СВЕЧА ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Полезная модель относится к энергетике и двигателестроению, конкретно к средствам воспламенения топливовоздушной смеси преимущественно в двигателях внутреннего сгорания - ДВС.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2212559, МПК F02P 23/04, опубл 20.09.2003 г.
Устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания содержит блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазера, связанный с датчиком состава рабочей смеси и блоком синхронизации, полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра. Кроме того, устройство снабжено источником воспламенения, выполненным в виде лазерно-искровой свечи, которая установлена в головке блока цилиндров двигателя и связана с искровой системой зажигания, формирователем импульсов лазерного подогрева, связанным с усилителем мощности накачки лазера и блоком синхронизации, и датчиком состава смеси, соединенным с усилителем мощности накачки лазера.
Способ лазерного зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что рабочую смесь в пространстве цилиндра двигателя нагревают энергией лазерного источника излучения. Причем рабочую смесь нагревают в межэлектродном пространстве свечи зажигания в конце такта сжатия, дополнительно поджигают искровым разрядом и регулируют интенсивность излучения лазера в соответствии с режимом работы двигателя.
Недостаток сложность конструкции.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2309288, МПК F02P 23/04 опубл 27.10.2007.
Сущность изобретения заключается в том, что горючую смесь нагревают и поджигают энергией двух лазерных источников, при этом первым (полупроводниковым) лазерным источником в горючей смеси камеры сгорания предварительно создают локальный разогретый участок в виде цилиндрического объема путем колебательного перемещения фокального пятна вдоль оси лазерного луча, а вторым (твердотельным) лазерным источником в момент зажигания горючей смеси подают энергетический импульс, причем фокусирование луча производят в центр продольной оси разогретого цилиндрического объема горючей смеси, при этом длину волны лазерных источников устанавливают в спектральном диапазоне 0,5…4,7 мкм в зависимости от вида горючей смеси.
Система для реализации способа содержит блок синхронизации, усилитель мощности накачки лазеров, связанный с датчиком состава горючей смеси и с блоком синхронизации, лазерные источники, связанные трактом передачи энергии с камерой сгорания двигателя, устройством формирования цилиндрического разогретого объема, оптически связанного посредством подвижной оптической линзы с первым (полупроводниковым) лазерным источником и через электрический разъем соединенного с задатчиком частоты и амплитуды колебаний фокального пятна, который связан с датчиком состава горючей смеси. Кроме того, оба лазерных источника и устройство формирования цилиндрического разогретого объема оформлены в виде автономного блока с оптическим устройством формирования лучей лазерных источников. Воспламеняющий разогретый цилиндрический объем играет роль мощного запального элемента.
Недостаток сложность конструкции и высокая стоимость из-за наличия двух лазеров.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2436991, МПК F02P23/04 опубл 20.12.2011.
Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, для его интенсификации лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя. Устройство для осуществления способа содержит лазер с оптическим световодом и с фокусирующей линзой. Блок синхронизации связан с усилителем мощности накачки лазера и с датчиком положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку, к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя. Усилитель мощности накачки лазера представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.
Недостаток большая потребная мощность для блока накачки.
Известна свеча зажигания по патенту РФ №2496995, МПК F02B 1/12 опубл. 27.10.2013.
Сущность изобретения заключается в том, что двигатель с компрессионным зажиганием содержит рабочий цилиндр, систему впуска, систему выпуска и систему топливоподачи и снабжен генератором синглетного кислорода, размещенным во впускном трубопроводе с возможностью обогащения воздуха, подаваемого в рабочий цилиндр молекулами синглетного кислорода. Генератор синглетного кислорода выполнен в виде источника лазерного излучения с длиной волны от 762,3 до 762,4 нанометров и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной с возможностью отражения и диффузионного рассеивания лазерного излучения.
Способ работы поршневого двигателя с компрессионным зажиганием заключается в подаче воздуха и топлива во впускной трубопровод, формировании во впускном трубопроводе топливовоздушной смеси заданного состава, впуске ее в цилиндр двигателя, сжатии, воспламенении топливовоздушного заряда от сжатия, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя, при этом молекулы кислорода воздуха, подаваемого во впускной трубопровод возбуждают в синглетные состояния
Недостаток сложность конструкции.
