RU2362042C1

RU2362042C1 - Laser-spark igniter plug of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2362042C1
Application number: RU2008102490/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Матвеевич Ревонченков (RU); Анатолий Матвеевич Ревонченков; Виктор Иванович Ерохов (RU); Виктор Иванович Ерохов; Александр Анатольевич Ревонченков (RU); Александр Анатольевич Ревонченков
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2009-07-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention is related to devices for ignition of fuel mixture in internal combustion engines and may be used in production of engines with forced ignition. Laser-spark igniter plug of internal combustion engine includes laser module and pumping oscillator. Laser-spark igniter plug is arranged in the form of detachable unit. Pump oscillator is installed in upper part of laser-spark igniter plug body. Pump oscillator includes four serially connected cascades: stabilizing, control, setting and outlet. Outlet cascade of pump oscillator is connected via electric socket to laser module. Laser module is installed in medium part of laser-spark igniter plug body. Between outlet window of laser module and focusing light guide, filter is installed. Filter protects laser module against fuel mixture radiation. Pump oscillator may be equipped with elements for variation of laser heating power value. Elements of laser heating power value variation consist of power setting relay and voltage divider in circuit of setting cascade transistor base. Relay contacts are connected parallel to one of voltage divider resistors. Leads of working winding of relay are electrically connected to inlet socket of laser-spark igniter plug. Indicator light diode may be installed on body of laser-spark igniter plug. Indicator light diode lights up after start-up of laser heating.

EFFECT: higher reliability of engine operation, simplified plug design and expansion of engine operation range at different alternative types of motor fuel.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и может быть использовано в производстве двигателей с принудительным воспламенением.The invention relates to ignition devices for a combustible mixture in internal combustion engines and can be used in the manufacture of forced ignition engines.

Известно устройство, представляющее лазерно-электрическую свечу по патенту РФ № 2052881, МПК⁶ Н01Т 13/48, 20.01.96 г., которая предназначена, в основном, для контроля процесса сгорания горючей смеси в камере сгорания. Работа данной свечи основана на передаче световой энергии от сгорания горючей смеси к устройству для осуществления лазерного спектрального анализа процесса сгорания. Передача энергии осуществляется посредством световолоконного фитиля к световыводу, расположенному в верхней части свечи, а через него по световоду к анализирующему устройству.A device is known representing a laser-electric candle according to the patent of the Russian Federation No. 2052881, IPC ⁶ Н01Т 13/48, 01/20/96, which is intended mainly to control the combustion process of a combustible mixture in a combustion chamber. The operation of this candle is based on the transfer of light energy from the combustion of a combustible mixture to a device for laser spectral analysis of the combustion process. Energy is transmitted through a fiber optic wick to the light output located at the top of the candle, and through it through the light guide to the analyzing device.

Принципиальный недостаток указанного устройства связан с отрицательным воздействием излучения горящего топлива на характеристики лазерного излучателя, а также со значительными потерями лазерной энергии в длинном световоде. Так как лазерный излучатель, судя по описанию, расположен на значительном расстоянии от свечи зажигания, в отдельном месте, то это может привести к пропускам воспламенения особенно в обедненных горючих смесях.The principal disadvantage of this device is associated with the negative effect of burning fuel radiation on the characteristics of the laser emitter, as well as significant losses of laser energy in a long fiber. Since the laser emitter, judging by the description, is located at a considerable distance from the spark plug, in a separate place, this can lead to misfire, especially in lean fuel mixtures.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ № 2212559, МПК⁷ 23/04, 20.09.03 г., содержащее датчик положения коленчатого вала двигателя, связанный электрической цепью с блоком синхронизации, а от него с искровым модулем зажигания и с усилителем мощности накачки лазера, связанным с датчиком состава рабочей смеси, а также содержащее полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра.The closest in technical essence to the present invention relates to a device for ignition of a working mixture in a cylinder of an internal combustion engine according to RF patent No. 2212559, IPC ⁷ 23/04, 09/20/03, containing a position sensor for the crankshaft of the engine connected by an electric circuit to the synchronization unit , and from it with a spark ignition module and with a laser pump power amplifier associated with the composition sensor of the working mixture, as well as containing a semiconductor laser connected through the light guide to the cylinder space.

