RU2634301C2 - Laser ignition system and laser ignition plug - Google Patents

Laser ignition system and laser ignition plug Download PDF

Info

Publication number
RU2634301C2
RU2634301C2 RU2015157077A RU2015157077A RU2634301C2 RU 2634301 C2 RU2634301 C2 RU 2634301C2 RU 2015157077 A RU2015157077 A RU 2015157077A RU 2015157077 A RU2015157077 A RU 2015157077A RU 2634301 C2 RU2634301 C2 RU 2634301C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
spark plug
distributor
plug according
voltage
Prior art date
Application number
RU2015157077A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015157077A (en
Inventor
Николай Борисович Болотин
Original Assignee
Николай Борисович Болотин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Борисович Болотин filed Critical Николай Борисович Болотин
Priority to RU2015157077A priority Critical patent/RU2634301C2/en
Publication of RU2015157077A publication Critical patent/RU2015157077A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2634301C2 publication Critical patent/RU2634301C2/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00Other ignition
    • F02P23/04Other 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)
  • Lasers (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: laser ignition system contains a power source connected by low voltage wires through a switch with a high voltage unit that is connected by a high voltage wire to a distributor whose output is connected by an isolated high voltage wire to a laser ignition plug containing a laser source. The system contains a low-voltage distributor, the distributor and the low-voltage distributor are connected by a synchronization device, the laser ignition plug contains a preignition chamber with a cavity formed by an end bottom, a side wall and a conical wall in the form of a frustum of a cone in which outlets are made, the internal electrode is connected to the outlet of the distributor, and a microchip laser is connected to the power source via the low-voltage distributor. The laser ignition plug comprises a laser source and a focusing lens protected by an optical glass, characterized in that at the input of the preignition chamber an internal electrode is set, comprising at least one hole for the laser beam passing. The internal electrode can be connected by a high-voltage wire with a distributor.
EFFECT: reducing the size of the igniter and increasing the efficiency of the spark discharge and the reliability of the ignition.
17 cl, 15 dwg

Description

Группа изобретений относится к воспламенителям, свечам зажигания, в частности лазерным с встроенной форкамерой, которая способна значительно улучшить эффективность распространения факела зажигания и эффективность сжигания топливовоздушной смеси за счет одновременного применения для воспламенения лазерного луча и подогрева и активации топливовоздушной смеси ТВС мощным электрическим полем. Изобретение может найти применение при использовании в двигателе внутреннего сгорания - ДВС, как карбюраторных, так и инжекторных и дизельных, а также в роторных двигателях, газопоршневых и других типах двигателей и в энергетических установках.The group of inventions relates to igniters, spark plugs, in particular laser with an integrated prechamber, which can significantly improve the efficiency of the spread of the ignition flame and the efficiency of burning the air-fuel mixture due to the simultaneous use of a powerful electric field for fuel assembly to ignite the laser beam and to heat and activate the fuel-air mixture. The invention can find application when used in an internal combustion engine - internal combustion engine, both carbureted and injection and diesel, as well as in rotary engines, gas piston and other types of engines and in power plants.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Обычно боковой заземленный электрод электрической свечи зажигания изогнут и имеет L-образную форму, будучи перпендикулярным к направлению осевого центрального электрода так, чтобы поперечное сечение разрядной части, так называемой «мини-форкамеры», обращенной к осевому центральному электроду, было прямоугольным.Usually, the lateral grounded electrode of the electric spark plug is bent and L-shaped, perpendicular to the direction of the axial central electrode so that the cross section of the discharge part, the so-called “mini-chamber”, facing the axial central electrode, is rectangular.

Когда возникает искровой разряд свечи зажигания, искра появляется между осевым центральным электродом и концевой разрядной частью заземленного электрода, расположенной ниже осевого центрального электрода. Газовая смесь в искровом промежутке, сформированном этими электродами, воспламеняется за счет искры так, что сжатая газовая смесь воспламеняется сначала в «мини-форкамере» между электродами, а потом горизонтально истекающий факел воспламеняет остальную ТВС. В обычных конструкциях высокое давление газа, вызванное воспламенением, может быть заблокировано концевой разрядной частью так, что эффект распространения горения на воздушно-топливную газовую смесь в камере сгорания является недостаточно хорошим. А запуск двигателя при отрицательных температурах вообще вызывает затруднение из-за охлаждения воспламеняющего факела от холодных металлических частей головки цилиндра.When a spark discharge occurs, the spark appears between the axial central electrode and the end discharge part of the grounded electrode located below the axial central electrode. The gas mixture in the spark gap formed by these electrodes is ignited by the spark so that the compressed gas mixture is ignited first in the “mini-chamber” between the electrodes, and then the horizontally expiring torch ignites the rest of the fuel assembly. In conventional designs, the high gas pressure caused by ignition can be blocked by the end discharge part so that the effect of the propagation of combustion on the air-fuel gas mixture in the combustion chamber is not good enough. And starting the engine at low temperatures generally causes difficulty due to the cooling of the flaming flame from the cold metal parts of the cylinder head.

