RU2553916C2 - Method for laser ignition of fuel in diesel engine; device for laser ignition of fuel in diesel engine and igniter - Google Patents
Method for laser ignition of fuel in diesel engine; device for laser ignition of fuel in diesel engine and igniter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2553916C2 RU2553916C2 RU2013147006/06A RU2013147006A RU2553916C2 RU 2553916 C2 RU2553916 C2 RU 2553916C2 RU 2013147006/06 A RU2013147006/06 A RU 2013147006/06A RU 2013147006 A RU2013147006 A RU 2013147006A RU 2553916 C2 RU2553916 C2 RU 2553916C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- fuel
- ignition
- laser ignition
- igniter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения топлива в дизельных двигателях, работающих на жидком и газообразном топливе, как поршневых, так и роторных. Воспламенитель, содержащий форкамеру и свечу лазерного воспламенения, кроме того, может быть установлен на газотурбинных двигателях - ГТД и жидкостных ракетных двигателях - ЖРД и на других энергетических установках.The group of inventions relates to engine building and can be used to ignite fuel in diesel engines running on liquid and gaseous fuels, both piston and rotary. An ignitor containing a pre-chamber and a laser spark plug can also be installed on gas turbine engines - gas turbine engines and liquid-propellant rocket engines - liquid propellant rocket engines and other power plants.
Известна система зажигания камеры двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2124792, МПК F02P 3/04, опубл. 10.01.1999 г.Known ignition system of the chamber of an internal combustion engine according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2144792, IPC F02P 3/04, publ. 01/10/1999
Это изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрооборудовании транспортного средства. Свеча зажигания имеет корпус с эмиссионным преобразователем в виде пьезоэлектрического источника электронов. Свеча также содержит токоподводящий элемент, который одновременно является токопроводящим элементом преобразователя. Эмиссионный преобразователь имеет средство для формирования электрического импульса в виде эмиссионного катода, совмещенного с центральным электродом свечи. При подаче низковольтного напряжения на токоподводящий элемент с эмиссионного катода преобразователя вылетает поток электронов, представляющий собой непрерывный луч в течение одного цикла работы двигателя. Энергия, выделяемая лучом, воспламеняет топливовоздушную смесь в камере сгорания. Таким образом, повышается эффективность в работе свечи зажигания.This invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the electrical equipment of a vehicle. The spark plug has a housing with an emission transducer in the form of a piezoelectric electron source. The candle also contains a current-conducting element, which at the same time is a conductive element of the Converter. The emission converter has a means for generating an electric pulse in the form of an emission cathode, combined with the central electrode of the candle. When a low-voltage voltage is applied to the current-supplying element, an electron stream is emitted from the emission cathode of the converter, which is a continuous beam during one cycle of the engine. The energy released by the beam ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber. Thus, the efficiency of the spark plug is increased.
Недостатки: низкая мощность импульсов зажигания и периодическое обгорание электродов свечи, а также их загрязнение продуктами сгорания.Disadvantages: low power of ignition pulses and periodic burning of spark plug electrodes, as well as their pollution by combustion products.
Известна свеча зажигания двигателя по патенту КНР на изобретение №103189638, МПК F02P 23/04, опубл. 03/07/2013 г.A known spark plug of the engine according to the patent of the People's Republic of China for invention No. 103189638, IPC F02P 23/04, publ. 07/03/2013
Свеча системы зажигания короны по этому патенту выдает нетермическую плазму в форме короны, чтобы ионизировать и зажигать смесь топлива. Свеча включает электрод и керамический изолятор, окружающий электрод. Изолятор окружает конец электрода и блоки электрода от внешней части до камеры сгорания. Изолятор представляет поверхность, которая, подвергаясь воздействию в камере сгорания, испускает нетермическую плазму. Преимущественно проводящие элементы расположены в матрице керамического материала и вдоль изолятора нанесены, частицы металла вставлялись в керамическом материале или отверстиях в керамическом материале. Электрически поведение элементов уменьшает вредное действие дуги в течение действия свечи и таким образом улучшает качество зажигания.The corona spark plug of this patent provides a non-thermal corona-shaped plasma to ionize and ignite a fuel mixture. The candle includes an electrode and a ceramic insulator surrounding the electrode. An insulator surrounds the end of the electrode and electrode blocks from the outside to the combustion chamber. An insulator represents a surface that, when exposed to a combustion chamber, emits non-thermal plasma. Mostly the conductive elements are located in the matrix of the ceramic material and are deposited along the insulator, metal particles are inserted into the ceramic material or holes in the ceramic material. Electrically, the behavior of the elements reduces the harmful effect of the arc during the operation of the spark plug and thus improves the quality of the ignition.
Недостаток - относительно низкая энергия импульса.The disadvantage is the relatively low pulse energy.
Известна система лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2309288, МПК F02P 23/04, опубл. 27.10.2007 г., прототип способа и устройства.A known system of laser ignition of a combustible mixture of an internal combustion engine according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2309288, IPC F02P 23/04, publ. 10.27.2007, a prototype of the method and device.