Известна свеча лазерного воспламенения по патенту РФ на изобретение №2496997, МПК F02B 51/06 опубл 27.10.2013.
Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр, систему впуска, систему топливоподачи и систему выпуска. В системе впуска двигателя размещен генератор синглетного кислорода, выполненный в виде источника лазерного излучения и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной. В качестве источника лазерного излучения используется твердотельный лазер, излучающий волны длиной от 762,3 до 762,4 нанометров.
Способ работы, реализуемый в заявленном двигателе, заключается в подаче в цилиндр двигателя воздуха и топлива, обогащении воздуха на впуске синглетным кислородом, формировании топливовоздушной смеси заданного состава, воспламенении топливовоздушного заряда в цилиндре двигателя, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя. Во время работы двигателя измеряют температуру газов в цилиндре двигателя, а количество синглетного кислорода в воздухе, подаваемом во впускной трубопровод, устанавливают в зависимости от величины измеренной температуры.
Недостаток сложность конструкции.
Известна свеча лазерного воспламенения по заявке США №2009159031, МПК F02P 23/04? опубл. 25.01.2009 г., прототип способа и устройства.
Эта свеча лазерного воспламенения содержит металлический корпус, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, с фокусирующей линзой на рабочем конце оптического волокна и соединенное другим концом с блоком накачки,
Этот способ включает подачу сфокусированного лазерного луча в камеру воспламенения, содержащую топливо-воздушную смесь и образованную стенками цилиндра и поршня,
Недостатки способа и устройства относительно низкая полнота сгорания топлива из-за его воспламенения в одной точке и как следствие высокая эмиссия вредных веществ.
Задачи создания группы изобретений повышение полноты сгорания топлива из-за его воспламенения в объеме и как следствие снижение эмиссии вредных веществ.
Решение указанных задач достигнуто в свече лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в тепловом двигателе, содержащей металлический корпус, установленные внутри нее изолятор, оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, и оптическое устройство, содержащее фокусирующую линзу, установленное между торцом оптического волокна и выходным отверстием, тем, что оптическое устройство содержит средство отклонения и разделения лазерного луча.
Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено в виде многогранной призмы с основанием выполненным со стороны выходного отверстия. Основание может быть выполнено плоским. Основание может быть выполнено выпуклым. Основание может быть выполнено сферическим. Оптическое устройство может быть выполнено из стекла. Оптическое устройство может быть выполнено из кварцевого стекла. Оптическое устройство может быть выполнено из фианита.
Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено из материала, реализующего эффект двойного лучепреломления. Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено в виде призмы полного отражения. Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено в виде плоскопараллельной пластины. Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено в виде дихроидной призмы. Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено с возможностью возвратно-поступательного движения. Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено с возможностью вращения. Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено с возможностью одновременного вращения и возвратно-поступательного движения. Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено с возможностью колебательного движения.
Средство отклонения и разделения лазерного луча может быть выполнено в виде поляризованной решетки на основе жидких кристаллов.
Сущность изобретений поясняется на фиг. 1…15, где:
- на фиг. 1 приведена схема устройства,
- на фиг 2 приведен разрез первый вариант оптического устройства,
- на фиг 3 - приведен второй вариант оптического устройства,
- на фиг. 4 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее эффект двойного лучепреломления,
- на фиг. 5 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее призму полного отражения,
- на фиг. 6 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее плоскопараллельную пластину,
- на фиг. 7 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее дихроидную призму,
- на фиг. 8 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим возвратно-поступательное движение,
- на фиг. 9 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим вращательное
- на фиг. 10 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим вращательное и возвратно-поступательное движение
- на фиг. 11 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим колебательное движение,
- на фиг. 12 приведена диаграмма подачи импульсов лазерного луча в ЛВС,
- на фиг. 13 внешний вид свечи лазерного воспламенения.
- на фиг. 14 приведена схема фокусировки трех лазерных лучей на поршень
- на фиг. 15 приведена схема фокусировки трех лазерных лучей на стенки цилиндра.