Когда остаточный углерод (продукт неполного сгорания топливовоздушной смеси - ТВС) остается в искровом промежутке между электродами, то углерод может накапливаться и изменяться от фазы частиц до фазы соединения на поверхностях электродов так, что между электродами может возникнуть короткое замыкание. В таком состоянии, даже при подаче напряжения, искра может не возникать, что ведет к серьезным проблемам вплоть до остановки двигателя или выпуску топливовоздушной смеси через выхлопную трубу без сгорания. Когда несгоревшая газовая смесь выпускается в выхлопную трубу, часто проявляется эффект обратной вспышки, при этом проявляется аварийный эффект и снижается эффективность сгорания. Выход из строя одного из нескольких цилиндров может длительное время оставаться без внимания, что приведет к поломке двигателя из-за дисбаласа роторных частей.When the residual carbon (the product of incomplete combustion of the fuel-air mixture - FA) remains in the spark gap between the electrodes, carbon can accumulate and change from the phase of the particles to the phase of the connection on the surfaces of the electrodes so that a short circuit can occur between the electrodes. In this state, even when voltage is applied, a spark may not occur, which leads to serious problems up to stopping the engine or releasing the air-fuel mixture through the exhaust pipe without combustion. When an unburned gas mixture is discharged into the exhaust pipe, a reverse flash effect is often manifested, with an emergency effect and a reduced combustion efficiency. Failure of one of several cylinders can remain unattended for a long time, which will lead to engine failure due to imbalance of rotor parts.

Во время работы ДВС из-за коррозии могут появиться трещина на конце осевого центрального электрода, что приводит к возникновению критического повреждения. Срок службы свечи зажигания может снизиться из-за такого дефекта.During the operation of the internal combustion engine, a crack may appear at the end of the axial central electrode due to corrosion, which leads to critical damage. Spark plug life may be reduced due to such a defect.

Известна электрическая свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366053, МПК Н01Т 13/20, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча зажигания содержит центральный электрод и боковой электрод цилиндрической формы, между ними образуется «мини-форкамера». Искровой разряд осуществляется на цилиндрическую стенку, а выход продуктов сгорания осуществляется в кольцевой зазор.Known electric spark plug according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2366053, IPC Н01Т 13/20, publ. August 27, 2009. This spark plug contains a central electrode and a side electrode of cylindrical shape, between them a “mini-chamber” is formed. Spark discharge is carried out on a cylindrical wall, and the output of combustion products is carried out in an annular gap.

Недостаток этой свечи - возможное засорение кольцевого зазора из-за отложения твердых частиц продуктов сгорания на обоих электродах, особенно при работе на обогащенной смеси.The disadvantage of this candle is the possible clogging of the annular gap due to the deposition of solid particles of combustion products on both electrodes, especially when working on an enriched mixture.

Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2366052, МПК Н01Т 13/00, опубл. 27.08.2009 г. Эта свеча содержит центральный электрод и Г-образный боковой электрод, плоскость которого скручена по длине для создания вихревого движения продуктов сгорания.Known spark plug according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2366052, IPC Н01Т 13/00, publ. August 27, 2009. This candle contains a central electrode and a L-shaped side electrode, the plane of which is twisted along the length to create a vortex motion of the combustion products.

Недостаток - плохой запуск двигателя при отрицательных температурах.The disadvantage is poor engine starting at low temperatures.

Известна свеча зажигания по патенту РФ на изобретение №2360342, МПК Н01Т 13/54, опубл. 27.06.2009 г.Known spark plug according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2360342, IPC Н01Т 13/54, publ. 06/27/2009

Эта свеча содержит центральный и боковой электроды и две форкамеры, установленные последовательно.This candle contains a central and side electrodes and two prechambers mounted in series.

Недостатки: конструктивная сложность свечи, ее большие осевые габариты и высокая стоимость.Disadvantages: constructive complexity of the candle, its large axial dimensions and high cost.

Известна система лазерного зажигания и свеча лазерного зажигания по патенту РФ на полезную модель №152420, МПК F02P 23/04, опубл. 27.05.2015 г., прототип системы зажигания и свечи лазерного зажигания.A known laser ignition system and a laser spark plug according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 152420, IPC F02P 23/04, publ. 05/27/2015, the prototype of the ignition system and laser spark plugs.

Эти система лазерного зажигания и свеча содержат источник электроэнергии, соединенный низковольтными проводами через выключатель с блоком высокого напряжения, который соединен высоковольтным проводом с распределителем, выход которого соединен изолированным высоковольтным проводом с лазерной свечой зажигания, содержащей источник лазерного излучения.These laser ignition systems and the candle contain an electric source connected by low-voltage wires through a switch to a high-voltage unit, which is connected by a high-voltage wire to a distributor, the output of which is connected by an insulated high-voltage wire to a laser spark plug, containing a laser radiation source.

Недостатки:Disadvantages:

- большая потребная мощность лазера при ограниченных габаритах свечи лазерного зажигания, которую целесообразно изготовить по габаритам как точную копию стандартных электрических свеч зажигания,- the large required laser power with limited dimensions of the laser spark plug, which it is advisable to produce the dimensions as an exact copy of standard electric spark plugs,

- относительно низкая полнота сгорания топлива в цилиндре ДВС из-за его воспламенения в одной точке,- relatively low completeness of combustion of fuel in the engine cylinder due to its ignition at one point,

- отложение копоти на оптике лазерной свечи.- soot deposition on the optics of a laser candle.

