RU2634300C2 - Device for laser ignition of fuel-air mixture in internal combustion engine - Google Patents
Device for laser ignition of fuel-air mixture in internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2634300C2 RU2634300C2 RU2016103044A RU2016103044A RU2634300C2 RU 2634300 C2 RU2634300 C2 RU 2634300C2 RU 2016103044 A RU2016103044 A RU 2016103044A RU 2016103044 A RU2016103044 A RU 2016103044A RU 2634300 C2 RU2634300 C2 RU 2634300C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- ignition
- insulator
- focusing lens
- fuel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
- F02P23/00—Other ignition
- F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике и двигателестроению, конкретно к средствам воспламенения топливовоздушной смеси преимущественно в двигателях внутреннего сгорания - ДВС.The invention relates to energy and engine building, specifically to means for igniting a fuel-air mixture mainly in internal combustion engines - ICE.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2212559, МПК F02P 23/04, опубл. 20.09.2003 г.Known spark plug according to the patent of Russian Federation No. 2212559, IPC F02P 23/04, publ. September 20, 2003
Устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания содержит блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазера, связанный с датчиком состава рабочей смеси и блоком синхронизации, полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра. Кроме того, устройство снабжено источником воспламенения, выполненным в виде лазерно-искровой свечи, которая установлена в головке блока цилиндров двигателя и связана с искровой системой зажигания, формирователем импульсов лазерного подогрева, связанным с усилителем мощности накачки лазера и блоком синхронизации, и датчиком состава смеси, соединенным с усилителем мощности накачки лазера.A device for igniting a working mixture in a cylinder of an internal combustion engine contains a synchronization unit connected by an electric circuit to a position sensor of the engine crankshaft, a laser pump power amplifier connected to a composition sensor of the working mixture and a synchronization unit, a semiconductor laser connected through the light guide to the cylinder space. In addition, the device is equipped with an ignition source, made in the form of a laser-spark plug, which is installed in the cylinder head of the engine and connected to the spark ignition system, a laser pulse shaper associated with the laser pump power amplifier and synchronization unit, and a mixture composition sensor, connected to a laser pump power amplifier.
Способ лазерного зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что рабочую смесь в пространстве цилиндра двигателя нагревают энергией лазерного источника излучения. Причем рабочую смесь нагревают в межэлектродном пространстве свечи зажигания в конце такта сжатия, дополнительно поджигают искровым разрядом и регулируют интенсивность излучения лазера в соответствии с режимом работы двигателя.The method of laser ignition of the working mixture in the cylinder of an internal combustion engine is that the working mixture in the space of the cylinder of the engine is heated by the energy of a laser radiation source. Moreover, the working mixture is heated in the interelectrode space of the spark plug at the end of the compression stroke, it is additionally ignited by a spark discharge and the laser radiation intensity is adjusted in accordance with the engine operating mode.
Недостаток - сложность конструкции.The disadvantage is the complexity of the design.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2309288, МПК F02P 23/04, опубл. 27.10.2007.Known spark plug according to the patent of the Russian Federation No. 23039288, IPC F02P 23/04, publ. 10/27/2007.
Сущность изобретения заключается в том, что горючую смесь нагревают и поджигают энергией двух лазерных источников, при этом первым (полупроводниковым) лазерным источником в горючей смеси камеры сгорания предварительно создают локальный разогретый участок в виде цилиндрического объема путем колебательного перемещения фокального пятна вдоль оси лазерного луча, а вторым (твердотельным) лазерным источником в момент зажигания горючей смеси подают энергетический импульс, причем фокусирование луча производят в центр продольной оси разогретого цилиндрического объема горючей смеси, при этом длину волны лазерных источников устанавливают в спектральном диапазоне 0,5…4,7 мкм в зависимости от вида горючей смеси.The essence of the invention lies in the fact that the combustible mixture is heated and ignited by the energy of two laser sources, while the first (semiconductor) laser source in the combustible mixture of the combustion chamber is preliminarily created a local heated section in the form of a cylindrical volume by vibrational movement of the focal spot along the axis of the laser beam, and the second (solid-state) laser source at the time of ignition of the combustible mixture serves an energy pulse, and the beam is focused in the center of the longitudinal axis of the heating cylindrical volume of the combustible mixture, wherein the wavelength of laser sources mounted in the spectral range of 0.5 ... 4.7 mm, depending on the kind of the combustible mixture.
Система для реализации способа содержит блок синхронизации, усилитель мощности накачки лазеров, связанный с датчиком состава горючей смеси и с блоком синхронизации, лазерные источники, связанные трактом передачи энергии с камерой сгорания двигателя, устройством формирования цилиндрического разогретого объема, оптически связанного посредством подвижной оптической линзы с первым (полупроводниковым) лазерным источником и через электрический разъем соединенного с задатчиком частоты и амплитуды колебаний фокального пятна, который связан с датчиком состава горючей смеси. Кроме того, оба лазерных источника и устройство формирования цилиндрического разогретого объема оформлены в виде автономного блока с оптическим устройством формирования лучей лазерных источников. Воспламеняющий разогретый цилиндрический объем играет роль мощного запального элемента.The system for implementing the method comprises a synchronization unit, a laser pump power amplifier associated with a combustible mixture composition sensor and a synchronization unit, laser sources connected by an energy transmission path to an engine combustion chamber, a device for generating a cylindrical heated volume optically coupled by means of a movable optical lens to the first (semiconductor) laser source and through an electrical connector connected to the master frequency and amplitude of the focal spot, which is connected en with a fuel mixture sensor. In addition, both laser sources and the device for forming a cylindrical heated volume are designed as a stand-alone unit with an optical device for generating beams of laser sources. An igniting heated cylindrical volume plays the role of a powerful ignition element.
