ЛАЗЕРНО-ИСКРОВАЯ СВЕЧА ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
LASER-SPARK IGNITER PLUG OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к устройствам воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и может быть использовано в производстве двигателей с принудительным воспламенением.
6
Известно устройство, представляющее лазерно-электрическую свечу по патенту РФ № 2052881, МПК Н01Т 13/48, 20.01.96 г., которая предназначена, в основном, для контроля процесса сгорания горючей смеси в камере сгорания. Работа данной свечи основана на передаче световой энергии от сгорания горючей смеси к устройству для осуществления лазерного спектрального анализа процесса сгорания. Передача энергии осуществляется посредством световолоконного фитиля к световыводу, расположенному в верхней части свечи, а через него по световоду к анализирующему устройству.
Принципиальный недостаток указанного устройства связан с отрицательным воздействием излучения горящего топлива на характеристики лазерного излучателя, а также со значительными потерями лазерной энергии в длинном световоде. Так как лазерный излучатель, судя по описанию, расположен на значительном расстоянии от свечи зажигания, в отдельном месте, то это может привести к пропускам воспламенения особенно в обедненных горючих смесях.
7
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится устройство для зажигания рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ № 2212559, МПК 23/04, 20.09.03 г., содержащее датчик положения коленчатого вала двигателя, связанный электрической цепью с блоком синхронизации, а от него с искровым модулем зажигания и с усилителем мощности накачки лазера, связанным с датчиком состава рабочей смеси, а также содержащее полупроводниковый лазер, связанный через световод с пространством цилиндра.
Недостатком указанного устройства является отрицательное воздействие излучения горящего топлива на характеристики полупроводникового лазерного излучателя, в результате которого возможно снижение выходной мощности излучения полупроводникового лазера и снижение надежности работы устройства из-за установки достаточно протяженных световодов, оптически соединяющих лазерные модули с внутренней оптикой лазерно-искровой свечи. Кроме того, в указанном устройстве не предусмотрена возможность работы на различных горючих смесях бензина и газового моторного топлива.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности воспламенения обедненных горючих смесей бензина и альтернативных моторных топлив, в частности газового моторного топлива, и создание устройства с более высокими энергетическими характеристиками воспламенения рабочей смеси.
Поставленная задача выполняется тем, что в лазерно-искровой свече в качестве источника излучения используется полупроводниковый лазерный модуль со встроенным фотодиодом для контроля режима излучателя, расположенный в непосредственной близости от внутренней оптики лазерно-искровой свечи.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что лазерно-искровая свеча зажигания, установленная в головке цилиндров ДВС, содержит устройство формирования луча лазерного модуля, состоящее из фокусирующего световода для направления и концентрирования луча в область искрового промежутка. Электрические импульсы для питания лазерных излучателей вырабатываются в электронном генераторе накачки.
Отличие технического решения состоит в том, что лазерно-искровая свеча конструктивно выполнена в виде съемного узла, в верхней части корпуса которого размещен генератор накачки, включающий четыре последовательно соединенных каскада: стабилизирующий, управляющий, задающий и выходной, причем на управляющий каскад генератора подаются импульсы синхронизации от микроконтроллера в соответствии с информацией, поступающей от ряда датчиков, а выходной каскад генератора накачки соединен через электрический разъем с лазерным модулем, расположенным в средней части корпуса свечи зажигания, при этом между выходным окном лазерного модуля и фокусирующим световодом установлен фильтр для предохранения лазерного модуля от излучения топливной смеси.
В корпусе свечи также размещен фильтр и фокусирующий световод, который одновременно является каналом распространения луча, его фокусирования и высоковольтным изолятором, в котором располагается проводник центрального электрода искровой свечи зажигания.
Кроме того, задающий каскад генератора накачки снабжен элементами изменения величины мощности лазерного подогрева, в зависимости от вида используемого топлива, состоящими из реле установки мощности и делителя напряжения в цепи базы транзистора задающего каскада, причем контакты реле включены параллельно одному из резисторов делителя напряжения, а выводы рабочей обмотки реле электрически связаны с входным разъемом лазерно-искровой свечи.
Кроме того, на корпусе свечи зажигания установлен индикаторный светодиод, загорающийся при включении лазерного подогрева для визуального ориентировочного контроля работы свечи, также при необходимости проведения ремонтных работ для первичной диагностики устройства и техники безопасности при ремонте, так как излучение лазерного модуля, расположенного в свече, может быть опасным для здоровья.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в том, что конструктивное выполнение предложенной свечи позволяет обеспечить более надежное воспламенение обедненных горючих смесей и, соответственно, получить экономию топлива и снижение вредных выбросов.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - схема расположения и подключения лазерно-искровой свечи зажигания к элементам ДВС;
на фиг.2 - вариант выполнения лазерно-искровой свечи;
на фиг.3 - схема генератора накачки лазерного модуля.