Эта система содержит два лазера: один предназначен для разогрева определенного объема камеры цилиндра, а другой для воспламенения топливной смеси. Кроме того, предусмотрено изменение фокусировки второго лазера. Это значительно усложняет систему лазерного зажигания и снижает ее надежность. Кроме того, фокусировка лазерного луча никак не ориентирована относительно впускного клапана топливной смеси. Также недостатком является однократная подача воспламеняющего импульса лазерной свечи от второго лазера в момент опережения зажигания, который вычисляется только с помощью датчика углового положения распределительного вала. При этом общеизвестно, что угол опережения зажигания значительно зависит от частоты вращения коленчатого вала и четного или нечетного числа его оборотов для четырехтактных двигателей. Между угловым положением распределительного и коленчатого валов может быть рассогласование, например, из-за вытягивания цепи. Все это приводит к снижению КПД двигателя и увеличению эмиссии вредных веществ в выхлопных газах. Мер по снижению вибронагрузок на электронные компоненты и оптику лазерной свечи не предусмотрено.This system contains two lasers: one for heating a certain volume of the cylinder chamber, and the other for igniting the fuel mixture. In addition, a focus change of the second laser is provided. This greatly complicates the laser ignition system and reduces its reliability. In addition, the focusing of the laser beam is not oriented in any way with respect to the intake valve of the fuel mixture. Also a disadvantage is a single supply of a flaming pulse of a laser candle from a second laser at the time of ignition timing, which is calculated only using the camshaft angle sensor. It is well known that the ignition timing is significantly dependent on the crankshaft speed and the even or odd number of its revolutions for four-stroke engines. There may be a mismatch between the angular position of the camshaft and crankshaft, for example, due to chain stretching. All this leads to a decrease in engine efficiency and an increase in the emission of harmful substances in exhaust gases. Measures to reduce vibration loads on electronic components and laser candle optics are not provided.
Известен воспламенитель по заявке США №2009159031, МПК F02P 23/04, опубл. 25.02.2009 г., прототип воспламенителя. Этот воспламенитель содержит форкамеру и лазерную свечу. Недостаток ненадежное воспламенение при малой мощности лазера.Known igniter according to the application of US No. 2009159031, IPC
Задачей создания группы изобретений, совпадающей с техническим результатом, является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологических свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности.The task of creating a group of inventions that coincides with the technical result is to increase the reliability of the ignition system, improve the environmental properties of the engine, reduce vibration loads on the spark plug and increase its reliability.
Решение указанных задач достигнуто в способе лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе, содержащем по меньшей мере один цилиндр, впускной и выпускной клапаны, форсунку и воспламенитель, путем подачи импульса лазерного излучения в точку фокусировки во внутреннем объеме цилиндра в момент, который соответствует углу опережении зажигания, который соответствует углу опережения впрыска топлива, и воспламенение топливовоздушной смеси, тем, что согласно изобретению подачу импульса тепловой энергии осуществляют при помощи воспламенителя, содержащего свечу лазерного воспламенения и форкамеру, направлением факела в сторону форсунки. Подачу импульса тепловой энергии начинают до момента опережения впрыска топлива и продолжают до завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Мощность лазерного излучения может уменьшаться по мере завершения фазы выпуска продуктов сгорания. Перед воспламенением топлива в дизельном двигателе его воспламеняют в форкамере лазерным излучением, создаваемым микрочип-лазером. Возможно осуществление коррекции угла опережения впрыска топлива в зависимости от истинного угла поворота распределительного вала. Возможно осуществление коррекцию мощности лазерного луча свеч в зависимости от температуры воздуха. Возможно осуществление коррекцию мощности лазерного луча свеч в зависимости от давления воздуха после нагнетателя.The solution to these problems was achieved in a method of laser ignition of fuel in a diesel engine containing at least one cylinder, inlet and outlet valves, nozzle and igniter, by applying a laser pulse to the focus point in the internal volume of the cylinder at a moment that corresponds to the ignition advance angle, which corresponds to the lead angle of the fuel injection and ignition of the air-fuel mixture, in that according to the invention, the thermal energy pulse is supplied by ignition a substitute containing a laser spark plug and a pre-chamber, with the torch pointing toward the nozzle. The supply of a pulse of thermal energy begins until the fuel injection is ahead of the curve and continues until the completion of the phase of the release of combustion products. The power of laser radiation may decrease with the completion of the phase of release of combustion products. Before fuel is ignited in a diesel engine, it is ignited in the prechamber by laser radiation generated by a microchip laser. It is possible to carry out the correction of the angle of advance of fuel injection depending on the true angle of rotation of the camshaft. It is possible to correct the power of the laser beam of candles depending on the air temperature. It is possible to correct the power of the laser beam of candles depending on the air pressure after the supercharger.
Решение указанных задач достигнуто в устройстве для лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и воспламенитель с форкамерой и свечой зажигания, тем, что согласно изобретению применена свеча лазерного воспламенения, содержащая микрочип-лазер, вакуумную трубку и фокусирующую линзу, фокус которой находится под впускным клапаном, при этом микрочип-лазер соединен оптическим волокном с блоком накачки. Воспламенитель может быть выполнен охлаждаемым и соединен с системой жидкостного охлаждения. Устройство может содержать блок управления, блок накачки, источник энергии, соединенные электрическими связями, а также регулятор мощности лазера, который установлен между источником энергии и блоком накачки. Устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе может содержать датчики частоты вращения коленчатого вала, углового положения коленчатого вала, числа оборотов коленчатого вала и углового положения распределительного вала, соединенные электрическими связями с блоком управления. Устройство для лазерного воспламенения топлива в дизельном двигателе может содержать датчик давления топлива.The solution of these problems has been achieved in a device for laser ignition of fuel in an internal combustion engine containing at least one cylinder, an intake and exhaust valve and an ignitor with a prechamber and a spark plug, by the fact that according to the invention a laser spark plug containing a microchip laser, vacuum is used the tube and the focusing lens, the focus of which is under the inlet valve, while the microchip laser is connected by an optical fiber to the pump unit. The igniter can be made cooled and connected to a liquid cooling system. The device may include a control unit, a pump unit, an energy source connected by electrical connections, and a laser power regulator, which is installed between the energy source and the pump unit. A device for laser ignition of fuel in a diesel engine may include sensors for crankshaft speed, crankshaft angular position, crankshaft speed and camshaft angular position, connected by electrical connections to the control unit. A device for laser ignition of fuel in a diesel engine may include a fuel pressure sensor.