Недостатки - сложность конструкции и высокая стоимость из-за наличия двух лазеров.Disadvantages - design complexity and high cost due to the presence of two lasers.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 20.12.2011.Known spark plug according to the patent of Russian Federation No. 2436991, IPC F02P 23/04, publ. 12/20/2011.
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 с оптическим световодом и с фокусирующей линзой. Блок синхронизации связан с усилителем мощности накачки лазера и с датчиком положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку, к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя. Усилитель мощности накачки лазера представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.The essence of the method is as follows. Ignition of fuel assemblies in internal combustion engines is achieved using a laser optical discharge; to intensify it, the laser beam is concentrated on the metal surface of the engine piston. A device for implementing the method comprises a laser with an optical fiber and with a focusing lens. The synchronization unit is connected to a laser pump power amplifier and to a camshaft position sensor of the engine. The focusing lens in the upper part is connected through the light guide to the laser, and on the engine cylinder side it has a thrust sleeve, to which a quartz glass window is attached, which separates the optical system from the combustion products in the engine cylinder. The laser pump power amplifier is a package of capacitors associated with a battery.
Недостаток - большая потребная мощность для блока накачки.The disadvantage is the large power requirement for the pump unit.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2496995, МПК F02B 1/12, опубл. 27.10.2013.Known spark plug according to the patent of Russian Federation No. 2496995, IPC F02B 1/12, publ. 10/27/2013.
Сущность изобретения заключается в том, что двигатель с компрессионным зажиганием содержит рабочий цилиндр, систему впуска, систему выпуска и систему топливоподачи и снабжен генератором синглетного кислорода, размещенным во впускном трубопроводе с возможностью обогащения воздуха, подаваемого в рабочий цилиндр молекулами синглетного кислорода. Генератор синглетного кислорода выполнен в виде источника лазерного излучения с длиной волны от 762,3 до 762,4 нанометров и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной с возможностью отражения и диффузионного рассеивания лазерного излучения.The essence of the invention lies in the fact that the engine with compression ignition contains a working cylinder, an intake system, an exhaust system and a fuel supply system and is equipped with a singlet oxygen generator located in the inlet pipe to enrich the air supplied to the working cylinder by singlet oxygen molecules. The singlet oxygen generator is made in the form of a laser radiation source with a wavelength of 762.3 to 762.4 nanometers and a camera with input and output, the inner surface of the chamber being mirrored with the possibility of reflection and diffusion scattering of laser radiation.
Способ работы поршневого двигателя с компрессионным зажиганием заключается в подаче воздуха и топлива во впускной трубопровод, формировании во впускном трубопроводе топливовоздушной смеси заданного состава, впуске ее в цилиндр двигателя, сжатии, воспламенении топливовоздушного заряда от сжатия, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя, при этом молекулы кислорода воздуха, подаваемого во впускной трубопровод возбуждают в синглетные состоянияThe method of operation of a piston engine with compression ignition is to supply air and fuel to the inlet pipe, forming a fuel-air mixture of a given composition in the inlet pipe, letting it into the engine cylinder, compressing it, igniting the air-fuel charge from compression, expanding the combustion products and releasing them from the engine cylinder, while the oxygen molecules of the air supplied to the inlet pipe are excited to singlet states
Недостаток - сложность конструкции.The disadvantage is the complexity of the design.
Известна свеча лазерного воспламенения по патенту РФ на изобретение №2496997, МПК F02B 51/06, опубл. 27.10.2013.Known candle laser ignition according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2496997, IPC F02B 51/06, publ. 10/27/2013.
Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр, систему впуска, систему топливоподачи и систему выпуска. В системе впуска двигателя размещен генератор синглетного кислорода, выполненный в виде источника лазерного излучения и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной. В качестве источника лазерного излучения используется твердотельный лазер, излучающий волны длиной от 762,3 до 762,4 нанометров.The essence of the invention lies in the fact that the engine contains a working cylinder, an intake system, a fuel supply system and an exhaust system. A singlet oxygen generator is placed in the engine intake system, made in the form of a laser radiation source and a camera with inlet and outlet, the inner surface of the chamber being mirrored. A solid-state laser is used as a source of laser radiation, emitting waves from 762.3 to 762.4 nanometers in length.