Свеча лазерного воспламенения (фиг. 1…15) содержит металлический корпус 1, ввернутый по резьбе 2 в головку цилиндров 3 установленную на цилиндре 4. Между головкой 3 и цилиндром 4 установлена прокладка 5. Между корпусом 1 и головкой цилиндров 3 установлена прокладка 6. Внутри цилиндра 4 установлен поршень 7. Между стенками цилиндра 4 и поршнем 7 образуется камера воспламенения 8.
Кроме того, свеча лазерного воспламенения содержит изолятор 9 и оптическое волокно 10, установленное по центру вдоль оси лазерной свечи. Внутри изолятора 9 концентрично оптическому волокну 10 установлен держатель 11. Держатель 11 выполнен в виде цилиндра из металла или керамики. На нижнем конце держателя 11 установлено оптическое устройство 13, а через отверстие в верхней части держателя 11 проходит оптическое волокно 10, нижний торец которого не доходит до оптического устройства 12 на 5…7 мм.
Против оптического устройства 12 выполнено выходное отверстие 13. Внутри изолятора 9 на оптическом волокне 10 установлено термостойкое уплотнение 14. Оптическое волокно 10 соединено с блоком накачки 15. Блок накачки 15 проводами 16 соединен с источником энергии 17. Один из проводов 16 проводом 18 заземлен на массу 19.
Устройство содержит блок управления 20, который электрическими связями 21 соединен с блоком накачки 15 и проводами 22 - с источником энергии 17.
В средствах отклонения и разделения лазерного луча может использоваться один из описанных ниже физических эффектов.
Двойное лучепреломление
При двойном лучепреломлении один луч проходя, через кристалл разделяется на два.
Оба вида излучения роднит не только способность проникать сквозь одежду, ткани, дерево, но и польза, которую они приносят медицине; рентгеновское и радиоактивное излучения обладают достаточной энергией, чтобы в одинаковой мере ионизировать воздух! Отрывая электроны от атомов газов, составляющих атмосферу Земли, эти излучения делают воздух немного проводящим, состоящим из заряженных ионов.
Потоку электронов обязано рентгеновское излучение своим возникновением; движение электронов в газе, в воздухе, в твердом теле способно вызвать оно само.
Особенно много поводов для таких размышлений давало открытое в 1670 году Эразмом Бартолином явление двойного лучепреломления света в природных кристаллах углекислого кальция, получивших название исландского шпата.
Большие прозрачные кристаллы этого минерала находили в Исландии, откуда он и получил свое название. Свет, проходя через эти кристаллы, давал не один, как обычно, а два преломленных луча! Даже в том случае, когда луч света падал в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, внутри кристалла появлялись два луча: один луч, получивший название обыкновенного (он продолжал идти в том же направлении, что и падающий луч); второй луч - необыкновенный - заметно преломлялся и лишь по выходе из кристалла шел параллельно обыкновенному лучу. По аналогии с цветами спектра ученые предположили, что оба луча содержатся в исходном свете и благодаря каким-то особым свойствам кристалла исландского шпата их удается разделить.
Ньютон пришел к выводу, что частицы света, световые корпускулы, очень похожи на крохотные магнитики, обладающие полюсами. Свойства таких частиц, естественно, должны быть различными в направлении, параллельном полюсам и перпендикулярным к ним. Характеристики кристалла исландского шпата тоже зависят от направления прохождения света через него. Он обладает, как говорят кристаллографы, анизотропией. Именно поэтому исландский шпат может разделить луч света на две составляющие. Если повернуть кристалл на определенный угол по отношению к падающему лучу, можно добиться положения, когда один из лучей совсем останется в веществе, а другой будет по-прежнему преломляться и «уйдет» из кристалла. Ведь обыкновенные и необыкновенные лучи по-разному преломляются!