Недостатком указанного устройства является отрицательное воздействие излучения горящего топлива на характеристики полупроводникового лазерного излучателя, в результате которого возможно снижение выходной мощности излучения полупроводникового лазера и снижение надежности работы устройства из-за установки достаточно протяженных световодов, оптически соединяющих лазерные модули с внутренней оптикой лазерно-искровой свечи. Кроме того, в указанном устройстве не предусмотрена возможность работы на различных горючих смесях бензина и газового моторного топлива.The disadvantage of this device is the negative effect of burning fuel radiation on the characteristics of a semiconductor laser emitter, which may result in a decrease in the output power of the semiconductor laser radiation and a decrease in the reliability of the device due to the installation of sufficiently extended optical fibers that optically connect the laser modules to the internal optics of the laser-spark candle. In addition, the specified device does not provide for the possibility of working on various combustible mixtures of gasoline and gas motor fuel.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности воспламенения обедненных горючих смесей бензина и альтернативных моторных топлив, в частности газового моторного топлива, и создание устройства с более высокими энергетическими характеристиками воспламенения рабочей смеси.The objective of the invention is to increase the reliability and efficiency of ignition of lean fuel mixtures of gasoline and alternative motor fuels, in particular gas motor fuel, and to create a device with higher energy characteristics of the ignition of the working mixture.

Поставленная задача выполняется тем, что в лазерно-искровой свече в качестве источника излучения используется полупроводниковый лазерный модуль со встроенным фотодиодом для контроля режима излучателя, расположенный в непосредственной близости от внутренней оптики лазерно-искровой свечи.The task is carried out by the fact that in the laser-spark candle, a semiconductor laser module with an integrated photodiode for monitoring the emitter mode, located in close proximity to the internal optics of the laser-spark candle, is used as a radiation source.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что лазерно-искровая свеча зажигания, установленная в головке цилиндров ДВС, содержит устройство формирования луча лазерного модуля, состоящее из фокусирующего световода для направления и концентрирования луча в область искрового промежутка. Электрические импульсы для питания лазерных излучателей вырабатываются в электронном генераторе накачки.The essence of the invention lies in the fact that the laser-spark plug, installed in the cylinder head of the engine, contains a device for beam forming a laser module, consisting of a focusing fiber for guiding and concentrating the beam in the region of the spark gap. Electric pulses to power the laser emitters are generated in an electronic pump generator.

Отличие технического решения состоит в том, что лазерно-искровая свеча конструктивно выполнена в виде съемного узла, в верхней части корпуса которого размещен генератор накачки, включающий четыре последовательно соединенных каскада: стабилизирующий, управляющий, задающий и выходной, причем на управляющий каскад генератора подаются импульсы синхронизации от микроконтроллера в соответствии с информацией, поступающей от ряда датчиков, а выходной каскад генератора накачки соединен через электрический разъем с лазерным модулем, расположенным в средней части корпуса свечи зажигания, при этом между выходным окном лазерного модуля и фокусирующим световодом установлен фильтр для предохранения лазерного модуля от излучения топливной смеси.The difference in the technical solution is that the laser-spark plug is structurally made in the form of a removable assembly, in the upper part of the housing of which there is a pump generator comprising four series-connected cascades: stabilizing, controlling, setting and output, and synchronization pulses are supplied to the controlling stage of the generator from the microcontroller in accordance with the information received from a number of sensors, and the output stage of the pump generator is connected through an electrical connector to the laser module, located A filter is installed in the middle part of the body of the spark plug, and a filter is installed between the output window of the laser module and the focusing fiber to protect the laser module from radiation from the fuel mixture.

В корпусе свечи также размещен фильтр и фокусирующий световод, который одновременно является каналом распространения луча, его фокусирования и высоковольтным изолятором, в котором располагается проводник центрального электрода искровой свечи зажигания.A filter and a focusing fiber are also placed in the candle body, which is also a channel for beam propagation, focusing and a high-voltage insulator in which the conductor of the central electrode of the spark plug is located.

Кроме того, задающий каскад генератора накачки снабжен элементами изменения величины мощности лазерного подогрева, в зависимости от вида используемого топлива, состоящими из реле установки мощности и делителя напряжения в цепи базы транзистора задающего каскада, причем контакты реле включены параллельно одному из резисторов делителя напряжения, а выводы рабочей обмотки реле электрически связаны с входным разъемом лазерно-искровой свечи.In addition, the driving stage of the pump generator is equipped with elements for changing the power of laser heating, depending on the type of fuel used, consisting of a power setting relay and a voltage divider in the base circuit of the transistor of the master stage, the relay contacts being connected in parallel to one of the voltage divider resistors, and the conclusions the working coil of the relay is electrically connected to the input connector of the laser-spark plug.