Способ работы, реализуемый в заявленном двигателе, заключается в подаче в цилиндр двигателя воздуха и топлива, обогащении воздуха на впуске синглетным кислородом, формировании топливовоздушной смеси заданного состава, воспламенении топливовоздушного заряда в цилиндре двигателя, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя. Во время работы двигателя измеряют температуру газов в цилиндре двигателя, а количество синглетного кислорода в воздухе, подаваемом во впускной трубопровод, устанавливают в зависимости от величины измеренной температуры.The method of operation implemented in the claimed engine consists in supplying air and fuel to the engine cylinder, enriching the air at the inlet with singlet oxygen, forming a fuel-air mixture of a given composition, igniting the air-fuel charge in the engine cylinder, expanding the combustion products and discharging them from the engine cylinder. During engine operation, the temperature of the gases in the engine cylinder is measured, and the amount of singlet oxygen in the air supplied to the intake pipe is set depending on the measured temperature.
Недостаток - сложность конструкции.The disadvantage is the complexity of the design.
Известна свеча лазерного воспламенения по заявке США №2009159031, МПК F02P 23/04, опубл. 25.01.2009 г., прототип способа и устройства.Known candle laser ignition for US application No. 2009159031, IPC F02P 23/04, publ. 01/25/2009, a prototype of the method and device.
Эта свеча лазерного воспламенения содержит металлический корпус, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, с фокусирующей линзой на рабочем конце оптического волокна и соединенное другим концом с блоком накачки,This laser ignition candle contains a metal housing, an insulator installed inside it and an optical fiber extending along the axis of the candle inside the insulator, with a focusing lens on the working end of the optical fiber and connected to the pumping unit by the other end,
Этот способ включает подачу сфокусированного лазерного луча в камеру воспламенения, содержащую топливовоздушную смесь и образованную стенками цилиндра и поршня.This method includes supplying a focused laser beam to the ignition chamber containing the air-fuel mixture and formed by the walls of the cylinder and piston.
Недостатки способа и устройства относительно низкая полнота сгорания топлива из-за его воспламенения в одной точке и как следствие высокая эмиссия вредных веществ.The disadvantages of the method and device are the relatively low completeness of fuel combustion due to its ignition at one point and, as a result, high emission of harmful substances.
Задачи создания изобретения повышение полноты сгорания топлива из-за его воспламенения в объеме и как следствие снижение эмиссии вредных веществ.The objective of the invention is to increase the completeness of fuel combustion due to its ignition in the volume and, as a result, to reduce the emission of harmful substances.
Решение указанных задач достигнуто в устройстве для лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащее лазерную свечу, имеющую металлический корпус, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора и соединенное с блоком накачки, и фокусирующую линзу, отличающееся тем, что фокусирующая линза выполнена с возможностью осевого перемещения, между изолятором и оптическим волокном выполнена кольцевая полость, в которой установлен держатель, на торце которого установлена фокусирующая линза, а с держателем связано средство его перемещения, соединенное с генератором импульсов, средство перемещения выполнено в виде пьезоэлемента, пьезоэлемент соединен электрическими связями через дополнительный электрод и вкладыш с генератором импульсов, устройство дополнительно содержит блок управления, соединенный электрическими связями с блоком накачки и с генератором импульсов.The solution of these problems was achieved in a device for laser ignition of an air-fuel mixture in an internal combustion engine, containing a laser candle having a metal body, an insulator installed inside it and an optical fiber extending along the axis of the candle inside the insulator and connected to the pump unit, and a focusing lens, characterized in that the focusing lens is made with the possibility of axial movement, between the insulator and the optical fiber there is an annular cavity in which the holder is mounted on the torus where the focusing lens is installed, and the means of its movement connected to the pulse generator are connected to the holder, the means of movement is made in the form of a piezoelectric element, the piezoelectric element is connected by electrical connections through an additional electrode and an insert with a pulse generator, the device further comprises a control unit connected by electrical connections to the unit pumping and with a pulse generator.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…12, где:The invention is illustrated in FIG. 1 ... 12, where:
- на фиг. 1 приведена схема устройства,- in FIG. 1 shows a diagram of a device
- на фиг. 2 приведена схема устройства с применением индуктивного устройства,- in FIG. 2 shows a diagram of a device using an inductive device,
- на фиг. 3 приведена схема устройства с применением магнитострикционного эффекта,- in FIG. 3 shows a diagram of a device using the magnetostrictive effect,
- на фиг. 4 приведена свеча лазерного зажигания,- in FIG. 4 shows a laser spark plug,
- на фиг. 5 приведен ход фокуса луча в цилиндре в течение всего рабочего хода поршня,- in FIG. 5 shows the course of the beam focus in the cylinder during the entire stroke of the piston,
- на фиг. 6 приведен пример реализации способа с фокусировкой луча на торце цилиндра,- in FIG. 6 shows an example implementation of the method with focusing the beam on the end of the cylinder,
- на фиг. 7 приведен пример реализации способа с фокусировкой луча в средней части камеры воспламенения.- in FIG. 7 shows an example implementation of a method with focusing the beam in the middle part of the ignition chamber.
