условий окружающей среды и напряжения бортовой сети автомобиля. Лазерный луч будет направлен в камеру сгорания через систему светопроводов, специальные линзы обеспечат фокусирование пучка света в точке внутри камеры сгорания, благодаря чему в этой точке будет достигнута высокая температура, которая подожжет топливную смесь. По системе светопроводов будет передаваться и свет из камеры сгорания, который после обработки в компьютере автомобиля поможет оптимизировать угол упреждения зажигания, качество смеси и другие параметры работы двигателя. В это же время команда японских исследователей работает над изменением традиционных свечи зажигания, это оптический "апгрейд" в виде лазерных систем воспламенения топливной смеси. Использование таких высокоточных систем позволит осуществить полный контроль над процессами воспламенения и горения топлива, что сделает двигатели внутреннего сгорания более эффективными, экономичными и более экологически безопасными.  В обычных двигателях топливная смесь сжимается в цилиндре и поджигается искрой свечи зажигания. Эта искра, кратковременная электрическая дуга, образуется в результате подачи высокого напряжения на электроды свечи. Этот метод является достаточно простым и эффективным методом воспламенения топлива уже на протяжении долгих лет, но накладывает строгие ограничения на качество используемого топлива. В смеси топлива с воздухом должно содержаться определенное количество топлива, иначе искра свечи просто не воспламенит смесь. Более горячая искра воспламенит более бедную смесь, но срок работы электродов при этом существенно уменьшится. Идеальный двигатель внутреннего сгорания должен работать на обедненной топливной смеси, воспламеняемой более высокой температурой, и это та область, где успешно можно использовать возможности лазеров. Так как лазером можно управлять с высокой точностью можно идеально настроить лазерную систему воспламенения топлива, что бы обеспечить равномерное воспламенение топлива сразу во всем объеме цилиндра сгорания, что позволит получить большую мощность от такого же количества топлива. При этом характеристики лазерной системой не будут зависеть от оборотов двигателя и от срока службы, чем грешат даже самые лучшие экземпляры свечей зажигания, которые со временем выходят из строя и требуют периодической замены. В прежнее время, мощные лазеры, способные обеспечить передачу энергии, требуемую для воспламенения топливной смеси, существовали. Но такие лазеры были дорогими, громоздкими и нестабильными в работе. Новые керамические лазеры, разработанные японской командой, имеют диаметр всего 9 миллиметров и способны вырабатывать короткие мощные импульсы в точно заданный момент времени. Для обеспечения качественного зажигания топлива лазер обоих команд может использоваться в импульсном режиме, при этом уровень подаваемой мощности будет значительно выше чем у обычных свечей зажигания. Это позволит использование смешанных типов топлива и биотоплива без потери эффективности работы двигателя. Вся информация информация заимствована с сайта www.dailytechinfo |
www.autoscience.ru