Задачей создания изобретения, соответствующей достигнутому техническому результату, является создание простой лазерной свечи малых габаритов и малой мощности, обеспечивающей более надежное зажигание при запуске ДВС, особенно при низких температурах, более полное сгорание ТВС и надежность.The objective of the invention, corresponding to the achieved technical result, is to create a simple laser candle of small dimensions and low power, providing more reliable ignition when starting the engine, especially at low temperatures, more complete combustion of the fuel assemblies and reliability.

Технический результат - уменьшение потребной мощности лазера вследствие применения для обеспечения воспламенения ТВС лазерного луча и предварительной обработки ТВС в форкамеры очень сильным электрическим полем.The technical result is a reduction in the required laser power due to the use of a laser beam to pre-ignite the fuel assemblies and preprocess the fuel assemblies into prechambers with a very strong electric field.

Решение указанных задач достигнуто в системе лазерного зажигания, содержащей источник электроэнергии, соединенный низковольтными проводами через выключатель с блоком высокого напряжения, который соединен высоковольтным проводом с распределителем, выход которого соединен изолированным высоковольтным проводом с лазерной свечой зажигания, содержащей источник лазерного излучения, тем, что система содержит низковольтный распределитель, распределитель и низковольтный распределитель соединены устройством синхронизации, лазерная свеча зажигания содержит форкамеру, форкамера содержит полость, образованную торцовым днищем, боковой стенкой и конической стенкой в виде усеченного конуса, в которой выполнены выходные отверстия, внутренний электрод соединен с выходом распределителя, а микрочип-лазер соединен с источником энергии через низковольтный распределитель.The solution of these problems was achieved in a laser ignition system containing an electric source connected by low-voltage wires through a switch to a high-voltage unit, which is connected by a high-voltage wire to a distributor, the output of which is connected by an insulated high-voltage wire to a laser spark plug, containing a laser radiation, so that the system contains a low-voltage distributor, a distributor and a low-voltage distributor are connected by a synchronization device, a laser candle Ignition comprises a prechamber, the prechamber comprises a cavity formed by the socket bottom, side wall and the conical wall of the truncated cone, wherein outlet openings are made, the inner electrode connected to the output of the distributor, and the microchip laser is connected to a power source through a low voltage distributor.

Устройство синхронизации может быть выполнено механическим, например, в виде вала. Устройство синхронизации может быть выполнено электронным, например, в виде процессора.The synchronization device can be made mechanical, for example, in the form of a shaft. The synchronization device can be made electronic, for example, in the form of a processor.

Решение указанных задач достигнуто в лазерной свече зажигания, содержащей источник лазерного излучения и фокусирующую линзу, защищенную оптическим стеклом, тем, что на входе в форкамеру установлен внутренний электрод, содержащий, по меньшей мере, одно отверстие для прохождения луча лазера. Внутренний электрод может быть соединен высоковольтным проводом с распределителем. Лазерная свеча может содержать дополнительное оптическое стекло с защитной полостью между ними. Источник лазерного излучения может быть выполнен в виде микрочип-лазера с вакуумной трубкой. Источник лазерного излучения может быть выполнен в виде твердотельного лазера. Лазерная свеча зажигания может быть выполнена с возможностью расщепления лазерного луча. Внутренний электрод может быть выполнен с остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере. Внутренний электрод может быть выполнен с кольцевым остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере. На внутреннем электроде может быть выполнено под углом к оси форкамеры несколько отверстий. Внутри форкамеры может быть установлена, по меньше мере, одна мишень. Мишень может быть выполнена в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе, имеющем хвостовик, вмонтированный в торцовую стенку. На конической стенке может быть установлено несколько мишеней по числу выходных отверстий. Мишени, установленные на цилиндрической стенке, могут быть выполнены в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе. Мишени могут быть установлены так, что оси выходных отверстий проходят через центры металлических шариков.The solution of these problems was achieved in a laser spark plug containing a laser source and a focusing lens protected by optical glass, in that an internal electrode was installed at the inlet of the prechamber, containing at least one hole for the passage of the laser beam. The inner electrode may be connected by a high voltage wire to the distributor. The laser candle may contain additional optical glass with a protective cavity between them. The laser radiation source can be made in the form of a microchip laser with a vacuum tube. The source of laser radiation can be made in the form of a solid-state laser. The laser spark plug can be configured to split the laser beam. The inner electrode can be made with a pointed protrusion at the end facing the prechamber. The inner electrode can be made with an annular pointed protrusion at the end facing the prechamber. Several holes can be made on the inner electrode at an angle to the axis of the prechamber. At least one target may be installed inside the prechamber. The target can be made in the form of a metal ball mounted on a conical holder having a shank mounted in the end wall. Several targets can be mounted on the conical wall according to the number of outlet openings. Targets mounted on a cylindrical wall can be made in the form of a metal ball mounted on a conical holder. Targets can be set so that the axes of the outlet openings pass through the centers of the metal balls.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг. 1…15, гдеThe invention is illustrated in the drawings of FIG. 1 ... 15, where

- на фиг. 1 представлена система воспламенения в сборе,- in FIG. 1 shows an assembly ignition system,

- на фиг. 2 приведена лазерная свеча зажигания, первый вариант,- in FIG. 2 shows a laser spark plug, the first option,

- на фиг. 3 представлена лазерная свеча зажигания, второй вариант,- in FIG. 3 shows a laser spark plug, the second option,

- на фиг. 4 приведена форкамера, первый вариант,- in FIG. 4 shows the prechamber, the first option,