- на фиг. 8 приведена лазерная свеча, первый вариант,- in FIG. 8 shows a laser candle, the first option,
- на фиг. 9 приведена лазерная свеча второй вариант,- in FIG. 9 shows a laser candle the second option,
- на фиг. 10 приведена лазерная свеча, третий вариант,- in FIG. 10 shows a laser candle, the third option,
- на фиг. 11 приведена лазерная свеча, четвертый вариант.- in FIG. 11 shows a laser candle, the fourth option.
- на фиг. 12 приведены фазы газораспределения.- in FIG. 12 shows the valve timing.
Устройство для лазерного воспламенения содержит свечу лазерного воспламенения (фиг. 1…12), которая, в свою очередь, содержит металлический корпус 1, ввернутый по резьбе 2 в головку цилиндров 3 установленную на цилиндре 4. Между головкой 3 и цилиндром 4 установлена прокладка 5. Между корпусом 1 и головкой цилиндров 3 установлена прокладка 6. Внутри цилиндра 4 установлен поршень 7. Между стенками цилиндра 4 и поршнем 7 образуется камера воспламенения 8.The device for laser ignition contains a laser spark plug (Fig. 1 ... 12), which, in turn, contains a
Кроме того, лазерная свеча содержит изолятор 9 и оптическое волокно 10, установленное по центру вдоль оси лазерной свечи. Внутри изолятора 9 концентрично оптическому волокну 10 выполнена кольцевая полость 11, в которой установлен держатель 12. Держатель 12 выполнен в виде цилиндра из ферромагнетика. На нижнем конце держателя 12 установлена фокусирующая линза 13, а через отверстие в верхней части держателя 12 проходит оптическое волокно 10, нижний конец которого не доходит до фокусирующей линзы 13 на 5…7 мм.In addition, the laser candle contains an
Против фокусирующей линзы 13 выполнено коническое отверстие 14, которое сужается к выходу. Внутри изолятора 9 на оптическом волокне 10 установлено термостойкое уплотнения 15. Оптическое волокно 10 соединено с блоком накачки 16. Блок накачки 16 проводами 17 соединен с источником энергии 18. Один из проводов 17 проводом 19 заземлен на массу 20.A
Устройство содержит источник колебания 21, который может быть выполнен в разных вариантах. Источник колебаний 21 соединен проводами 22 с генератором импульсов 23.The device contains a source of
Вход генератора импульсов 23 проводами 24 соединен с источником энергии 18. Устройство содержит блок управления 25, который электрическими связями 26 соединен с блоком накачки 16 и с генератором импульсов 23.The input of the
Держатель 12 должен быть подвешен на пружине 27 (фиг. 2).The
В состав устройства входят датчик углового положения коленчатого вала 28 и датчик частоты вращения коленчатого вала 29, соединенные электрическими связями 26 с блоком управления 25 (фиг. 1).The device includes a crankshaft
В основу работы устройства может быть положен обратный пьезоэлектрический эффект, электретные эффекты, магнитная индукция или магнитострикционный эффект.The device may be based on the inverse piezoelectric effect, electret effects, magnetic induction or magnetostrictive effect.
В первом варианте (фиг. 1) для управления лучом лазера применен обратный пьезоэлектрический эффект.In the first embodiment (Fig. 1), the inverse piezoelectric effect is applied to control the laser beam.
При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.With the direct piezoelectric effect, deformation of the piezoelectric sample leads to the appearance of an electric voltage between the surfaces of the deformable solid, while the reverse piezoelectric effect, the application of voltage to the body causes its deformation.
Пьезоэлектрические вещества всегда обладают одновременно и прямым, и обратным пьезоэффектом. Не обязательно, чтобы вещество было монокристаллом, эффект наблюдается и в поликристаллических веществах, предварительно поляризованных сильным электрическим полем во время кристаллизации, или при фазовом переходе в точке температуры Кюри при охлаждении для сегнетоэлектриков (например, керамические пьезоэлектрические материалы на основе цирконата-титаната свинца) при наложенном внешнем электрическом поле.Piezoelectric substances always have both direct and inverse piezoelectric effects. It is not necessary that the substance be a single crystal, the effect is also observed in polycrystalline substances pre-polarized by a strong electric field during crystallization, or during a phase transition at the Curie temperature point during cooling for ferroelectrics (for example, ceramic zirconate-lead titanate piezoelectric materials) at superimposed external electric field.