Решение указанных задач достигнуто в воспламенителе, содержащем форкамеру, выполненную в виде цилиндрического корпуса с цилиндрической полостью и выходным отверстием на торце, и свечу лазерного воспламенения, содержащую, в свою очередь, корпус и фокусирующую линзу, тем, что внутри корпуса установлен микрочип-лазер, а фокус свечи лазерного воспламенения расположен около боковой стенки форкамеры на расстоянии 0,1…0,2 от внутреннего диаметра форкамеры. Фокусировка свечи лазерного воспламенения может быть выполнена за счет выполнения осей свечи лазерного воспламенения и форкамеры под углом. Фокусировка свечи лазерного воспламенения может быть выполнена за счет выполнения оптической оси фокусирующей линзы по углом к оси свечи лазерного воспламенения. Внутри корпуса может быть установлено средство демпфирования. Средство демпфирования может быть выполнено из металлорезины. Средство демпфирования может быть выполнено в виде тросового виброизолятора. Тросовый виброизолятор может быть выполнен в виде нижней обоймы, жестко закрепленной в корпусе, и верхней обоймы, установленной в корпусе с возможностью осевого и радиального перемещения в центральном отверстии которой установлен микрочип-лазер, а обоймы соединены между собой тросовым элементом. Тросовый элемент может быть выполнен из винтовых прядей троса. Корпус свечи лазерного воспламенения может быть выполнен охлаждаемым. На корпусе свечи лазерного воспламенения могут быть выполнены продольные ребра. Внутри корпуса свечи лазерного воспламенения может быть выполнена кольцевая полость, к которой присоединены подводящий и отводящий патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости.The solution of these problems was achieved in an igniter containing a prechamber made in the form of a cylindrical body with a cylindrical cavity and an outlet at the end, and a laser spark plug, which in turn contains a body and a focusing lens, so that a microchip laser is installed inside the body, and the focus of the laser ignition candle is located near the side wall of the prechamber at a distance of 0.1 ... 0.2 from the inner diameter of the prechamber. The focusing of the laser ignition plug can be accomplished by performing the axes of the laser ignition plug and the prechamber at an angle. The focusing of the laser ignition candle can be accomplished by performing the optical axis of the focusing lens at an angle to the axis of the laser ignition candle. Damping means may be installed inside the housing. The damping means may be made of metal rubber. The damping means can be made in the form of a cable vibration isolator. The cable vibration isolator can be made in the form of a lower clip rigidly fixed in the housing and an upper clip mounted in the housing with the possibility of axial and radial movement in the central hole of which a microchip laser is installed, and the clips are interconnected by a cable element. The cable element can be made of screw strands of cable. The body of the laser ignition plug can be cooled. On the casing of the laser ignition candle, longitudinal ribs can be made. An annular cavity may be made inside the body of the laser ignition plug, to which inlet and outlet pipes are connected for circulation of the coolant.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…27, гдеThe invention is illustrated in the drawings of FIG. 1 ... 27, where
- на фиг. 1 приведен вид дизельного двигателя с торца,- in FIG. 1 shows the end view of a diesel engine,
- на фиг. 2 приведен воспламенитель, упрощенная схема,- in FIG. 2 shows the igniter, a simplified diagram,
- на фиг. 3 приведен разрез А-А,- in FIG. 3 shows a section aa,
- на фиг. 4 приведен разрез В-В,- in FIG. 4 shows a section bb,
- на фиг. 5 приведен вид С-С,- in FIG. 5 shows a view of CC
- на фиг. 6 приведен разрез D-D,- in FIG. 6 shows a section D-D,
- на фиг. 7 приведена схема взаимной компоновки впускного клапана, выпускного клапана и воспламенителя,- in FIG. 7 shows a diagram of the mutual arrangement of the intake valve, exhaust valve and igniter,
- на фиг. 8 приведена схема взаимной компоновки впускного клапана и воспламенителя,- in FIG. 8 shows a diagram of the mutual arrangement of the intake valve and igniter,
- на фиг. 9 приведена диаграмма фаз газораспределения,- in FIG. 9 shows a timing diagram,
- на фиг. 10 приведен воспламенитель,- in FIG. 10 is an igniter,
- на фиг. 11 приведена свеча лазерного воспламенения с демпфером из металлорезины,- in FIG. 11 shows a laser spark plug with a metal rubber damper,
- на фиг. 12 приведена свеча лазерного воспламенения с тросовым демпфером,- in FIG. 12 shows a laser spark plug with a cable damper,
- на фиг. 13 приведена форкамера,- in FIG. 13 shows a prechamber,
- на фиг. 14 приведена форкамера, второй вариант,- in FIG. 14 shows the prechamber, the second option,
- на фиг. 15 приведена форкамера, третий вариант,- in FIG. 15 shows the prechamber, the third option,
- на фиг. 16 приведена схема установки фокусирующей линзы,- in FIG. 16 is a diagram of a focusing lens installation,
- на фиг. 17 приведен виброизолятор,- in FIG. 17 shows a vibration isolator,
- на фиг. 18 приведена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения, воздушное (конвективное охлаждение),- in FIG. 18 shows a cooled laser spark plug, air (convective cooling),
- на фиг. 19 приведена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения, жидкостное охлаждение,- in FIG. 19 shows a cooled laser spark plug, liquid cooling,
- на фиг. 20 приведен первый вариант схемы жидкостного охлаждения свечи,- in FIG. 20 shows a first embodiment of a liquid cooling scheme for a candle,
- на фиг.21 приведен второй вариант схемы жидкостного охлаждения свечи,- Fig.21 shows a second variant of a liquid cooling circuit of a candle,
- на фиг.22 приведен третий вариант жидкостного охлаждения свечи,- Fig.22 shows a third embodiment of liquid cooling candles,
- на фиг.23 приведен первый вариант работы системы лазерного воспламенения,- Fig.23 shows a first embodiment of a laser ignition system,
- на фиг.24 приведен второй вариант работы воспламенителя,- Fig.24 shows a second embodiment of the igniter,
- на фиг.25 приведен третий вариант работы воспламенителя,- Fig.25 shows a third embodiment of the igniter,
- на фиг.26 приведена циклограмма работы зажигания с подогревом,- Fig.26 shows the sequence diagram of the operation of the ignition with heating,
- на фиг.27 приведено изменение подогрева от температуры воздуха.- Fig.27 shows the change in heating from air temperature.