Кроме того, на корпусе свечи зажигания установлен индикаторный светодиод, загорающийся при включении лазерного подогрева для визуального ориентировочного контроля работы свечи, также при необходимости проведения ремонтных работ для первичной диагностики устройства и техники безопасности при ремонте, так как излучение лазерного модуля, расположенного в свече, может быть опасным для здоровья.In addition, an indicator LED is installed on the body of the spark plug, which lights up when the laser is turned on for visual indicative control of the operation of the spark plug, and also, if necessary, to carry out repair work for the initial diagnostics of the device and safety precautions during repair, since the radiation from the laser module located in the plug can be hazardous to health.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в том, что конструктивное выполнение предложенной свечи позволяет обеспечить более надежное воспламенение обедненных горючих смесей и, соответственно, получить экономию топлива и снижение вредных выбросов.The technical result obtained from the use of the invention lies in the fact that the constructive implementation of the proposed candles allows for more reliable ignition of lean fuel mixtures and, accordingly, to obtain fuel economy and reduction of harmful emissions.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами, на которых изображено:The proposed technical solution is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - схема расположения и подключения лазерно-искровой свечи зажигания к элементам ДВС;figure 1 - arrangement and connection of the laser-spark plugs to the elements of the internal combustion engine;

на фиг.2 - вариант выполнения лазерно-искровой свечи;figure 2 is an embodiment of a laser-spark plug;

на фиг.3 - схема генератора накачки лазерного модуля.figure 3 - diagram of the pump generator of the laser module.

Лазерно-искровая свеча 1 зажигания, обеспечивающая работу двигателя в режиме подогрева искрового промежутка, установлена в головке цилиндров двигателя 2 (фиг.1 и 2). На корпусе свечи 1 зажигания установлен разъем 9, служащий для соединения с цепями питания и управления и к которому подключен микроконтроллер 3 лазерного подогрева, управляющий свечой 1 зажигания по сигналам группы датчиков: датчика 4 положения коленчатого вала двигателя, датчика 5 положения распределительного вала, датчика 6 температуры охлаждающей жидкости и датчика 7 температуры воздуха во впускном коллекторе ДВС. При этом, разъем 9 (фиг.3) имеет четыре входа, два из которых служат для подачи питания на генератор накачки, третий для управления ЛП, а четвертый (дополнительный) используется для переключения на различные виды топлива. Для возбуждения искрового разряда в межэлектродном промежутке модуль 8 искрового зажигания подключен к высоковольтной клемме 13 свечи 1 зажигания.Laser-spark plug 1, which provides the engine in the mode of heating the spark gap, is installed in the cylinder head of the engine 2 (1 and 2). A connector 9 is installed on the body of the spark plug 1, which serves to connect to power and control circuits and to which a laser heating microcontroller 3 is connected, which controls the spark plug 1 according to the signals of a group of sensors: engine crankshaft position sensor 4, camshaft position sensor 5, sensor 6 coolant temperature and air temperature sensor 7 in the intake manifold of the engine. At the same time, connector 9 (Fig. 3) has four inputs, two of which serve to supply power to the pump generator, the third to control the PL, and the fourth (optional) is used to switch to different types of fuel. To initiate a spark discharge in the interelectrode gap, the spark ignition module 8 is connected to the high voltage terminal 13 of the spark plug 1.