В этом случае в качестве источника колебаний 21 применен пьезоэлемент 30, соединенный проводами 22 с генератором импульсов 23. Для передачи потенциала с одного из проводов 18 через корпус 1 применен дополнительный электрод 31 установленный в изоляторе 9 параллельно оптическому волокну 10, а для передачи потенциала со второго провода 22 (заземленного) применен вкладыш 32 из электропроводного материала, соединяющий пьезоэлемент 30 с корпусом 1.In this case, a piezoelectric element 30 is used as an
Во втором варианте (фиг. 2) используется магнитная индукция. Для этого на изоляторе 9 установлена обмотка возбуждения 33, подсоединенная проводами 22 к генератору импульсов 23. В этом случае держатель 12 должен быть выполнен из ферромагнитного материала и подпружинен с одного из торцов пружиной 27.In the second embodiment (Fig. 2), magnetic induction is used. For this purpose, an excitation winding 33 is mounted on the
В третьем варианте (фиг. 3) для управления лучом лазера применена магнитострикция. В этом варианте держатель 12 должен быть выполнен из ферромагнитного материала и один из его торцов закреплен на изоляторе 9, а другой с фокусирующей линзой 13 быть свободным.In the third embodiment (Fig. 3), magnetostriction is used to control the laser beam. In this embodiment, the
В современной теории магнетизма рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия магнитного взаимодействия. В соответствии с этим возможны 2 вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллические решетки: за счет изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счет изменения обменных сил.In the modern theory of magnetism, they are considered as the result of the manifestation of the main types of interactions in ferromagnetic bodies: the electrical exchange interaction of the magnetic interaction. In accordance with this, 2 types of magnetostrictive strains of different nature are possible in crystal lattices: due to a change in magnetic forces (dipole-dipole and spin-orbit) and due to a change in exchange forces.
При намагничивании ферро- и ферримагнетиков магнитные силы действуют в интервале полей от 0 до поля напряженностью Hs, в котором образец достигает технического магнитного насыщения Is. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами и вращения магнитных моментов доменов. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решетки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между ее узлами. В результате атомы смещаются, происходит магнитострикционная деформация решетки. М. этого вида носит анизотропный характер (зависит от направления и величины намагниченности J) и проявляется в основном в изменении формы кристалла почти без изменения его объема (линейная).During the magnetization of ferro- and ferrimagnets, magnetic forces act in the range of fields from 0 to a field of strength H s , in which the sample reaches technical magnetic saturation I s . The magnetization in this field interval is due to the processes of displacement of the boundaries between the domains and rotation of the magnetic moments of the domains. Both of these processes change the energy state of the crystal lattice, which is manifested in a change in the equilibrium distances between its nodes. As a result, atoms are displaced, magnetostrictive deformation of the lattice occurs. M. of this species is anisotropic in nature (depends on the direction and magnitude of the magnetization J) and manifests itself mainly in a change in the shape of the crystal with almost no change in its volume (linear).
Дли обеспечения работы устройства с использованием магнитострикционного эффекта (фиг. 3) верхний торец держателя 12 должен быть закреплен на изоляторе 9, а сам держатель 12 выполнен из ферромагнитного материала. Кроме того, на изоляторе 9 должна быть установлена обмотка возбуждения 33, соединенная с генератором импульсов 23 проводами 22. (Один провод 22 заземлен).To ensure the operation of the device using the magnetostrictive effect (Fig. 3), the upper end of the
На фиг. 8…11 приведены примеры вариантов лазерной свечи зажигания.In FIG. 8 ... 11 are examples of laser spark plug options.
Решение указанных задач достигнуто в лазерной свече, содержащей металлический корпус, установленные внутри нее изолятор, оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, фокусирующую линзу и выходное отверстие, тем, что фокусирующая линза выполнена с возможностью осевого перемещения.The solution of these problems was achieved in a laser candle containing a metal housing, an insulator installed inside it, an optical fiber passing along the axis of the candle inside the insulator, a focusing lens and an outlet, so that the focusing lens is made with the possibility of axial movement.
Металлический корпус 1 может быть выполнен с днищем 34, в котором выполнено второе выходное отверстие 35 (фиг. 8), между этим днищем 34 и торцом 36 изолятора 8 установлено оптическое окно 37.The
Между оптическим окном 37 и вторым выходным отверстием 35 может быть выполнена полость 38 (фиг. 9). Полость 38 может быть выполнена в оптическом окне 37 (фиг. 10). Между фокусирующей линзой 13 и оптическим окном 37 может быть установлено второе оптическое окно 39 (фиг. 11).Between the
РАБОТА ДВСICE OPERATION