- на фиг. 5 приведена форкамера, второй вариант,- in FIG. 5 shows the prechamber, the second option,

- на фиг. 6 приведена форкамера, третий вариант,- in FIG. 6 shows the prechamber, the third option,

- на фиг. 7 приведена форкамера, четвертый вариант,- in FIG. 7 shows the prechamber, the fourth option,

- на фиг. 8 приведен внутренний электрод с остроконечным выступом,- in FIG. 8 shows an internal electrode with a pointed protrusion,

- на фиг. 9 приведен внутренний электрод с кольцевым остроконечным выступом,- in FIG. 9 shows an internal electrode with an annular pointed protrusion,

- на фиг. 10 приведена шайба с несколькими отверстиями, выполненными под углом,- in FIG. 10 shows a washer with several holes made at an angle,

- на фиг. 11 приведен первый вариант установки мишени,- in FIG. 11 shows a first embodiment of a target installation,

- на фиг. 12 приведен второй вариант установки мишеней,- in FIG. 12 shows a second option for setting targets,

- на фиг. 13 приведена мишень,- in FIG. 13 shows the target

- на фиг. 14 приведены диаграммы подачи импульсов лазера и напряжения на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения постоянного тока,- in FIG. 14 shows diagrams of the supply of laser pulses and voltage at the internal electrode when using a high-voltage DC unit,

- на фиг. 15 приведены диаграммы подачи импульсов лазера и напряжения на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения переменного тока.- in FIG. Figure 15 shows the diagrams of the supply of laser pulses and the voltage at the internal electrode when using a high-voltage AC unit.

Система лазерного зажигания (фиг. 1) содержит источник электроэнергии 1, соединенный низковольтными проводами 2 через выключатель 3 с блоком высокого напряжения 4, который соединен высоковольтным проводом 5 с распределителем 6. Второй высоковольтный провод 7 соединен с заземлением 8. Каждый выход распределителя 6 соединен изолированным высоковольтным проводом 9 с лазерной свечой зажигания 10, точнее с клеммным наконечником 11. Один низковольтный провод 2 заземлен на массу 8.The laser ignition system (Fig. 1) contains a power source 1 connected by low-voltage wires 2 through a switch 3 to a high-voltage unit 4, which is connected by a high-voltage wire 5 to a distributor 6. The second high-voltage wire 7 is connected to ground 8. Each output of the distributor 6 is connected isolated high-voltage wire 9 with a laser spark plug 10, more precisely with a terminal lug 11. One low-voltage wire 2 is grounded to ground 8.

Для обеспечения питания лазерной свечи зажигания 10 и своевременного включения питания лазерной свечи зажигания 10 низким напряжением к низковольтному проводу 2 присоединен низковольтный распределитель 12, выход которого проводом 13 соединен с лазерной свечой зажигания 10, точнее с клеммой 14.To provide power to the laser spark plug 10 and timely turn on the power of the laser spark plug 10 with a low voltage, a low-voltage distributor 12 is connected to the low-voltage wire 2, the output of which is connected by a wire 13 to the laser spark plug 10, more precisely, to terminal 14.

Система лазерного зажигания 10 содержит блок управления 15 (электронный), который электрическими связями 16 соединен с распределителями 6 и 12. Система лазерного зажигания содержит датчик частоты вращения коленчатого вала 17, соединенный электрической связью 16 с блоком управления 15.The laser ignition system 10 contains a control unit 15 (electronic), which is connected by electrical connections 16 to the distributors 6 and 12. The laser ignition system contains a speed sensor for the crankshaft 17 connected by electrical connection 16 to the control unit 15.

Работа распределителей 7 и 12 синхронизирована механизмом синхронизации 18, например валом или электронной системой (фиг. 1).The operation of the valves 7 and 12 is synchronized by the synchronization mechanism 18, for example, a shaft or an electronic system (Fig. 1).

Лазерная свеча зажигания 9 (фиг. 1 и 2) содержит корпус 19 (металлический), изолятор 20, внутренний высоковольтный провод 21, соединенный с внутренним электродом 22, выполненным в виде шайбы с отверстием 23 (отверстиями), установленный на изолирующей втулке 24.The laser spark plug 9 (FIGS. 1 and 2) contains a housing 19 (metal), an insulator 20, an internal high-voltage wire 21 connected to an internal electrode 22 made in the form of a washer with a hole 23 (holes) mounted on an insulating sleeve 24.

В полости 25 внутри изолятора 20 на амортизаторе 26 установлен микрочип-лазер 27, к которому присоединена вакуумная трубка 28. Вакуумная трубка 28 - это металлическая и керамическая трубка, внутри которой создан вакуум. На противоположном конце вакуумной трубки 28 закреплена фокусирующая линза 29.In the cavity 25 inside the insulator 20, a microchip laser 27 is mounted on the shock absorber 26, to which the vacuum tube 28 is connected. The vacuum tube 28 is a metal and ceramic tube inside which a vacuum is created. A focusing lens 29 is fixed at the opposite end of the vacuum tube 28.

Под фокусирующей линзой 29 установлено оптическое стекло 30 и дополнительное оптическое стекло 31 с защитной полостью 32 между ними.An optical glass 30 and an additional optical glass 31 with a protective cavity 32 between them are mounted under the focusing lens 29.