Дизельный двигатель (в дальнейшем - двигатель) содержит (фиг.1…27) по меньшей мере один цилиндр 1 и установленный в нем поршень 2.The diesel engine (hereinafter referred to as the engine) contains (FIGS. 1 ... 27) at least one
В дальнейшем описание приведено на примере двухцилиндрового дизельного двигателя. Изобретение распространяет свои права на дизельные двигатели с любым числом цилиндров и с любым их расположением.The description below is given by the example of a two-cylinder diesel engine. The invention extends its rights to diesel engines with any number of cylinders and with any arrangement thereof.
Каждый поршень 2 имеет компрессионные и маслосъемные кольца 3 и 4 соответственно. Цилиндры 1 выполнены заодно с корпусом 5, имеющим поддон 6 для масла 7. Над цилиндрами 1 установлена головка цилиндров 8, между ними установлена прокладка 9. Двигатель имеет коленчатый вал 10, систему газораспределения 11, выполненную в головке цилиндров 8.Each
Система газораспределения 11 содержит систему впуска воздуха 12 и систему выпуска выхлопных газов 13, и распределительный вал 14. Распределительный вал 14 выполнен с кулачками 15 и установлен на подшипниках 16 в корпусе 17 (фиг.3…5).The
Кроме того, в систему впуска топливовоздушной смеси 12 (фиг.3…5) входят впускные отверстия 18 и впускные клапаны 19, выполненные в головке цилиндров 8 и выходящие в камеры сгорания 20, а в систему выпуска выхлопных газов 13 (фиг.4) входят выпускные отверстия 21, выполненные в головке цилиндров 8, в которых установлены выпускные клапаны 22. В головке цилиндров 8 установлен воспламенитель 23, содержащий свечу лазерного воспламенения 24 и форкамеру 25 (фиг.2) При этом свеча лазерного воспламенения 24 соединена оптическим волокном 26 с блоком накачки 27.In addition, the inlet system of the air-fuel mixture 12 (FIGS. 3 ... 5) includes
Двигатель содержит топливные форсунки 28 (по числу цилиндров 1), выходящие в камеры сгорания 20 (фиг.1), и топливный насос 29, который топливопроводами высокого давления 30 соединен с топливными форсунками 28. К каждому топливопроводу высокого давления 30 присоединена топливная трубка 31, другой конец которой соединен с входным патрубком 32 воспламенителя 23.The engine contains fuel nozzles 28 (according to the number of cylinders 1) exiting into the combustion chambers 20 (FIG. 1), and a
Поршни 2 связаны с коленчатым валом 10 шатунами 33 (фиг.3…6), в которых установлены пальцы 34. Шатуны 33 имеют шатунные подшипники 35. Коленчатый вал 10 установлен на коренных подшипниках 36 и уплотнен уплотнениями 37. Внутри коленчатого вала 10 выполнены маслоканалы 38.The
В систему газораспределения 11 входят ведущая звездочка 39 и ведомая звездочка 40, соединенные цепью (или ремнем) 41. Диаметр ведомой звездочки 40 в 2 раза больше диаметра ведущей звездочки 39. За два оборота коленчатого вала 10 распределительный вал 14 совершает всего один оборот.The
Двигатель может быть оборудован блоком управления 42, который электрической связью 43 соединен с блоком накачки 25. Для питания блока накачки 27 электроэнергией предусмотрен источник энергии 44, который электрическими связями 43 соединен с блоком управления 42, а для регулирования мощности лазерного луча между источником энергии 44 и блоком накачки 25 подключен регулятор мощности 45.The engine may be equipped with a
Система впуска воздуха 12 содержит впускной патрубок 46 и может содержать турбонаддув 47.The
Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 и цилиндрами 1 выполнена полость 48 для охлаждения цилиндров 1 (фиг. 1). В систему охлаждения двигателя входят отводящий трубопровод 49, соединенный с полостью 48, насос 50, промежуточный трубопровод 51, радиатор 52 и подводящий трубопровод 53.Between the
Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения коленчатого вала 54, датчиком углового положения коленчатого вала 55, датчиком числа оборотов коленчатого вала 56 (для определения четного или нечетного оборота коленчатого вала) и датчиком углового положения распределительного вала 57, соединенными электрическими связями 43 с блоком управления 42 (фиг. 1).In addition, the engine can be equipped with a
Применение систем лазерного зажигания, например, на микрочип-лазере позволит кратковременно развивать мощность разряда в десятки КВТ при малом потреблении энергии, так как в них можно реализовать длительность импульса энергии в несколько нс.The use of laser ignition systems, for example, on a microchip laser, will allow a short-term development of a discharge power of tens of kW with low energy consumption, since it is possible to realize an energy pulse duration of several ns in them.