При работе ДВС (фиг. 1…8) стартером запускают двигатель (стартер на фиг. 1…8 не показан). В соответствии с циклограммой работы двигателя, заложенной в памяти блока управления 25, подают по проводам 17 напряжение на блок накачки 16, потом с блока управления 23 подают управляющие сигналы на блок накачки 16 для выработки импульсов лазерного излучения в нужный момент времени (в момент опережения зажигания ОЗ и далее в течение всего рабочего хода поршня 7), см. фиг. 5. Лазерные импульсы по оптическому волокну 10 подаются поочередно на каждую свечу лазерного воспламенения. Одновременно с блока управления 25 подается сигнал на генератор импульсов 23, и он по проводам 22 подает управляющие импульсы на источник колебаний 21 (пьезоэлемент 30 или обмотку возбуждения 33. в зависимости от варианта исполнения).During operation of the internal combustion engine (Fig. 1 ... 8), the engine is started by the starter (the starter in Fig. 1 ... 8 is not shown). In accordance with the sequence diagram of the engine, stored in the memory of the control unit 25, voltage is applied via
В первом варианте сигнал подается через дополнительный электрод 31 и вкладыш 32, в результате чего пьезоэлемент 30 совершает запрограммированные колебательные движения вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта (фиг. 1).In the first embodiment, the signal is supplied through an
В случае использования магнитной индукции (фиг. 2) управляемые импульсы тока, идущего по обмотке возбуждения 33, поднимают держатель 12 на высоту, пропорциональную силе тока, сжимая пружину 27 и меняя тем самым фокусное расстояние оптической линзы 13, при уменьшении силы тока пружина 27 возвращает держатель 12 в исходное положение.In the case of using magnetic induction (Fig. 2), controlled pulses of the current flowing through the excitation winding 33 raise the
При использовании магнитострикционного эффекта пропорционально силе тока в обмотке возбуждения 33 изменяется длина держателя 12, фокусирующая линза 13 перемещается и фокус тоже перемещается вдоль оси цилиндра 4. При этом луч лазера (его фокус Ф) совершает сканирующее движение вдоль оси цилиндра 4, охватывающее значительную часть объема цилиндра 4 и воспламеняет топливовоздушную смесь практически одновременно во всем объеме цилиндра 4, т.е. фокус лазерного луча из положения Ф1 перемещается сначала в положение Ф2 потом в положение Ф3 (фиг. 4). Это способствует увеличению полноты сгорания и уменьшению эмиссии вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами, так как процесс воспламенения охватывает весь объем камеры воспламенения 8 и поддерживается в нем для дожигания в течение максимально возможного времени.When using the magnetostrictive effect, the length of the
Контроль и управление перемещением фокуса Ф лазерного луча осуществляется при помощи блока управления 25 по показаниям датчиком 28 и 29. Датчик 29 определяет частоту вращения коленчатого вала ДВС и в зависимости от нее корректирует угол опережения зажигания ОЗ. При увеличении скорости вращения коленчатого вала угол опережения зажигания увеличивают.Monitoring and controlling the movement of the focus F of the laser beam is carried out using the control unit 25 according to the readings of the
При этом положение фокуса Ф или постоянно находится на внутренней торцовой поверхности цилиндра 7 (фиг. 6) или в средней части объема камеры воспламенения 8 (фиг. 7).In this case, the focus position F is either constantly located on the inner end surface of the cylinder 7 (Fig. 6) or in the middle part of the volume of the ignition chamber 8 (Fig. 7).
При этом целесообразно подавать импульсы лазерного луча в течение всего рабочего хода поршня 7 от момента опережения зажигания ОЗ до полного выпуска продуктов сгорания.In this case, it is advisable to apply pulses of a laser beam during the entire working stroke of the
Как упоминалось ранее, металлический корпус 1 может быть выполнен с днищем 34, в котором выполнено второе выходное отверстие 35 (фиг. 8), между этим днищем 34 и торцом 36 изолятора 8 установлено оптическое окно 37. Оптическое окно 38 защищает фокусирующую линзу 13.As mentioned earlier, the
Между оптическим окном 37 и вторым выходным отверстием 35 может быть выполнена полость 38 (фиг. 9). Полость 38 может быть выполнена в оптическом окне 37 (фиг. 10). Полость 38 дополнительно защищает само оптическое окно 37. Между фокусирующей линзой 13 и оптическим окном 37 может быть установлено второе оптическое окно 39 (фиг. 11), что значительно улучшит защиту фокусирующей линзы 13.Between the
Диаграмма газораспределения показана на фиг. 12, где:The timing diagram is shown in FIG. 12, where:
40 - впуск; 41 - сжатие; 42 - рабочий ход; 43 - выпуск; 44 - опережение впуска; 45 - перекрытие клапанов; 46 - запаздывание выпуска; 47 - опережение выпуска; 48 - запаздывание впуска. При этом первый импульс лазерного излучения подают в камеру воспламенения 8 цилиндра 5 до того, как поршень 7 достигнет верхней мертвой точки - ВМТ (фиг. 5), т.е. в момент опережения зажигания (ОЗ).40 - inlet; 41 - compression; 42 - working stroke; 43 - release; 44 - advancing the intake; 45 - valve overlap; 46 - delayed release; 47 - advancing release; 48 - delay inlet. In this case, the first laser pulse is fed into the
Опережение зажигания (ОЗ) необходимо для оптимизации процесса горения.Advance ignition (OZ) is necessary to optimize the combustion process.