В верхней части свечи 1 зажигания размещен генератор накачки, электрически соединенный с лазерным (полупроводниковым) модулем 10, установленным в средней части корпуса свечи и направленным выходным окном в нижнюю часть корпуса свечи, в которой помещены: фокусирующий световод 11 для фокусирования луча и фильтр 12 для предохранения лазерного модуля 10 от излучения горящей топливной смеси, кроме этих элементов в корпусе свечи 1 зажигания находится проводник 15 центрального электрода, электрически соединенный с высоковольтной клеммой 13, установленной на корпусе свечи 1 зажигания. Генератор накачки (фиг.3) состоит из стабилизирующего каскада 16, управляющего каскада 17, задающего каскада 18 и выходного каскада 19. В задающем каскаде 18 установлено реле 20 и делитель напряжения 21. Выводы рабочей обмотки реле 20 электрически связаны с разъемом 9, а контакты реле 20 подключены параллельно одному из резисторов делителя напряжения 21. На верхней части корпуса 1 установлен индикаторный светодиод 14, который подключен к цепям питания стабилизирующего каскада генератора накачки.In the upper part of the spark plug 1, a pump generator is placed, electrically connected to a laser (semiconductor) module 10, installed in the middle of the candle body and directed by the exit window to the lower part of the candle body, in which are placed: a focusing fiber 11 for focusing the beam and a filter 12 for protection of the laser module 10 from the radiation of the burning fuel mixture, in addition to these elements in the housing of the spark plug 1 is a conductor 15 of the Central electrode, electrically connected to the high-voltage terminal 13, setting ennoy on the housing of ignition plug 1. The pump generator (Fig. 3) consists of a stabilizing stage 16, a control stage 17, a driving stage 18 and an output stage 19. A relay stage 20 and a voltage divider 21 are installed in the driving stage 18. The terminals of the working winding of the relay 20 are electrically connected to the connector 9, and the contacts the relay 20 is connected in parallel to one of the resistors of the voltage divider 21. An indicator LED 14 is installed on the upper part of the housing 1, which is connected to the power supply circuits of the stabilizing stage of the pump generator.

Лазерно-искровая свеча зажигания работает следующим образом.Laser spark plug works as follows.