Под центральным электродом 22 выполнена форкамера 33 с полостью 34, имеющая торцовое днище 35, коническую стенку 37 в виде усеченного конуса и цилиндрическую стенку 38. В конической стенке 37 выполнены выходные отверстия 39 (фиг. 1 и 2).Under the central electrode 22, a prechamber 33 with a cavity 34 is made, having an end face 35, a truncated conical wall 37 and a cylindrical wall 38. Outlets 39 are made in the conical wall 37 (Figs. 1 and 2).

Для подвода энергии к микрочип-лазеру 27 кроме клеммы 14 предусмотрено металлизированное покрытие 40 на изоляторе 20 с внутренней стороны и электрод 41 для передачи напряжения к микрочип-лазеру 27.To supply energy to the microchip laser 27, in addition to terminal 14, a metallized coating 40 is provided on the insulator 20 on the inside and an electrode 41 for transmitting voltage to the microchip laser 27.

Лазерная свеча зажигания 10 ввернута в головку блока цилиндров 42 по резьбе 43.The laser spark plug 10 is screwed into the cylinder head 42 by thread 43.

Центральное отверстие 18 предназначено для прохождения луча лазера 44 от фокусирующей линзы 29. Более детально конструкция лазерной свечи зажигания 10 приведена на фиг. 2.The central hole 18 is intended for the passage of the laser beam 44 from the focusing lens 29. In more detail, the design of the laser spark plug 10 is shown in FIG. 2.

На фиг. 3 приведен второй вариант лазерной свечи зажигания 10, в которой вместо микрочип-лазера 27 с вакуумной трубкой 28 установлен твердотельный лазер 45. На фиг. 4…7 приведены варианты форкамеры 33.In FIG. 3 shows a second embodiment of a laser spark plug 10, in which a solid-state laser 45 is installed instead of a microchip laser 27 with a vacuum tube 28. FIG. 4 ... 7 are options for the pre-chamber 33.

По первому варианту (фиг. 4) во внутреннем электроде 22 выполнено одно отверстие 23 вдоль оси симметрии свечи лазерного воспламенения 10.According to the first embodiment (Fig. 4), one hole 23 is made in the inner electrode 22 along the axis of symmetry of the laser spark plug 10.

По второму варианту (фиг. 5) применена призма 46, установленная над оптическим стеклом 30, для расщепления луча лазера 44 на несколько лучей (по числу выходных отверстий 39).In the second embodiment (Fig. 5), a prism 46 is used, mounted above the optical glass 30, to split the beam of the laser 44 into several beams (according to the number of exit openings 39).

По третьему варианту (фиг. 6) предложено установить в полости 34 внутри форкамеры 33 одну мишень 46.According to the third embodiment (Fig. 6), it is proposed to install one target 46 in the cavity 34 inside the pre-chamber 33.

По четвертому варианту (фиг. 7) предложено внутри форкамеры 33 в полости 34 установить несколько мишеней 47 и прикрепить их к цилиндрической стенке 37.According to the fourth embodiment (Fig. 7), it is proposed to install several targets 47 in the chamber 33 in the cavity 34 and attach them to the cylindrical wall 37.

Лазерная свеча может иметь в полости 34 форкамеры 33 мишень 47 для луча лазера 44 (фиг. 3…6). При этом лазерная свеча зажигания 10 может быть выполнена в одном из четырех вариантов в зависимости от конструкции этой мишени. 47 (фиг. 3…6).The laser candle may have a target 47 for the laser beam 44 in the cavity 34 of the pre-chamber 33 33 (Fig. 3 ... 6). In this case, the laser spark plug 10 can be made in one of four options, depending on the design of this target. 47 (Fig. 3 ... 6).

На фиг. 4 приведена форкамера 33, в которой установлен один внутренний электрод 22 с одним отверстием 23.In FIG. 4 shows a prechamber 33 in which one internal electrode 22 with one hole 23 is mounted.

На фиг. 5 приведена форкамера 33, в которой установлена призма 46 для расщепления луча лазера 44 и во внутреннем электроде 22 выполнено несколько отверстий 23, при этом число отверстий равно числу лазерных лучей.In FIG. 5 shows a prechamber 33 in which a prism 46 for splitting the laser beam 44 is mounted and several holes 23 are made in the inner electrode 22, the number of holes being equal to the number of laser beams.

На фиг. 6 приведена форкамера 33 с мишенью 47.In FIG. Figure 6 shows the prechamber 33 with target 47.

На фиг. 7 приведена лазерная свеча зажигания с несколькими мишенями 47.In FIG. 7 shows a laser spark plug with several targets 47.

Форкамера 33 может быть выполнена в нескольких вариантах в зависимости от конструкции мишени 47 (фиг. 8…10).The prechamber 33 can be made in several versions, depending on the design of the target 47 (Fig. 8 ... 10).

На фиг. 8 приведена мишень 47, установленная вдоль оси OO свечи лазерного воспламенения внутри форкамеры 33 в полости 34.In FIG. Figure 8 shows the target 47 mounted along the axis OO of the laser spark plug inside the chamber 33 in the cavity 34.

Эта мишень 47 выполнена в виде металлического шарика 48, установленного на коническом держателе 49, имеющем хвостовик 50, вмонтированный в торцовое днище 35 (фиг. 9).This target 47 is made in the form of a metal ball 48 mounted on a conical holder 49 having a shank 50 mounted in the end face 35 (Fig. 9).