В дизельном двигателе нет зажигания, рабочая смесь воспламеняется в результате сжатия. В бензиновом же двигателе момент зажигания оказывает большое значение на работу. При работе четырехтактного ДВС после такта сжатия и достижения поршнем ВМТ происходит воспламенение рабочей смеси в камере сгорания с помощью свечи зажигания. Происходит возгорание рабочей смеси, расширение рабочих газов и выполняется следующий такт - рабочий ход. В действительности сгорание рабочей смеси происходит не мгновенно. От момента появления искры до момента, когда вся смесь загорится, и давление газов достигнет максимальной величины, проходит некоторое время. Этот отрезок времени очень мал, но так как скорость вращения коленчатого вала весьма велика, то даже за это время поршень успевает пройти некоторый путь от того положения, при котором началось воспламенение смеси. Поэтому, если воспламенить смесь в ВМТ, то горение происходит при увеличивающемся объеме (начало рабочего хода) и закончится, когда поршень пройдет некоторый путь и максимальная величина давления газов будет меньше, чем в том случае, если бы сгорание всей смеси произошло в ВМТ. Если воспламенение смеси происходит слишком рано, то давление газов достигает значительной величины до того, как поршень подойдет к ВМТ и будет противодействовать движению поршня. Все это приводит к уменьшению мощности двигателя, его перегреву. Поэтому, при правильном выборе момента зажигания, давление газов достигает максимальной величины примерно через 10-12 градусов поворота коленчатого вала после прохода поршнем верхней мертвой точки. Опережение зажигания характеризуется углом опережения зажигания. Угол опережения зажигания - угол поворота кривошипа от момента, при котором на свечу зажигания начинает подаваться напряжение для пробоя искрового промежутка, до занятия поршнем верхней мертвой точки.There is no ignition in the diesel engine, the working mixture ignites as a result of compression. In a gasoline engine, the ignition moment is of great importance to the work. When a four-stroke internal combustion engine operates, after a compression stroke and the piston reaches TDC, the working mixture ignites in the combustion chamber using a spark plug. Ignition of the working mixture, expansion of the working gases, and the next cycle is performed - the working stroke. In fact, the combustion of the working mixture does not occur instantly. From the moment a spark appears to the moment when the whole mixture ignites and the gas pressure reaches its maximum value, some time passes. This period of time is very small, but since the speed of rotation of the crankshaft is very large, even during this time the piston manages to go some way from the position at which the ignition of the mixture began. Therefore, if the mixture is ignited at TDC, combustion occurs with an increasing volume (the beginning of the working stroke) and ends when the piston passes a certain path and the maximum gas pressure is less than if the entire mixture were combusted at TDC. If the mixture ignites too early, then the gas pressure reaches a significant value before the piston approaches TDC and counteracts the movement of the piston. All this leads to a decrease in engine power, its overheating. Therefore, with the right choice of the ignition moment, the gas pressure reaches its maximum value after about 10-12 degrees of crankshaft rotation after the piston passes the top dead center. Ignition timing is characterized by the ignition timing. Ignition timing - the angle of rotation of the crank from the moment at which the spark plug begins to apply voltage to break through the spark gap, until the piston occupies the top dead center.
Наивыгоднейшее опережение зажигания в основном зависит от соотношения между скоростью горения смеси и числом оборотов двигателя. Чем больше число оборотов двигателя, тем больше должно быть опережение зажигания, а чем больше скорость горения смеси, тем меньше. Скорость горения зависит от конструкции двигателя, от состава рабочей смеси и некоторых других факторов. Наибольшее влияние на скорость сгорания оказывает содержание остаточных газов в рабочей смеси. При малом открытии дроссельной заслонки процентное содержание остаточных отработавших газов велико, смесь горит медленно, поэтому опережение зажигания должно быть большим. По мере открытия дроссельной заслонки в цилиндр поступает все больше свежей горючей смеси, а количество отработавших газов остается примерно неизменным, в результате процентное содержание их уменьшается и смесь горит быстрее - опережение зажигания должно уменьшатся. При одновременном изменении положения дросселя (изменение нагрузки) и числа оборотов наивыгоднейшее опережение зажигания зависит от обоих факторов одновременно и в зависимости от условий работы двигателя оба фактора могут влиять на наивыгоднейшее опережение в одном или в разных направлениях.The most favorable ignition timing mainly depends on the ratio between the burning rate of the mixture and the engine speed. The higher the engine speed, the greater the ignition timing should be, and the greater the burning rate of the mixture, the lower. The burning rate depends on the design of the engine, on the composition of the working mixture and some other factors. The greatest influence on the combustion rate is exerted by the content of residual gases in the working mixture. With a small throttle opening, the percentage of residual exhaust gas is large, the mixture burns slowly, so the ignition timing should be large. As the throttle valve opens, more and more fresh combustible mixture enters the cylinder, and the amount of exhaust gas remains approximately unchanged, as a result, their percentage decreases and the mixture burns faster - the ignition timing should decrease. With a simultaneous change in the throttle position (load change) and the number of revolutions, the most advantageous ignition timing depends on both factors at the same time and depending on the engine operating conditions, both factors can affect the most advantageous timing in one or in different directions.
Для изменения опережения зажигания в зависимости от оборотов коленчатого вала используют центробежные регуляторы, расположенные обычно в прерывателях. При изменении нагрузки двигателя и сохранении его оборотов постоянными центробежный регулятор не меняет опережения зажигания, в то время как в этих условиях (постоянные обороты и переменная нагрузка) угол опережения зажигания должен изменяться. Для этого центробежный регулятор дополняют вакуумным регулятором.To change the ignition timing, depending on the speed of the crankshaft, centrifugal regulators, usually located in breakers, are used. When the engine load changes and its revolutions are kept constant, the centrifugal regulator does not change the ignition timing, while under these conditions (constant revolutions and variable load) the ignition timing should change. For this, the centrifugal regulator is supplemented with a vacuum regulator.
Выполнены рабочие чертежи и макеты устройства. Разработан алгоритм программы для блока управления.Completed working drawings and layouts of the device. A program algorithm for the control unit is developed.