Разделяющая призма полного отражения
Призма постоянного отклонения (призма Аббе) устроена так, что луч, идущий в условиях наименьшего отклонения, выходит из призмы всегда перпендикулярно входящему лучу. Устройство этой на котором призма Аббе условно разделена на три призмы, из которых средняя является призмой полного внутреннего отражения, поворачивающей луч на 90°. Применение призмы Аббе по конструктивным соображениям особенно удобно в монохроматорах. Призма Николя представляет кристалл исландского шпата, распиленный по диагонали и склеенный веществом, показатель преломления которого больше, чем у исландского шпата. В такой призме один из лучей испытывает полное внутреннее отражение и уходит на боковую грань, которая окрашена поглощающей свет черной краской второй луч, падающий на границу раздела под иным углом, проходит через призму. Таким образом, пропуская свет через призму Николя, мы получаем поляризованный луч. Если на пути такого луча поставить вторую призму Николя, повернутую вокруг оси на 90, то поляризованный свет через нее не пройдет. Поворачивая призмы относительно источника света, можно добиться такого их положения, что часть лучей, вошедших в первую призму, испытает полное внутреннее отражение на границе раздела призма-слой жидкости и вследствие этого не попадет ни во вторую призму, ни в зрительную трубку. Другая часть лучей, падающих на границу раздела призма-слой жидкости под углами, меньшими предельного, в зрительную трубу попадет, в результате чего одна часть поля зрения окажется неосвещенной, другая - освещенной.
Поворачивая призмы относительно источника света, можно добиться такого их положения, что часть лучей, вошедших в первую призму, испытает полное внутреннее отражение на границе раздела призма-слой жидкости и вследствие этого не попадет ни во вторую призму, ни в зрительную трубу. Луч света, войдя в призму, раздваивается на обыкновенный луч о и необыкновенный луче, которые поляризованы во взаимно-перпендикулярных плоскостях. Обыкновенный луч испытывает, полное внутреннее отражение от плоскости раздела и не выходит из призмы. Через призму проходит только один поляризованный луч (необыкновенный). Существенной деталью большинства рефрактометров, основанных на определении предельного угла, является измерительная призма из оптического стекла с точно известным показателем преломления N). Одна из граней измерительной призмы (так называемая входная грань) приводится в оптический контакт с измеряемым телом и служит границей раздела, на которой происходит преломление и полное внутреннее отражение.
Существенной деталью почти всех рефрактометров, основанных на измерении предельного угла, является измерительная призма из оптического стекла с точно известным показателем преломления. Эта призма служит границей раздела, на которой происходит преломление или полное внутреннее отражение. На одну из граней, называемой входной, наносится испытуемое вещество. Вторая грань называется выходной, с помощью ее наблюдают в зрительной трубе преломление или отражение света на входной грани.
Выходящий луч света будет направляться вдоль грани призмы, т.е. наступит полное внутреннее отражение. Угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, Обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от плоскости раздела, и на выходе из призмы получается только один необыкновенный, поляризованный луч. Существенной деталью большинства рефрактометров, основанных на определении предельного угла, является измерительная призма из оптического стекла с точно известным показателем преломления N. Одна из граней измерительной призмы (так называемая входная грань) приводится в оптический контакт с измеряемым телом и служит границей раздела, на которой происходит преломление и полное внутреннее отражение. Преломление или отражение света на этой грани наблюдается в зрительную трубу обычно через вторую (выходную) грань призмы
При использовании этого метода исследуемый полимер адсорбируется на призме из кварца, находящейся в контакте с раствором полимера. Свет, падающий на призму, полностью отражается на границе раздела между призмой и раствором, если Q угол падения превышает некоторое критическое значение. Однако, если на границе раздела протекает процесс адсорбции и адсорбиро-Хванный слой поглощает излучение, то часть падающего света поглощается слоем и наблюдается нарушенное полное отражение - явление, хорошо известное в спектроскопии. Изменение характера отражения связано с толщиной слоя.
Устройство рефрактометра. Главной деталью рефрактометра является измерительная призма из оптического стекла, показатель преломления которого известен. Входная грань измерительной призмы, соприкасающаяся с исследуемым веществом, служит границей раздела, на которой происходит преломление и полное внутреннее отражение луча Через выходную грань измерительной призмы в зрительную трубу наблюдают преломление или отражение света.
