СПОСОБ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ОПТИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ
ICE FUEL MIX IGNITION BY LASER OPTICAL DISCHARGE

Изобретение относится к автомобилестроению, а конкретно к системам воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания.
Известен способ воспламенения ТВС электрическим разрядом высокого напряжения (12-24 кB), имеющим температуру около 10300 К, между электродами свечи, напряжение на которые подается в результате преобразования постоянного тока в переменный импульсный ток высокого напряжения (Тур Е.Я. и др. Устройство автомобиля. М.: Машиностроение, 1991, стр. 154-156). Однако в известном способе не обеспечивается достаточное напряжение во вторичной цепи (после трансформации, особенно при увеличении частоты вращения, степени сжатия и числа цилиндров двигателя); быстро изнашиваются контакты прерывателя, вследствие чего снижается надежность работы и, как следствие, ухудшается экономичность двигателя; кроме того, затруднен пуск двигателя, так как для пуска двигателя напряжение во вторичной цепи должно быть больше, чем на прогретом двигателе (Тур Е.Я. и др. Устройство автомобиля. М., Машиностроение: 1991, стр. 154-156).
11
2
Известен способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом и устройство для его осуществления (патент РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 20.12.2011), являющийся наиболее близким к заявленному изобретению и принятый за прототип, заключающийся в том, что горючую смесь нагревают и воспламеняют путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, фокусированием лазерного луча, инициирующего оптический разряд, на поверхность поршня двигателя. Известный способ позволяет снизить энергию лазера для создания оптического разряда за счет фокусировки луча лазера на металлическую поверхность поршня. Однако место фокусировки луча лазера на поверхности поршня быстро подвергнется эрозии и превратится в каверну, а энергия лазера, необходимая для создания оптического разряда, возрастет. Кроме того, воспламенение горючей смеси на границе камеры сгорания приводит к неполному сгоранию топлива, повышению токсичности выхлопных газов и снижению экономичности двигателя. Для получения лазерного оптического разряда требуется высокая мощность лазерного импульса - 10 Вт/см. Снизить это значение можно уменьшив энергию выхода электронов в фокусе лазерного луча путем расположения в этой зоне металла.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в существенном снижении токсичных выбросов, а также повышении экономичности двигателя. Другим не менее важным фактором является существенное снижение стоимости системы воспламенения за счет использования одного лазера.
Технический результат достигается тем, что в способе воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, включающем нагрев и воспламенение горючей смеси путем подачи энергетического импульса от лазерного источника и фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, новым является то, что лазерную энергию в виде пакета высокочастотных лазерных импульсов распределяют оптоволоконными разделителями по цилиндрам, поршни которых находятся в районе верхней мертвой точки, и подают в центры камер сгорания, а переключение энергии лазера на оставшиеся цилиндры двигателя при достижении их поршней верхней мертвой точки осуществляют при помощи электронно-оптического переключателя по команде от блока синхронизации, связанного с датчиком на распределительном валу.
Пакет высокочастотных лазерных импульсов подают по сигналу от блока синхронизации, связанного с датчиком на распределительном валу двигателя, с опережением зажигания в зависимости от оборотов двигателя.
На рисунке представлена схема способа воспламенения ТВС в двигателе внутреннего сгорания на основе лазерного оптического разряда.
Здесь: 1 - датчик положения распределительного вала; 2 - блок синхронизации; 3 - лазер; 4 - электронно-оптический переключатель; 5 и 6 - оптоволоконные разделители; 7 - оптические световоды; 8 - лазерные свечи (фокусирующие линзы); 9 - цилиндры; 10 - распределительный вал.
Способ воспламенения топливной смеси в ДВС лазерным оптическим разрядом реализуется следующим образом.
По сигналу от датчика 1 на распределительном валу двигателя 10 через синхронизатор 2 лазер 3 выдает пакет высокочастотных лазерных импульсов в электронно-оптический переключатель 4, который передает пакет высокочастотных лазерных импульсов на оптоволоконный разделитель 5 и через световоды 7 на лазерные свечи 8 и далее в цилиндры двигателя 9, поршни которых в данный момент находятся в районе верхней мертвой точки. В цилиндрах двигателя, где произошло сжатие топливной смеси, пакет высокочастотных лазерных импульсов инициирует оптический разряд в центре камеры сгорания, воспламеняющий топливную смесь. В цилиндрах на выхлопе отработанных газов реализуется холостой оптический разряд. При повороте коленчатого вала на 180 градусов датчик на распределительном валу 1 и синхронизатор 2 вырабатывают сигнал на лазер 3, который выдает пакет высокочастотных лазерных импульсов на электронно-оптический переключатель 3, подключающий оптоволоконный разделитель 6, передающий пакет высокочастотных лазерных импульсов на следующую группу цилиндров, поршни которых находятся в районе верхней мертвой точки.
В предлагаемом способе уменьшение мощности лазерного импульса достигается разогревом горючей смеси в фокусе лазерного луча пакетом высокочастотных лазерных импульсов что позволяет расположить оптический разряд в центре камеры сгорания повышая полноту сгорания горючей смеси, а следовательно, повышается экономичность и экологичность двигателя.
Таким образом, предлагаемое изобретение за счет применения пакета высокочастотных лазерных импульсов, каждый из которых имеет энергию меньше для реализации оптического разряда, но при каждом импульсе разогревает в фокусе среду (ТВС), подготавливая ее к реализации оптического разряда при последующих импульсах, позволяет применять импульсный лазер меньшей мощности. Кроме того, применение в предлагаемом способе оптоволоконных разделителей и электронно-оптического переключателя позволяет использовать один лазер в многоцилиндровых двигателях.