Во втором варианте применено несколько мишеней 47, установленных на боковой стенке 38.In the second embodiment, several targets 47 are mounted on the side wall 38.

Возможны три варианта исполнения шайбы 22, выполняющей функцию центрального электрода (фиг. 11…13).There are three possible versions of the washer 22, which performs the function of the central electrode (Fig. 11 ... 13).

На фиг. 11 приведена шайба 22 с кольцевым остроконечным выступом 51, на фиг. 12 приведена шайба 22 с кольцевым остроконечным выступом 52, на фиг. 13 приведена шайба 22 с несколькими отверстиями 23, выполненными под углом для выпуска нескольких лучей лазера и предотвращения загрязнения оптики,In FIG. 11 shows a washer 22 with an annular pointed protrusion 51, in FIG. 12 shows a washer 22 with an annular pointed protrusion 52, in FIG. 13 shows a washer 22 with several holes 23 made at an angle to release several laser beams and prevent contamination of the optics,

- на фиг. 14 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 53 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения постоянного тока,- in FIG. 14 shows diagrams of the supply of laser pulses 52 and voltage 53 at the internal electrode when using a high-voltage DC unit,

- на фиг. 15 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 54 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения переменного тока.- in FIG. 15 shows diagrams of the supply of laser pulses 52 and voltage 54 at the internal electrode when using an AC high voltage unit.

Работа устройстваDevice operation

При работе воспламенителя, например в составе двигателя внутреннего сгорания - ДВС (фиг. 1…13), в состав которого входит воспламенитель, двигатель запускают стартером (не показано) и одновременно включают выключатель 31 (замок зажигания). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстия 14 попадает в форкамеру 12. В момент опережения зажигания распределитель 27 подает потенциал на блок преобразования напряжения 6, где напряжение снижается до рабочего, и далее на твердотельный лазер 7, который генерирует луч лазера 20. Луч лазера 20 практически мгновенно воспламеняет ТВС в форкамере 33. ТВС, находящаяся в контакте, воспламеняется и фронт пламени в виде шара, фронт пламени радиально идет до выходных отверстий 37 и выходит из них в камеру сгорания цилиндра двигателя.During operation of the igniter, for example, as part of an internal combustion engine - ICE (Fig. 1 ... 13), which includes an ignitor, the engine is started with a starter (not shown) and at the same time turn on the switch 31 (ignition switch). After injection of the fuel assembly (air-fuel mixture), part of it through the outlet openings 14 enters the pre-chamber 12. At the time of ignition timing, the distributor 27 supplies the potential to the voltage conversion unit 6, where the voltage decreases to the working one, and then to the solid-state laser 7, which generates a laser beam 20 The laser beam 20 almost instantly ignites the fuel assemblies in the prechamber 33. The fuel assembly in contact ignites the flame front in the form of a ball, the flame front radially goes to the outlet openings 37 and exits them into the combustion chamber of the cylinder wiggler.

В цикле «рабочий ход» продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, с огромной скоростью выбрасываются из форкамеры 33 в полость камеры сгорания цилиндра ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней.In the “stroke” cycle, combustion products having a very high temperature are ejected from the chamber 33 into the cavity of the combustion engine cylinder with great speed and ignite the entire fuel assembly charge present in it.

Одновременно между металлическим корпусом 2 и шайбой 22, выполняющей роль центрального электрода, возникает коронный разряд, который значительно нагревает топливовоздушную смесь внутри форкамеры 33, что облегчает работу лазерной свечи зажигания 1 и позволяет в несколько раз уменьшить энергию твердотельного лазера 7. Наличие остроконечных выступов 50 или 51 способствует возникновению коронного разряда.Simultaneously, a corona discharge arises between the metal casing 2 and the washer 22, which acts as the central electrode, which significantly heats the air-fuel mixture inside the pre-chamber 33, which facilitates the operation of the laser spark plug 1 and allows several times to reduce the energy of the solid-state laser 7. The presence of pointed protrusions 50 or 51 contributes to the occurrence of corona discharge.

Коническая форма днища позволяет разместить на нем максимально количество отверстий при минимальном выступании форкамеры 33 внутрь цилиндра ДВС. Кроме того, на этой поверхности можно расположить выходные отверстия 39 под любым углом к оси форкамеры 33.The conical shape of the bottom allows you to place on it the maximum number of holes with a minimum protrusion of the pre-chamber 33 inside the engine cylinder. In addition, on this surface it is possible to position the outlet openings 39 at any angle to the axis of the prechamber 33.

Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности при малой мощности твердотельного лазера 45 (фиг. 3). Также этот подход может быть применен на двигателях, работающих на криогенных топливах: водороде и сжиженном природном газе. Для воспламенения криогенного топлива, имеющего очень низкую температуру, не понадобится значительно увеличивать мощность свечи зажигания. Особенно хорошо этот эффект будет проявляться на двигателях большой мощности и на двигателях, работающих на природном газе.Such an organization of the fuel assembly ignition process will provide 100% ignition even in the worst conditions at low temperature and high humidity at low power of the solid-state laser 45 (Fig. 3). Also, this approach can be applied on engines operating on cryogenic fuels: hydrogen and liquefied natural gas. To ignite a cryogenic fuel having a very low temperature, it is not necessary to significantly increase the power of the spark plug. This effect will be especially well manifested on high power engines and on engines running on natural gas.