Использование спмггроскопии основано на том факте, что, хотя на границе раздела и происходит полное внутреннее отражение, излучение на самом деле проникает на некоторую глубину в оптически менее плотную среду. Это проникающее излучение, называемое затухающей волной, может частично поглощаться образцом при оптическом контакте с более плотной средой (роль которой выполняет призма) в той точке, где происходит отражение. Отраженное излучение дает спектр поглощения, который похож на спектр пропускания образца. Однако это получается не так просто в действительности спектр зависит от нескольких параметров, включающих показатели преломления призмы и образца, угол падения излучения и площадь образца, число отражений, длину волны излучения (а также от поляризации излучения. Следующий раздел посвящен тому, как оптимизировать эти переменные величины для получения спектров, наиболее близких к спектрам пропускания.
Таким образом, компоненты с разной поляризацией оказываются разделенными в пространстве. Технически поляризационные призмы могут быть выполнены в двух вариантах в них или разделяют два поляризованных по-разному, пуча, используя то, что они выходят из призмы иод довольно большим углом друг к другу (например, призма Волластона, или совсем исключают один из. лучей в результате полного внутреннего отражения его от промежуточного слоя, коэффициент преломления которого имеет промежуточное значение меяаду коэффициентами преломления обоих лучей, и получают ипиейпо поляризованный свет (например, призма Ииколя,
Естественный луч света, входя в призму Николя, испытывает двойное лучепреломление и разделяется на два луча - обыкновенный и необыкновенный каждый из этих лучей линейно поляризован, плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны. Дойдя до слоя канадского бальзама, т.е. среды с меньшим показателем преломления, обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение и полностью отклоняется в сторону. Наоборот, необыкновенный луч, у которого а/г. 6, свободно проходит через слой канадского бальзама и распространяется дальше. Таким образом, николь пропускает один плосконоляризованный луч с интенсивностью, равной - 1/2 интенсивности падающего луча. Надо отметить, что условие полного внутреннего отражения для обыкновенного луча выполняется лишь при определенных углах его падения на слой бальзама, поэтому апертура николя, т.е. допустимые значения угла падения лучей на николь, невелика - всего 28°
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА В ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПЛАСТИНЕ
Луч света, проходя через плоскопараллельную пластинку, не изменяет своего направления. Угол отклонения луча призмой растет при увеличении ее преломляющего угла и относительного показателя преломления материала, из которого она сделана
0
0
0
а
Плоскопараллельной называют прозрачную пластинку, грани которой параллельны. Примером плоскопараллельной пластинки может служить обычное оконное стекло. Рассмотрим ход луча AA, падающего на грань ZZ пластинки (рис. 20). В точке A луч AA преломляется и переходит из среды 1 в среду 2. Из закона преломления света следует, что
,
1
2
0
0
0
0
0
где n и n - абсолютные показатели преломления сред 1 и 2. После преломления в точке A луч пройдет через пластинку и упадет на другую ее грань XX в точке B. Из параллельности XX и ZZ следует, что угол падения луча AB на XX равен углу его преломления на грани ZZ, β. Поэтому для преломления луча AB в точке B из закона преломления света получаем:
,
где γ - угол преломления луча AB. Перемножив между собой левые и правые части уравнений (20.1) и (20.2), получаем
,
откуда следует, что луч света, проходя через плоскопараллельную пластинку, не изменяет своего направления, а только смещается.
Для изменения направления светового луча в оптических приборах часто используют стеклянные треугольные призмы. Горизонтальный луч падает на левую грань такой призмы и, испытав два преломления, выходит из правой ее грани. Две грани призмы, на которых луч испытывает преломление, называют преломляющими, а третью - ее основанием. Двугранный угол φ между преломляющими гранями называют преломляющим углом. Видно, что при каждом преломлении луч отклоняется в сторону основания. Угол между направлением входящего и выходящего из призмы луча называют углом отклонения луча δ.
Чтобы определить ход преломленного луча через призму, сначала с помощью закона преломления света вычисляем угол преломления луча на ее первой преломляющей грани. Потом строим преломленный луч, определяем точку и угол его падения на вторую грань призмы. Затем с помощью закона преломления света вычисляем угол преломления выходящего из призмы луча. Угол отклонения луча δ призмы зависит от ее преломляющего угла φ, относительного показателя преломления материала n призмы и от угла падения луча на первую преломляющую грань. При этом, чем больше φ и n, тем больше отклоняет луч данная призма.