В связи с тем, что потребная мощность лазерного излучения для воспламенения топлива зависит от температуры окружающее среды (воздуха в системе впуска топливовоздушной смеси 12), целесообразно установить датчик температуры воздуха 58.Due to the fact that the required laser radiation power for igniting the fuel depends on the ambient temperature (air in the air-fuel mixture intake system 12), it is advisable to install an
Для контроля работы турбонаддува 47 применен датчик давления 59. Для контроля топливного насоса 29 применен датчик давления топлива 60.A
На фиг. 7 и 8 представлена схема установки воспламенителя 23 на двигателе. Предпочтительно воспламенитель 23 установить таким образом, чтобы его ось O1O1 пересекалась с продольной осью топливной форсунки 28 для воспламенения топлива в локальной зоне 61.In FIG. 7 and 8 show the installation diagram of the
Свеча лазерного воспламенения 24 включается одновременно с подачей топлива в топливную трубку 31 или до этого момента. При этом следует иметь в виду, что на всех дизельных двигателях фазы впуска и выпуска пересекаются (фиг. 9) и момент ОВТ (опережение впрыска топлива) приходится на открытое положение впускного клапана 19.The
На фиг. 10 приведена схема компоновки свечи лазерного воспламенения 24 и форкамеры 25. Свеча лазерного воспламенения 24 содержит резьбовой участок 62, при помощи которого она ввинчивается в корпус 63 форкамеры 25. Между свечой лазерного воспламенения 24 и форкамерой 25 установлена уплотнительная прокладка 64. На корпусе 63 выполнен резьбовой участок 65 для ввинчивания в головку цилиндров 8.In FIG. 10 shows the layout of the
На фиг. 11 и 12 приведена более детальная схема двух вариантов свечи лазерного воспламенения 24.In FIG. 11 and 12 show a more detailed diagram of two variants of a
Свеча лазерного воспламенения 24 (фиг. 11 и 12) содержит корпус 66 цилиндрической формы с полостью 67 тоже цилиндрической формы, в которой установлен микрочип-лазер 68. Полость 67 корпуса 66 соединена отверстием 69 с камерой сгорания 20 в цилиндре 1. Внутри корпуса 66 установлена вакуумная трубка 70 с фокусирующей линзой 71 на конце. Другой конец вакуумной трубки 70 соединен с микрочип-лазером 68. Микрочип-лазер 68 оптическим волокном 26 соединен с блоком накачки 27.The laser spark plug 24 (FIGS. 11 and 12) comprises a
Корпус 66 свечи лазерного воспламенения 24 (фиг. 11) содержит цилиндрическую стенку 72 и днище 73. На днище 73 выполнен резьбовой участок 74 и упомянутое ранее отверстие 69 для прохода вакуумной трубки 70, которая уплотнена уплотнением 74. Сверху корпус 66 закрыт крышкой 75, имеющей осевое отверстие 76 для вывода оптического волокна 26, которое уплотнено уплотнением 77, поджато гайкой 78 с центральным отверстием 79. Крышка 75 уплотнена относительно корпуса 66 уплотнением 80.The
Микрочип-лазер 68 и вакуумная трубка 70 установлены внутри амортизирующего устройства 81 (фиг. 11 и 12).The
Возможны различные варианты исполнения амортизирующего устройства 81, например в виде втулки 82 из металлорезины (фиг. 11).Various variants of the shock-absorbing
Наиболее предпочтительно амортизирующее устройство 81 выполнить в виде тросового виброизолятора 83 (фиг. 12), который обладает очень большой эффективностью виброгашения. Тросовый виброизолятор 83 (фиг. 17) содержит концентрично и соосно размещенные друг над другом нижнюю и верхнюю обоймы, соответственно 84 и 85, выполненные в виде дисков и соединенные упругим тросовым элементом 86. Верхняя и нижняя обоймы 84 и 85 имеют по n лучей 87, в отверстия 88 которых попеременно защемлен тросовый элемент 86. В верхней обойме 85 выполнено центральное отверстие 89. Тросовый элемент 86, в свою очередь, свит из винтовых прядей троса, например из 7 прядей одной центральной и шести периферийных. Нижняя обойма 84 жестко связана с корпусом 66, например жестко прикреплена к его днищу 73, а верхняя обойма 85 установлена с возможностью осевого и радиального перемещения в корпусе 66. В центральном отверстии 89 верхней обоймы 85 установлен микрочип-лазер 68 (фиг. 12).Most preferably, the
Форкамера 25 (фиг. 13) выполнена в виде цилиндрического корпуса 90 с цилиндрической полостью 91 вдоль его оси. На верхнем торце 92 выполнено резьбовое отверстие 93 для установки свечи лазерного воспламенения 24, а на нижнем торце 94 - выходное отверстие 95, содержащее диффузорную часть 96 для увеличения диаметра воспламеняющего факела на выходе. Угол диффузора от 7 до 15 град выполнен из условия безотрывности потока в нем.The prechamber 25 (Fig. 13) is made in the form of a
Для подвода топлива в цилиндрическую полость 91 применена система каналов, которая содержит первый и второй коллекторы 97 и 98, соединенные каналом 99, и обратный клапан 100. К первому коллектору 97 присоединен входной коллектор 62, а на внутренней стенке 101 выполнены тангенциальные отверстия 102, выходящие в цилиндрическую полость 92.To supply fuel to the
Особенностью воспламенителя 23 является то, что фокус лазерного луча находится вблизи от внутренней стенки 101, но не касается ее, т.е. выполнено соотношение:The peculiarity of the
D1=(08…0,9)D.D1 = (08 ... 0.9) D.
Это достигается одним из двух способов: или выполнением оси свечи лазерного воспламенения 24 под углом к оси форкамеры 25 (фиг. 14), или выполнением под углом оптической оси фокусирующей линзы 71 (фиг. 15 и 16).This is achieved in one of two ways: either by making the axis of the laser ignition plug 24 at an angle to the axis of the prechamber 25 (FIG. 14), or by making the focusing
В первом варианте (фиг. 14) между осями свечи лазерного воспламенения 24 и осью форкамеры 25 выполнен угол:In the first embodiment (Fig. 14), an angle is made between the axes of the
β=7…10 град.β = 7 ... 10 deg.
Второй вариант выполнение оптической оси фокусирующей линзы 71 под углом к оси воспламенителя 23 (фиг. 15 и 16):The second option is the implementation of the optical axis of the focusing
β=7…10 град.β = 7 ... 10 deg.
Возможно применение охлаждаемых свеч лазерного воспламенения 24 (фиг. 18 и 19).Perhaps the use of cooled candles laser ignition 24 (Fig. 18 and 19).