Лазерно-искровая свеча 1 зажигания, обеспечивающая работу двигателя в режиме подогрева искрового промежутка, установлена в головке цилиндров двигателя 2 (фиг.1 и 2). На корпусе свечи 1 зажигания установлен разъем 9, служащий для соединения с цепями питания и управления и к которому подключен микроконтроллер 3 лазерного подогрева, управляющий свечой 1 зажигания по сигналам группы датчиков: датчика 4 положения коленчатого вала двигателя, датчика 5 положения распределительного вала, датчика 6 температуры охлаждающей жидкости и датчика 7 температуры воздуха во впускном коллекторе ДВС. При этом, разъем 9 (фиг.3) имеет четыре входа, два из которых служат для подачи питания на генератор накачки, третий для управления ЛП, а четвертый (дополнительный) используется для переключения на различные виды топлива. Для возбуждения искрового разряда в межэлектродном промежутке модуль 8 искрового зажигания подключен к высоковольтной клемме 13 свечи 1 зажигания.
В верхней части свечи 1 зажигания размещен генератор накачки, электрически соединенный с лазерным (полупроводниковым) модулем 10, установленным в средней части корпуса свечи и направленным выходным окном в нижнюю часть корпуса свечи, в которой помещены: фокусирующий световод 11 для фокусирования луча и фильтр 12 для предохранения лазерного модуля 10 от излучения горящей топливной смеси, кроме этих элементов в корпусе свечи 1 зажигания находится проводник 15 центрального электрода, электрически соединенный с высоковольтной клеммой 13, установленной на корпусе свечи 1 зажигания. Генератор накачки (фиг.3) состоит из стабилизирующего каскада 16, управляющего каскада 17, задающего каскада 18 и выходного каскада 19. В задающем каскаде 18 установлено реле 20 и делитель напряжения 21. Выводы рабочей обмотки реле 20 электрически связаны с разъемом 9, а контакты реле 20 подключены параллельно одному из резисторов делителя напряжения 21. На верхней части корпуса 1 установлен индикаторный светодиод 14, который подключен к цепям питания стабилизирующего каскада генератора накачки.
Лазерно-искровая свеча зажигания работает следующим образом.
При осуществлении лазерного подогрева (ЛП) межэлектродного промежутка свечи 1 зажигания на цепь питания стабилизирующего каскада 16 генератора накачки подается напряжение, при этом загорается индикаторный светодиод 14. При работе двигателя на бензине в задающем каскаде 18 генератора накачки сопротивление делителя 21 в цепи базы транзистора Т3 установлено таким образом, чтобы осуществить необходимую мощность ЛП для надежного воспламенения обедненных горючих смесей на бензине. При переходе на работу двигателя на газовом топливе с микроконтроллера ЛП поступает сигнал на дополнительный вход разъема 9 свечи 1 зажигания, а от него к рабочей обмотке реле 20. В результате, срабатывает реле 20, его контакты шунтируют один из резисторов делителя 21, что вызывает изменение смещения на базе транзистора Т3 в задающем каскаде 18 генератора накачки. Соответственно возрастает ток, протекающий через переход коллектор-эмиттер транзистора Т3, и ток, протекающий через излучатель лазерного модуля 10. Мощность излучения лазерного диода модуля 10 возрастает. Для устойчивого воспламенения горючей смеси на газовом топливе необходимо несколько увеличить мощность лазерного подогрева, так как горючая смесь, состоящая из воздуха и/или компонентов метана, пропана, бутана и т.п., имеет более высокую температуру воспламенения и горит медленнее по сравнению с воздушно-бензиновой горючей смесью. При работе зажигания без ЛП микроконтроллер 3 отключает генератор накачки свечи 1 зажигания, и индикаторный светодиод 14 гаснет. Генератор накачки обеспечивает работу лазерного модуля 10 путем вырабатывания импульсов тока определенной величины и длительности, подаваемых на вход лазерного модуля 10. Стабилизирующий каскад 16 генератора накачки на транзисторе Т1 обеспечивает соответствующее напряжение питания для остальных каскадов. Управляющий каскад 17 генератора накачки на транзисторе Т2 обеспечивает импульсное включение лазерного модуля 10 по сигналам микроконтроллера 3 в соответствии с тактами сжатия в цилиндре двигателя 2. Задающий каскад 18 генератора накачки на транзисторе Т3 устанавливает необходимую мощность излучения в импульсе лазерного модуля 10 и обеспечивает его безаварийную работу при выходе электрических параметров за установленные пределы. Выходной каскад 19 генератора накачки на транзисторе Т4 обеспечивает подачу необходимой величины тока на лазерный модуль 10. Лазерный модуль 10 может быть выполнен в виде гетероструктурного полупроводникового лазера со встроенным фотодиодом для контроля. Назначение фильтра 12 связано с необходимостью исключения воздействия излучения горящей топливной смеси на лазерный диод. Фильтр 12 пропускает только излучение лазерного модуля 10 и значительно уменьшает поток излучения к нему от горящей топливной смеси. Фокусирующий световод 11 предназначен для формирования и направления потока излучения лазерного модуля 10 в область искрового промежутка свечи 1 зажигания. Фокусирующий световод 11 может быть выполнен из материала, обеспечивающего необходимые параметры по теплостойкости и длине волны пропускания, которая соответствует длине волны излучения лазерного модуля 10, например из сапфира.
Использование предложенной свечи зажигания в ДВС транспортных средств позволяет повысить надежность работы двигателя, упростить конструкцию свечи и расширить диапазон работы двигателя на различных альтернативных видах моторного топлива.