Если угол падения луча α на вторую преломляющую грань призмы соответствует полному внутреннему отражению от этой грани, то такую призму называют отражательной. Для стекла с n=1,7 такое полное внутреннее отражение произойдет при α>36°. Иногда в отражательных призмах происходит не одно, а несколько полных внутренних отражений. Треугольные отражательные призмы с отклоняющим углом π/2 используются, например, в перископах и биноклях, где необходимо несколько раз поворачивать лучи света на π/2 (рис. 20г, верх). Отражательные призмы можно также использовать, для изменения взаимного расположения лучей.
Дихроидная призма
Система цветоделительных призм, применяющаяся в основном в трехтрубочных видеокамерах
Дихрóидная призма - устройство, разделяющее падающий на него световой поток на несколько с различными диапазонами длин волн (цветами). Используются в трехматричных видеокамерах и фотокамерах, а также в проекторах для разделения изображения на RGB составляющие.
Строятся из одной или более стеклянных призм с дихроидными оптическими покрытиями, которые выборочно отражают или пропускают свет в зависимости от длины волны лучей света. Таким образом, определенные поверхности в пределах призмы действуют как дихроичные фильтры.
Дихроидные призмы находят широкое применение во многих областях оптических систем как приборостроение, инструментальном производстве, видео-фото аппаратуре, телескопах, радарах и т.д.
Способность дихроидных призм разделять или соединять компоненты луча света широко используется в видео-фотоаппаратуре. Например, в видеокамерах это дает возможность применять 3 фотосенсора с изображением, разделенным на три монохромных изображения R, G, В на каждом фотосенсоре.
На фиг. 8 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим возвратно-поступательное движение. На фиг. 9 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим вращательное движение. На фиг. 10 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим вращательное и возвратно-поступательное движение. На фиг. 11 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим колебательное движение.
На фиг. 12 приведена временная диаграмма подачи импульсов лазерного излучения.
На фиг. 13 приведен внешний вид свечи лазерного воспламенения с тремя фокусами.
На фиг. 14 приведена схема фокусировки трех лазерных лучей на поршень 7, а на фиг. 15 приведена схема фокусировки трех лазерных лучей на стенки цилиндра 4.
РАБОТА СВЕЧИ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
При работе теплового двигателя (фиг. 1…13) стартером запускают двигатель (стартер на фиг. 1…11 не показан). В соответствии с циклограммой работы двигателя, заложенной в памяти блока управления 20 подают по проводам 17 напряжение на блок накачки 15, потом с блока управления 20 подают управляющие сигналы на блок накачки 15 для выработки импульсов лазерного излучения в нужный момент времени (в момент опережения зажигания ОЗ и далее в течение всего рабочего хода поршня 7) см. фиг. 5. Лазерные импульсы по оптическому волокну 10 подаются поочередно на каждую свечу лазерного воспламенения
При этом одновременно несколько фокусов А в нашем примере три постоянно с момента опережения зажигания до завершения выхлопа находится в средней части объема камеры воспламенения 8 (фиг. 1). Первый импульс луча лазера подают в момент опережения зажигания ОЗ. Опережение зажигания - ОЗ необходимо для оптимизации процесса горения.
В дизельном двигателе нет зажигания, рабочая смесь воспламеняется в результате сжатия. В бензиновом же двигателе момент зажигания оказывает большое значение на работу. При работе четырехтактного ДВС после такта сжатия и достижения поршнем ВМТ происходит воспламенение рабочей смеси в камере сгорания с помощью свечи зажигания. Происходит возгорание рабочей смеси, расширение рабочих газов и выполняется следующий такт - рабочий ход. В действительности сгорание рабочей смеси происходит не мгновенно. От момента появления искры до момента, когда вся смесь загорится, и давление газов достигнет максимальной величины, проходит некоторое время. Этот отрезок времени очень мал, но так как скорость вращения коленчатого вала весьма велика, то даже за это время поршень успевает пройти некоторый путь от того положения, при котором началось воспламенение смеси. Поэтому, если воспламенить смесь в ВМТ, то горение происходит при увеличивающемся объеме (начало рабочего хода) и закончится, когда поршень пройдет некоторый путь и максимальная величина давления газов будет меньше, чем в том случае, если бы сгорание всей смеси произошло в ВМТ. Если воспламенение смеси происходит слишком рано, то давление газов достигает значительной величины до того, как поршень подойдет к ВМТ и будет противодействовать движению поршня. Все это приводит к уменьшению мощности двигателя, его перегреву. Поэтому, при правильном выборе момента зажигания, давление газов достигает максимальной величины примерно через 10-12 градусов поворота коленчатого вала после прохода поршнем верхней мертвой точки. Опережение зажигания характеризуется углом опережения зажигания. Угол опережения зажигания - угол поворота кривошипа от момента, при котором на свечу зажигания начинает подаваться напряжение для пробоя искрового промежутка до занятия поршнем верхней мертвой точки.