Вариант исполнения свечи лазерного воспламенения 24 с воздушным охлаждением (фиг 18). В этом варианте на корпусе 90 выполнены продольные ребра 103.An embodiment of an air-cooled laser spark plug 24 (FIG. 18). In this embodiment,
Если применена охлаждаемая свеча лазерного воспламенения 24 жидкостного охлаждения (фиг. 19), то она содержит кольцевую полость 104, выполненную концентрично полости 67. С этой полостью сообщаются входной и выходной штуцеры 105 и 106 соответственно.If a cooled liquid-cooled laser
Возможны различные варианты схем охлаждения свечи лазерного воспламенения 24 (фиг. 20…22).There are various options for cooling the candle laser ignition 24 (Fig. 20 ... 22).
На фиг. 20 приведен первый вариант схемы охлаждения с использованием системы охлаждения двигателя.In FIG. 20 shows a first embodiment of a cooling circuit using an engine cooling system.
К входному штуцеру 105 присоединен входной трубопровод 107, другой конец которого соединен с выходом из насоса 50, а к выходному штуцеру 106 присоединен выходной трубопровод 108, другой конец которого присоединен к выходу из теплообменника 52 (фиг. 18). Таким образом, системы охлаждения двигателя и свеч лазерного воспламенения 24 объединены и в них используется жидкий охладитель: вода или антифриз. Системы охлаждения цилиндров 1 и свеч лазерного воспламенения 24 имеют общий расширительный бачок 109.An
Во втором варианте (фиг. 21) система охлаждения свеч лазерного воспламенения 24 выполнена независимой со сбросом охлаждающей жидкости в атмосферу. Эта система содержит бачок 110 с охлаждающей жидкостью, трубопровод низкого давления 111, соединяющий бачок 110 с насосом 112, и трубопровод высокого давления 113, соединяющий насос 112 с входным штуцером 105. Кроме того, к выходному штуцеру 106 присоединен трубопровод сброса 114.In the second embodiment (Fig. 21), the cooling system of the laser spark plugs 24 is made independent with the discharge of coolant into the atmosphere. This system includes a
На фиг. 22 приведен третий вариант. Он отличается тем, что вместо трубопровода сброса 114 в корпусе 66 свечи лазерного воспламенения 24, точнее в ее резьбовом участке 67, выполнен канал 115, соединяющий полость 104 и камеру сгорания 20.In FIG. 22 shows the third option. It differs in that instead of the
Циклограмма работы двигателя показана на фиг. 21…25. Линией 116 (фиг. 23) показаны импульсы энергии воспламенения свечи лазерного воспламенения 24. Видно, что первый импульс подается в фазе сжатия до ее завершения (момент опережения зажигания), а потом периодически подаются импульсы во время фазы расширения и возможно до ее завершения. При этом мощность импульса дожигания по мере завершения выхлопа может уменьшаться ступенчато, поз. 117 (фиг. 24), или плавно, поз. 118 (фиг. 25), так как воспламенение недогоревшего топлива при высокой температуре не требует большой энергии.The engine operation diagram is shown in FIG. 21 ... 25. Line 116 (FIG. 23) shows pulses of ignition energy of the
Если в двигателе применена система предварительного подогрева топливовоздушной смеси, то свеча лазерного зажигания 24 до момента опережения зажигания работает в режиме пониженной мощности 10%…50% от номинальной мощности (поз. 119) на фиг. 26.If the engine is used to pre-heat the air-fuel mixture, then the
При изменении температуры окружающей среды (воздуха) изменяется мощность импульсов подогрева, например при увеличении - уменьшается (поз. 120) на фиг. 27.When the ambient temperature (air) changes, the power of the heating pulses changes, for example, when increasing, it decreases (pos. 120) in FIG. 27.
Работает двигатель следующим образом.The engine operates as follows.
Топливо (фиг. 1) подается из топливного насоса 29 по топливопроводу высокого давления 30 в топливную форсунку 28 и одновременно по топливной трубке 31 во входной коллектрор 32 воспламенителя 23. Воздух подается через впускные отверстия 18 (при открытом впускном клапане 19) в камеру сгорания 20. При этом первый поршень 2 находится в верхней мертвой точке ВМТ и начинает движение вниз, работая в режиме впуска топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания 20 первого цилиндра 1. Система выхлопа 13 первого цилиндра 1 в это время закрыта. В это же время для второго цилиндра 1 впускное отверстие 18 закрыто впускным клапаном 19. Продукты сгорания из второго цилиндра 1 поступают в систему выхлопа 13 через выпускное отверстие 21 (при открытом выпускном клапане 22). После того как коленчатый вал 10 совершит пол-оборота, произойдет сжатие топливовоздушной смеси в камере сгорания 20 и блок управления 42 по электрической связи 43 подает сигнал на блок накачки 27, в котором формируется лазерное излучение, которое по оптическому волокну 26 подает на свечу лазерного воспламенения 24 первую серию импульсов для воспламенения топливовоздушной смеси.Fuel (Fig. 1) is supplied from the
Датчик частоты вращения коленчатого вала 54 контролирует частоту вращения коленчатого вала 10, датчик числа оборотов 56 - общее число, а датчик углового положения коленчатого вала 55 постоянно измеряет угловое положение коленчатого вала 10 и в зависимости от этих показателей блок управления 42 подает команды на блок накачки 27 для подачи импульса на свечи лазерного воспламенения 24.The
Кроме того, датчик углового положения 57 распределительного вала 14 определяет истинное угловое положение распределительного вала 14, которое может, во-первых, не соответствовать угловому положению коленчатого вала 10, во-вторых, расходиться и между собой, например, при вытяжке цепи 41 или ее проскальзывании относительно звездочек 39 и 40, и блок управления 42 вносит коррекцию в угол опережения зажигания в соответствии с истинным положением распределительного вала 14, а не в соответствии с положением коленчатого вала 10.In addition, the