При осуществлении лазерного подогрева (ЛП) межэлектродного промежутка свечи 1 зажигания на цепь питания стабилизирующего каскада 16 генератора накачки подается напряжение, при этом загорается индикаторный светодиод 14. При работе двигателя на бензине в задающем каскаде 18 генератора накачки сопротивление делителя 21 в цепи базы транзистора Т3 установлено таким образом, чтобы осуществить необходимую мощность ЛП для надежного воспламенения обедненных горючих смесей на бензине. При переходе на работу двигателя на газовом топливе с микроконтроллера ЛП поступает сигнал на дополнительный вход разъема 9 свечи 1 зажигания, а от него к рабочей обмотке реле 20. В результате, срабатывает реле 20, его контакты шунтируют один из резисторов делителя 21, что вызывает изменение смещения на базе транзистора Т3 в задающем каскаде 18 генератора накачки. Соответственно возрастает ток, протекающий через переход коллектор-эмиттер транзистора Т3, и ток, протекающий через излучатель лазерного модуля 10. Мощность излучения лазерного диода модуля 10 возрастает. Для устойчивого воспламенения горючей смеси на газовом топливе необходимо несколько увеличить мощность лазерного подогрева, так как горючая смесь, состоящая из воздуха и/или компонентов метана, пропана, бутана и т.п., имеет более высокую температуру воспламенения и горит медленнее по сравнению с воздушно-бензиновой горючей смесью. При работе зажигания без ЛП микроконтроллер 3 отключает генератор накачки свечи 1 зажигания, и индикаторный светодиод 14 гаснет. Генератор накачки обеспечивает работу лазерного модуля 10 путем вырабатывания импульсов тока определенной величины и длительности, подаваемых на вход лазерного модуля 10. Стабилизирующий каскад 16 генератора накачки на транзисторе Т1 обеспечивает соответствующее напряжение питания для остальных каскадов. Управляющий каскад 17 генератора накачки на транзисторе Т2 обеспечивает импульсное включение лазерного модуля 10 по сигналам микроконтроллера 3 в соответствии с тактами сжатия в цилиндре двигателя 2. Задающий каскад 18 генератора накачки на транзисторе Т3 устанавливает необходимую мощность излучения в импульсе лазерного модуля 10 и обеспечивает его безаварийную работу при выходе электрических параметров за установленные пределы. Выходной каскад 19 генератора накачки на транзисторе Т4 обеспечивает подачу необходимой величины тока на лазерный модуль 10. Лазерный модуль 10 может быть выполнен в виде гетероструктурного полупроводникового лазера со встроенным фотодиодом для контроля. Назначение фильтра 12 связано с необходимостью исключения воздействия излучения горящей топливной смеси на лазерный диод. Фильтр 12 пропускает только излучение лазерного модуля 10 и значительно уменьшает поток излучения к нему от горящей топливной смеси. Фокусирующий световод 11 предназначен для формирования и направления потока излучения лазерного модуля 10 в область искрового промежутка свечи 1 зажигания. Фокусирующий световод 11 может быть выполнен из материала, обеспечивающего необходимые параметры по теплостойкости и длине волны пропускания, которая соответствует длине волны излучения лазерного модуля 10, например из сапфира.During laser heating (LP) of the interelectrode gap of the spark plug 1, a voltage is supplied to the supply circuit of the stabilizing stage 16 of the pump generator, and the indicator LED 14 lights up. When the engine is running on gasoline in the driving stage 18 of the pump generator, the resistance of the divider 21 in the base circuit of transistor T3 is set in such a way as to realize the necessary power of the LP for reliable ignition of lean fuel mixtures on gasoline. When switching to the operation of a gas-fueled engine, the signal from the microcontroller LP is supplied to the additional input of the connector 9 of the spark plug 1, and from it to the working winding of relay 20. As a result, relay 20 is activated, its contacts shunt one of the resistors of divider 21, which causes a change bias based on the transistor T3 in the master stage 18 of the pump generator. Accordingly, the current flowing through the collector-emitter junction of the transistor T3 increases, and the current flowing through the emitter of the laser module 10. The radiation power of the laser diode of the module 10 increases. For stable ignition of a combustible mixture on gas fuel, it is necessary to slightly increase the power of laser heating, since a combustible mixture consisting of air and / or components of methane, propane, butane, etc., has a higher ignition temperature and burns more slowly compared to air -fuel gas mixture. When the ignition is operated without LP, the microcontroller 3 turns off the pump generator for the spark plug 1, and the indicator LED 14 goes out. The pump generator provides the operation of the laser module 10 by generating current pulses of a certain magnitude and duration supplied to the input of the laser module 10. The stabilizing stage 16 of the pump generator on the transistor T1 provides the corresponding supply voltage for the remaining stages. The control stage 17 of the pump generator on the transistor T2 provides pulse switching of the laser module 10 according to the signals of the microcontroller 3 in accordance with the compression strokes in the cylinder of the engine 2. The master stage 18 of the pump generator on the transistor T3 sets the necessary radiation power in the pulse of the laser module 10 and ensures its trouble-free operation when electrical parameters go beyond the set limits. The output stage 19 of the pump generator on the transistor T4 provides the necessary current to the laser module 10. The laser module 10 can be made in the form of a heterostructured semiconductor laser with an integrated photodiode for monitoring. The purpose of the filter 12 is associated with the need to exclude the effects of radiation from the burning fuel mixture on the laser diode. The filter 12 passes only the radiation of the laser module 10 and significantly reduces the radiation flux to it from the burning fuel mixture. The focusing fiber 11 is designed to form and direct the radiation flux of the laser module 10 into the spark gap of the spark plug 1. The focusing fiber 11 can be made of a material that provides the necessary parameters for heat resistance and a transmission wavelength that corresponds to the radiation wavelength of the laser module 10, for example, sapphire.

Использование предложенной свечи зажигания в ДВС транспортных средств позволяет повысить надежность работы двигателя, упростить конструкцию свечи и расширить диапазон работы двигателя на различных альтернативных видах моторного топлива.The use of the proposed spark plug in the internal combustion engine of vehicles allows to increase the reliability of the engine, simplify the design of the spark plug and expand the range of the engine on various alternative types of motor fuel.

Claims

1. Laser-spark spark plug of an internal combustion engine, including a laser module, a light guide and a pump generator, characterized in that the spark plug is made in the form of a removable assembly, in the upper part of the housing of which there is a pump generator comprising four series-connected cascades: stabilizing, controlling, setting, and output, and the output stage of the pump generator is connected via an electrical connector to a laser module located in the middle of the spark plug body, while between A laser filter window and a focusing optical fiber have a filter installed to protect the laser module from radiation from the burning mixture.

2. The laser-spark plug according to claim 1, characterized in that the pump generator is equipped with elements for changing the laser heating power, consisting of a power setting relay and a voltage divider in the base circuit of the transistor of the master stage, the relay contacts being connected in parallel with one of the voltage divider resistors and the conclusions of the working coil of the relay are electrically connected to the input connector of the laser-spark plug.

3. The laser-spark candle according to claim 1, characterized in that an indicator LED is installed on the candle body, which lights up when the laser heating is turned on.