Наивыгоднейшее опережение зажигания в основном зависит от соотношения между скоростью горения смеси и числом оборотов двигателя. Чем больше число оборотов двигателя, тем больше должно быть опережение зажигания, а чем больше скорость горения смеси, тем меньше. Скорость горения зависит от конструкции двигателя, от состава рабочей смеси и некоторых других факторов. Наибольшее влияние на скорость сгорания оказывает содержание остаточных газов в рабочей смеси. При малом открытии дроссельной заслонки процентное содержание остаточных отработавших газов велико, смесь горит медленно, поэтому опережение зажигания должно быть большим. По мере открытия дроссельной заслонки в цилиндр поступает все больше свежей горючей смеси, а количество отработавших газов остается примерно неизменным, в результате процентное содержание их уменьшается и смесь горит быстрее - опережение зажигания должно уменьшатся. При одновременном изменении положения дросселя (изменение нагрузки) и числа оборотов наивыгоднейшее опережение зажигания зависит от обоих факторов одновременно и в зависимости от условий работы двигателя оба фактора могут влиять на наивыгоднейшее опережение в одном или в разных направлениях.
Для изменения опережения зажигания в зависимости от оборотов коленчатого вала используют центробежные регуляторы, расположенные обычно в прерывателях. При изменении нагрузки двигателя и сохранении его оборотов постоянными центробежный регулятор не меняет опережения зажигания, в то время как в этих условиях (постоянные обороты и переменная нагрузка) угол опережения зажигания должен изменяться. Для этого центробежный регулятор дополняют вакуумным регулятором (на фиг. 1…3 не показано).
Примеры реализации оптического устройства 12 показаны на фиг. 2 и 4.
На фиг. 2 приведена схема оптического устройства в виде трехгранной призмы имеющей три грани 23 с плоским основанием 24.
На фиг. 3 приведено оптическое устройство 12 с выпуклым основанием 24. На фиг. 4 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее эффект двойного лучепреломления, На фиг. 5 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее призму полного отражения, На фиг. 6 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее плоскопараллельную пластину, На фиг. 7 приведено средство отклонения и разделения лазерного луча использующее дихроидную призму,
Оптическое устройство может быть выполнена с возможностью перемещения. На фиг. 8 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим возвратно-поступательное движение. На фиг. 9 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим вращательное движение. На фиг. 10 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим вращательное и возвратно-поступательное движение. На фиг. 11 приведена свеча лазерного воспламенения с оптическим устройством совершающим колебательное движение.
На фиг. 12 приведена временная диаграмма подачи импульсов лазерного излучения от момента зажигания до завершения выхлопа.
На фиг. 13 приведен внешний вид свечи лазерного воспламенения с тремя фокусами.
На фиг. 14 приведена схема фокусировки трех лазерных лучей на поршень 7, а на фиг. 15 приведена схема фокусировки трех лазерных лучей на стенки цилиндра 4.
Применение полезной модели позволило:
- увеличить полноту сгорания топливовоздушной смеси за счет воспламенения топлива во всем объеме камеры воспламенения практически одновременно,
- уменьшить эмиссию вредных веществ с выхлопными газами в атмосферу.
- управлять воспламенением топлива в зависимости от режима работы тепловым двигателем в том числе ДВС в первую очередь в зависимости от частоты вращения коленчатого вала по трем координатам.