Предложенное техническое решение позволит более четко подавать импульсы на свечи лазерного воспламенения 24 и корректировать опережение зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 10. Кроме того, при вытягивании цепи 41 или ее проскальзывании относительно ведомой звездочки 40 осуществляется коррекция момента опережения зажигания. Сравнивая показания датчиков углового положения коленчатого вала 56 и распределительного вала 57 блок управления 42 определяет разницу между расчетным и фактическим положением распределительного вала 14 и корректирует угол опережения зажигания.The proposed technical solution will allow more clearly to apply pulses to the laser spark plugs 24 and to correct the ignition timing depending on the speed of the
Наличие системы лазерного воспламенения позволит четко и многократно подавать импульсы на свечи лазерного воспламенения 24, начиная с угла опережения зажигания (до ВМТ) и до полного завершения цикла расширения, что повысит полноту сгорания топлива и, как следствие, повысит КПД четырехтактного двигателя, и уменьшит эмиссию вредных веществ в атмосферу. Это поясняется на фиг.23…27. Порядок работы цилиндров 1 следующий: Всасывание - Сжатие - Рабочий ход - Выпуск. Импульсы 116 на свечи лазерного воспламенения 24 подают начиная с угла опережения зажигания, который соответствует углу опережения впрыска топлива ОВТ (до ВМТ), и до полного завершения рабочего хода.The presence of a laser ignition system will make it possible to accurately and repeatedly supply pulses to laser spark plugs 24, starting from the ignition timing (up to TDC) and until the expansion cycle is completed, which will increase the completeness of fuel combustion and, as a result, increase the efficiency of a four-stroke engine and reduce emissions harmful substances into the atmosphere. This is illustrated in Fig.23 ... 27. The order of operation of the
Целесообразно мощность импульсов свеч лазерного воспламенения 24 уменьшать по мере завершения фазы выпуска (фиг.24 и 25), поз. 117 и 118. Это не только позволит сэкономить энергию, затрачиваемую на зажигание, но и облегчит работу микрочип-лазера, и предотвратит его перегрев.It is advisable to reduce the power of the pulses of the candles of
Если применен предварительный подогрев топливовоздушной смеси (фиг.26 и 27), то перед моментом опережения зажигания (опережения впрыска топлива) на свечу лазерного зажигания подают импульс, энергия которого составляет 10%…50% от энергии, необходимой для воспламенения топливовоздушной смеси (поз.119). Это, с одной стороны, исключит преждевременное воспламенение топливовоздушной смеси, а с другой стороны - подготовит ее для гарантированного воспламенения в необходимый момент.If preheating of the air-fuel mixture is applied (Figs. 26 and 27), then before the moment of ignition advance (advancing fuel injection) a pulse is supplied to the laser spark plug, the energy of which is 10% ... 50% of the energy necessary to ignite the air-fuel mixture (pos. 119). This, on the one hand, will exclude premature ignition of the air-fuel mixture, and on the other hand, will prepare it for guaranteed ignition at the right time.
При изменении температуры окружающей среды необходимо корректировать мощность импульсов в сторону увеличения при низких температурах и в сторону уменьшения при высоких температурах, поз.120 на фиг.27.When the ambient temperature changes, it is necessary to adjust the pulse power in the direction of increasing at low temperatures and decreasing at high temperatures, pos. 120 in Fig. 27.
В случае установки свечи лазерного зажигания 34 на мощных двигателях внутреннего сгорания на корпус 5 двигателя, а особенно на ЖРД или ГТД, учитывая, что в них установлен микрочип-лазер 58 и оптика, на ответственные детали свечи действует огромная виброназрузка. В случае применения амортизирующего устройства 81 в виде тросового виброизолятора 83 вибронагрузка на микрочип-лазер 68 уменьшается в десятки и сотни раз. Тросовый виброизолятор 83 эффективен в широком диапазоне частот в отличие от других типов демпферов.In the case of installing a
Возможно несколько вариантов исполнения охлаждения свеч лазерного воспламенения 24.Several options for cooling laser spark plugs are possible 24.
При применении воздушного охлаждения (фиг.18) ребра 103 отводят тепло от корпуса 90.When using air cooling (Fig. 18), the
В случае применения жидкостного охлаждения (фиг.19) возможны три варианта.In the case of liquid cooling (FIG. 19), three options are possible.
Первый вариантFirst option
По первому варианту охлаждение свеч лазерного зажигания 24 (фиг.20) производится подачей относительно холодного охладителя, который отбирается после радиатора 52 и по входному трубопроводу 107 поступает в подводящий штуцер 1055 и далее в полость 104. Охладитель возвращается через отводящий штуцер 16 и выходной трубопровод 108 на вход насоса 50 и далее в радиатор 52. Совмещение систем охлаждения цилиндров 1 двигателя и свеч лазерного воспламенения позволило упростить систему охлаждения и повысить ее надежность.According to the first embodiment, the cooling of the laser spark plugs 24 (Fig. 20) is carried out by supplying a relatively cold cooler, which is taken after the
Второй вариантSecond option
По второму варианту (фиг.21) с применением независимой системы охлаждения свечи лазерного воспламенения охладитель, например воду из бачка 110, по трубопроводу низкого давления 111 насосом 112 по трубопроводу высокого давления 113 и далее через подводящий штуцер 105 подается в полость 104, охлаждает свечу лазерного воспламенения 24 и через отводящий штуцер 106 и трубопровод сброса 114 сбрасывается в атмосферу.According to the second variant (Fig. 21), using an independent laser spark plug cooling system, a cooler, for example water from a
В третьем варианте (фиг.22) охлаждающая жидкость сбрасывается по каналу 115, выполненному в корпусе 66 свечи лазерного воспламенения 24 в камеру сгорания 20 цилиндра 1.In the third embodiment (Fig. 22), the coolant is discharged through the
Применение группы изобретений позволило:The use of a group of inventions allowed:
1. Повысить надежность системы зажигания.1. Improve the reliability of the ignition system.