На фиг. 14 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 53 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения постоянного тока, при этом напряжение 53 может снижаться по мере завершения рабочего хода.In FIG. 14 shows diagrams of the supply of laser pulses 52 and voltage 53 at the internal electrode when using a high-voltage direct current unit, and voltage 53 may decrease as the stroke is completed.

На фиг. 15 приведены диаграммы подачи импульсов лазера 52 и напряжения 54 на внутреннем электроде при применении блока высокого напряжения переменного тока.In FIG. 15 shows diagrams of the supply of laser pulses 52 and voltage 54 at the internal electrode when using an AC high voltage unit.

Частота импульсов лазера может быть больше или меньше частоты переменного напряжения на выходе из блока высокого напряжения 4.The laser pulse frequency may be greater or less than the frequency of the alternating voltage at the output of the high voltage unit 4.

В итоге, применение группы изобретений позволит:As a result, the use of a group of inventions will allow:

1. Уменьшить габаритные размеры лазерной свечи зажигания до габаритов стандартных электрических свеч зажигания.1. Reduce the overall dimensions of the laser spark plug to the dimensions of standard electric spark plugs.

2. Уменьшить потребную мощность лазера за счет применения предварительного подогрева ТВС и ее активации внутри форкамеры мощным электрическим полем.2. To reduce the required laser power through the use of preheating of the fuel assembly and its activation inside the chamber with a powerful electric field.

3. Упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении лазерной свечи зажигания и форкамеры.3. Simplify the design of the ignition system by reducing the number of parts when combining a laser spark plug and a prechamber.

4. Улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет воспламенении ТВС в малом объеме форкамеры двумя источниками энергии лазерной и предварительного подогрева электрическим полем.4. Improve the ignition when starting an unheated engine, especially at low temperatures, due to the ignition of the fuel assemblies in a small volume of the prechamber with two sources of laser energy and electric field preheating.

7. Уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом форкамеры.7. Reduce fuel consumption due to its more complete combustion, provided more accurate ignition of the fuel assemblies in the combustion chamber of the internal combustion engine with a powerful prechamber torch.

8. Снизить эмиссию вредных веществ вследствие более полного сгорания топлива.8. Reduce the emission of harmful substances due to more complete combustion of the fuel.

9. Предотвратить отложение копоти на фокусирующей линзе и уменьшить вредное влияние высоких температур.9. Prevent soot deposits on the focusing lens and reduce the harmful effects of high temperatures.

Claims (17)

1. Система лазерного зажигания, содержащая источник электроэнергии, соединенный низковольтными проводами через выключатель с блоком высокого напряжения, который соединен высоковольтным проводом с распределителем, выход которого соединен изолированным высоковольтным проводом с лазерной свечой зажигания, содержащей источник лазерного излучения, отличающаяся тем, что система содержит низковольтный распределитель, распределитель и низковольтный распределитель соединены устройством синхронизации, лазерная свеча зажигания содержит форкамеру, форкамера содержит полость, образованную торцовым днищем, боковой стенкой и коническорй стенкой в виде усеченного конуса, в которой выполнены выходные отверстия, внутренний электрод соединен с выходом распределителя, а микрочип-лазер соединен с источником энергии через низковольтный распределитель.1. A laser ignition system comprising an electric power source connected by low voltage wires through a switch to a high voltage unit, which is connected by a high voltage wire to a distributor, the output of which is connected by an insulated high voltage wire to a laser spark plug containing a laser radiation source, characterized in that the system comprises a low voltage the distributor, the distributor and the low-voltage distributor are connected by a synchronization device, the laser spark plug contains rkameru, pre-chamber comprises a cavity formed by the bottom of the socket, and a side wall konicheskory wall in the form of a truncated cone in which the outlet openings are made, the inner electrode connected to the output of the distributor, and the microchip laser is connected to a power source through a low voltage distributor. 2. Система лазерного зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что устройство синхронизации выполнено механическим, например, в виде вала.2. The laser ignition system according to claim 1, characterized in that the synchronization device is made mechanical, for example, in the form of a shaft. 3. Система лазерного зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что устройство синхронизации выполнено электронным, например, в виде процессора.3. The laser ignition system according to claim 1, characterized in that the synchronization device is electronic, for example, in the form of a processor. 4. Лазерная свеча зажигания, содержащая источник лазерного излучения и фокусирующую линзу, защищенную оптическим стеклом, отличающаяся тем, что на входе в форкамеру установлен внутренний электрод, содержащий, по меньшей мере, одно отверстие для прохождения луча лазера.4. Laser spark plug containing a laser source and a focusing lens protected by optical glass, characterized in that at the entrance to the prechamber an internal electrode is installed, containing at least one hole for the passage of the laser beam. 5. Лазерная свеча зажигания по п. 4, отличающаяся тем, что внутренний электрод соединен высоковольтным проводом с распределителем.5. The laser spark plug according to claim 4, characterized in that the internal electrode is connected by a high-voltage wire to the distributor. 6. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что она содержит дополнительное оптическое стекло с защитной полостью между ними.6. The laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that it contains an additional optical glass with a protective cavity between them. 7. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что источник лазерного излучения выполнен в виде микрочип-лазера с вакуумной трубкой.7. The laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that the laser radiation source is made in the form of a microchip laser with a vacuum tube. 8. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что источник лазерного излучения выполнен в виде твердотельного лазера.8. The laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that the laser radiation source is made in the form of a solid-state laser. 9. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью расщепления лазерного луча.9. The laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that it is made with the possibility of splitting the laser beam. 10. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что внутренний электрод выполнен с остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере.10. Laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that the inner electrode is made with a pointed protrusion at the end facing the prechamber. 11. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что внутренний электрод выполнен с кольцевым остороконечным выступом на торце, обращенном к форкамере.11. The laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that the inner electrode is made with an annular pointed protrusion at the end facing the prechamber. 12. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что на внутреннем электроде выполнено под углом к оси форкамеры несколько отверстий.12. The laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that several holes are made at an angle to the axis of the prechamber on the inner electrode. 13. Лазерная свеча зажигания по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что внутри форкамеры установлена, по меньше мере, одна мишень.13. The laser spark plug according to claim 4 or 5, characterized in that at least one target is mounted inside the prechamber. 14. Лазерная свеча зажигания по п. 13, отличающаяся тем, что мишень выполнена в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе, имеющем хвостовик, вмонтированный в торцовую стенку.14. The laser spark plug according to claim 13, characterized in that the target is made in the form of a metal ball mounted on a conical holder having a shank mounted in the end wall. 15. Лазерная свеча зажигания по п. 13, отличающаяся тем, что на конической стенке установлено несколько мишеней по числу выходных отверстий.15. The laser spark plug according to claim 13, characterized in that several targets are installed on the conical wall according to the number of outlet openings. 16. Лазерная свеча зажигания по п. 15, отличающаяся тем, что мишени, установленные на цилиндрической стенке, выполнены в виде металлического шарика, установленного на коническом держателе.16. The laser spark plug according to claim 15, characterized in that the targets mounted on the cylindrical wall are made in the form of a metal ball mounted on a conical holder. 17. Лазерная свеча зажигания по п. 16, отличающаяся тем, что мишени установлены так, что оси выходных отверстий проходят через центры металлических шариков.17. The laser spark plug according to claim 16, characterized in that the targets are mounted so that the axes of the outlet openings pass through the centers of the metal balls.
RU2015157077A 2015-12-29 2015-12-29 Laser ignition system and laser ignition plug RU2634301C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015157077A RU2634301C2 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Laser ignition system and laser ignition plug