Применение группы изобретений позволило:The use of a group of inventions allowed:
- увеличить полноту сгорания топливовоздушной смеси,- increase the completeness of combustion of the air-fuel mixture,
- уменьшить эмиссию вредных веществ с выхлопными газами.- reduce the emission of harmful substances with exhaust gases.
- управлять воспламенением топлива в зависимости от режима работы ДВС в первую очередь в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.- control the ignition of the fuel, depending on the operating mode of the internal combustion engine, primarily, depending on the speed of the crankshaft.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016103044A RU2634300C2 (en) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | Device for laser ignition of fuel-air mixture in internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016103044A RU2634300C2 (en) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | Device for laser ignition of fuel-air mixture in internal combustion engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016103044A RU2016103044A (en) | 2017-08-03 |
| RU2634300C2 true RU2634300C2 (en) | 2017-10-25 |
Family
ID=59632077
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016103044A RU2634300C2 (en) | 2016-01-29 | 2016-01-29 | Device for laser ignition of fuel-air mixture in internal combustion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2634300C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2309288C1 (en) * | 2006-06-28 | 2007-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет "МАМИ" | Method of laser ignition of combustion mixture for internal combustion engines and system for realization of this method |
| US20090159031A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-25 | Friedrich Gruber | Laser ignition apparatus |
| US20140149018A1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-05-29 | Ford Global Technologies, Llc | Engine with laser ignition and measurement |
| RU2538770C1 (en) * | 2013-09-05 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Спектралазер" | Method of laser ignition of fuel in internal combustion engine, device for laser ignition of fuel in internal combustion engine, and laser ignition plug |
| RU2566665C2 (en) * | 2010-09-08 | 2015-10-27 | Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК | Higher efficiency of laser ignition system |
-
2016
- 2016-01-29 RU RU2016103044A patent/RU2634300C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2309288C1 (en) * | 2006-06-28 | 2007-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет "МАМИ" | Method of laser ignition of combustion mixture for internal combustion engines and system for realization of this method |
| US20090159031A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-25 | Friedrich Gruber | Laser ignition apparatus |
| RU2566665C2 (en) * | 2010-09-08 | 2015-10-27 | Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК | Higher efficiency of laser ignition system |
| US20140149018A1 (en) * | 2012-11-29 | 2014-05-29 | Ford Global Technologies, Llc | Engine with laser ignition and measurement |
| RU2538770C1 (en) * | 2013-09-05 | 2015-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Спектралазер" | Method of laser ignition of fuel in internal combustion engine, device for laser ignition of fuel in internal combustion engine, and laser ignition plug |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016103044A (en) | 2017-08-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5718921B2 (en) | Configuration of fuel charge in a combustion chamber with multiple drivers and / or ionization control | |
| KR101163796B1 (en) | Control of auto-ignition timing for combustion in piston engines by prechamber compression ignition | |
| RU2538770C1 (en) | Method of laser ignition of fuel in internal combustion engine, device for laser ignition of fuel in internal combustion engine, and laser ignition plug | |
| RU2576099C1 (en) | Internal combustion engine | |
| US20090133655A1 (en) | Laser ignition system | |
| JP2004218645A (en) | Internal-combustion engine | |
| CN103244333A (en) | Method for controlling the ignition point in an internal combustion engine by means of a corona discharge | |
| Roy et al. | Jet-guided combustion characteristics and local fuel concentration measurements in a hydrogen direct-injection spark-ignition engine | |
| RU2309288C1 (en) | Method of laser ignition of combustion mixture for internal combustion engines and system for realization of this method | |
| RU2584769C1 (en) | Free-piston engine | |
| RU2436991C1 (en) | Ignition method of fuel mixture in internal combustion engine with laser optic discharge, and device for its implementation | |
| RU2634300C2 (en) | Device for laser ignition of fuel-air mixture in internal combustion engine | |
| US20050072399A1 (en) | Control of auto-ignition timing for homogeneous combustion jet ignition engines | |
| JPH10196424A (en) | Compression ignition type combustion method for air-fuel mixture, and compression ignition type piston internal combustion engine for air-fuel mixture | |
| JP2006316715A (en) | Sub-chamber type internal combustion engine | |
| RU2577514C1 (en) | Method for laser ignition of fuel in internal combustion engine and device therefor | |
| RU152420U1 (en) | LASER IGNITION CANDLE | |
| US1956586A (en) | Method of combusting fuel oil charges for oil burning motors | |
| Gupta et al. | Ignition characteristics of methane-air mixtures at elevated temperatures and pressures | |
| RU2579337C1 (en) | Method of igniting air-fuel mixture and electrostatic ignition system | |
| JP2011256722A (en) | Laser ignition device | |
| Prasad et al. | Development of laser ignited hydrogen fueled supercharged engine | |
| Berntsson et al. | Spark assisted HCCI combustion using a stratified hydrogen charge | |
| JP2014118930A (en) | Ignition mechanism of internal combustion engine | |
| WO2018056278A1 (en) | Compression auto-ignition engine |