2. Повысить КПД двигателя.2. Increase engine efficiency.
3. Уменьшить эмиссию вредных веществ при работе двигателя внутреннего сгорания за счет более полного сжигания топлива.3. To reduce the emission of harmful substances during the operation of the internal combustion engine due to a more complete combustion of fuel.
4. Уменьшить вибронагрузки на микрочип-лазер и оптику.4. Reduce vibration loads on the microchip laser and optics.
5. Повысить надежность системы зажигания:5. Improve the reliability of the ignition system:
- за счет предотвращения загрязнения фокусирующей линзы, установкой ее внутри камеры с отверстием минимально возможного диаметра,- by preventing contamination of the focusing lens by installing it inside the camera with an opening of the smallest possible diameter,
- за счет применения системы жидкостного охлаждения свеч зажигания.- through the use of a liquid cooling system for spark plugs.
Claims (22)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013147006/06A RU2553916C2 (en) | 2013-10-21 | 2013-10-21 | Method for laser ignition of fuel in diesel engine; device for laser ignition of fuel in diesel engine and igniter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013147006/06A RU2553916C2 (en) | 2013-10-21 | 2013-10-21 | Method for laser ignition of fuel in diesel engine; device for laser ignition of fuel in diesel engine and igniter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013147006A RU2013147006A (en) | 2015-04-27 |
RU2553916C2 true RU2553916C2 (en) | 2015-06-20 |
Family
ID=53283032
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013147006/06A RU2553916C2 (en) | 2013-10-21 | 2013-10-21 | Method for laser ignition of fuel in diesel engine; device for laser ignition of fuel in diesel engine and igniter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2553916C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2612188C1 (en) * | 2016-01-29 | 2017-03-02 | Николай Борисович Болотин | Diesel engine ignition system and laser sparking plug |
RU2621445C1 (en) * | 2015-12-08 | 2017-06-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Device for feeding fuel to internal combustion engine cylinder |
RU2649720C1 (en) * | 2017-01-10 | 2018-04-04 | Николай Борисович Болотин | Laser spark plug |
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 |
US20090107436A1 (en) * | 2007-10-31 | 2009-04-30 | Caterpillar Inc. | Laser igniter having integral pre-combustion chamber |
US20090159031A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-25 | Friedrich Gruber | Laser ignition apparatus |
EP2292922A2 (en) * | 2009-07-23 | 2011-03-09 | GE Jenbacher GmbH & Co. OHG | Laser ignition device for combustion engine |
WO2012152462A1 (en) * | 2011-05-06 | 2012-11-15 | Robert Bosch Gmbh | Laser spark plug and operating method for same |
-
2013
- 2013-10-21 RU RU2013147006/06A patent/RU2553916C2/en not_active IP Right Cessation
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 |
US20090107436A1 (en) * | 2007-10-31 | 2009-04-30 | Caterpillar Inc. | Laser igniter having integral pre-combustion chamber |
US20090159031A1 (en) * | 2007-12-19 | 2009-06-25 | Friedrich Gruber | Laser ignition apparatus |
EP2292922A2 (en) * | 2009-07-23 | 2011-03-09 | GE Jenbacher GmbH & Co. OHG | Laser ignition device for combustion engine |
WO2012152462A1 (en) * | 2011-05-06 | 2012-11-15 | Robert Bosch Gmbh | Laser spark plug and operating method for same |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2621445C1 (en) * | 2015-12-08 | 2017-06-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Device for feeding fuel to internal combustion engine cylinder |
RU2612188C1 (en) * | 2016-01-29 | 2017-03-02 | Николай Борисович Болотин | Diesel engine ignition system and laser sparking plug |
RU2649720C1 (en) * | 2017-01-10 | 2018-04-04 | Николай Борисович Болотин | Laser spark plug |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013147006A (en) | 2015-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
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 | |
US9739192B2 (en) | Fuel combustion system, nozzle for prechamber assembly with curved orifices, and method of making same | |
US9617908B2 (en) | Fuel combustion system, nozzle for prechamber assembly having coolant passage, and method of making same | |
CN1078928C (en) | Charge conditioning system for enabling cold starting and running of spark-ignited, diesel piston engines | |
US20160348570A1 (en) | Fuel Combustion System, Nozzle for Prechamber Assembly Having Coolant Passage in Communication with Orifice Passage, and Method of Making Same | |
RU2576099C1 (en) | Internal combustion engine | |
CN109441643B (en) | Micro-turbojet engine and ignition device for combustion chamber of gas turbine | |
US9556844B2 (en) | Nozzle with contoured orifice surface and method of making same | |
RU2553916C2 (en) | Method for laser ignition of fuel in diesel engine; device for laser ignition of fuel in diesel engine and igniter | |
RU2584769C1 (en) | Free-piston engine | |
CN114439600A (en) | Pre-chamber assembly | |
US9702328B2 (en) | Fuel combustion system having component with knurled conduction surface and method of making same | |
RU2612188C1 (en) | Diesel engine ignition system and laser sparking plug | |
US2528081A (en) | Fuel preheater | |
JP6036586B2 (en) | Internal combustion engine and control method thereof | |
RU2531473C1 (en) | Internal combustion engine and method of internal combustion engine operation | |
RU2574197C1 (en) | Internal combustion engine and igniter | |
RU2544642C1 (en) | Four-stroke internal combustion engine | |
US20150361930A1 (en) | Improved diesel engine efficiency by timing of ignition and combustion using ultraviolet light | |
RU2707012C1 (en) | Internal combustion engine control method | |
RU2647889C1 (en) | Laser spark plug | |
RU2645396C1 (en) | Laser spark plug | |
RU2649720C1 (en) | Laser spark plug | |
RU2055996C1 (en) | Gas-turbine engine | |
RU2645363C1 (en) | Laser igniter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151022 |