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015157077A RU2634301C2 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Laser ignition system and laser ignition plug

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015157077A RU2015157077A (en) 2017-07-05
RU2634301C2 true RU2634301C2 (en) 2017-10-25

Family

ID=59309164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015157077A RU2634301C2 (en) 2015-12-29 2015-12-29 Laser ignition system and laser ignition plug

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2634301C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130139774A1 (en) * 2010-05-27 2013-06-06 Pascal Woerner Laser-induced spark ignition for an internal combustion engine
US20140165945A1 (en) * 2011-05-10 2014-06-19 Robert Bosch Gmbh Laser spark plug
US20140305394A1 (en) * 2011-07-13 2014-10-16 Pascal Woerner Laser spark plug and cleaning method for same
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
RU152420U1 (en) * 2014-12-16 2015-05-27 Валерий Дмитриевич Дудышев LASER IGNITION CANDLE

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130139774A1 (en) * 2010-05-27 2013-06-06 Pascal Woerner Laser-induced spark ignition for an internal combustion engine
US20140165945A1 (en) * 2011-05-10 2014-06-19 Robert Bosch Gmbh Laser spark plug
US20140305394A1 (en) * 2011-07-13 2014-10-16 Pascal Woerner Laser spark plug and cleaning method for same
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
RU152420U1 (en) * 2014-12-16 2015-05-27 Валерий Дмитриевич Дудышев LASER IGNITION CANDLE

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015157077A (en) 2017-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2576691C1 (en) Igniter
KR20000016131A (en) Traveling spark ignition system and ignitor therefor
RU2576099C1 (en) Internal combustion engine
JPS58162718A (en) Ignition plug for starting diesel engine
JP2006140072A (en) Spark ignition device of internal combustion engine, and internal combustion engine equipped with the same
US10145292B1 (en) Spark plug
US10830201B2 (en) Ignition system having a high-frequency plasma-enhanced ignition spark of a spark plug, including an antechamber, and a method associated therewith
RU2634301C2 (en) Laser ignition system and laser ignition plug
RU2634972C1 (en) Laser spark plug
RU2645363C1 (en) Laser igniter
SU421854A1 (en) MAPS
RU2649720C1 (en) Laser spark plug
RU2645396C1 (en) Laser spark plug
RU2645364C1 (en) Laser igniter
RU2674090C1 (en) Combustion chamber of gas turbine engine, ignition system of chamber for combustion of gas turbine engine and method for igniting combustion chamber of gas turbine engine
RU2574189C1 (en) Laser igniter
RU2612188C1 (en) Diesel engine ignition system and laser sparking plug
RU2652086C1 (en) Laser spark plug
RU2647499C1 (en) Laser spark plug
RU2647889C1 (en) Laser spark plug
RU2647892C1 (en) Laser spark plug
RU2648683C1 (en) Laser spark plug
RU2643880C1 (en) Laser igniter
RU2643879C1 (en) Laser igniter
CN207664441U (en) A kind of internal combustion engine New Type of Ignition System