Пророчества о скорой кончине двигателя внутреннего сгорания по достоверности мало чем отличаются от пророчеств о скором конце света. А вот свечи зажигания в ближайшие годы могут стать таким же анахронизмом, как свечи на люстре.
Раздел патентов Компания Bosch весьма активно занимается системами лазерного зажигания и уже предпринимает конкретные меры по защите своих позиций на еще не родившемся рынке. Осенью 2011 года специалисты Bosch Вернер Херден и Юрген Райманн запатентовали систему форкамерного лазерного зажигания газового ДВС, а уже в феврале 2012-го ими была подана патентная заявка на инновационную конструкцию верхней части цилиндра и днища поршня
Внутри цилиндра Радиочастотное электростатическое зажигание формирует четыре очага возгорания. Сталкиваясь друг с другом, они ускоряют процесс сгорания смеси. Частота съемки — один кадр в 16 мс
Компания Mahle, основанная в 1920 году в Штутгарте, — один из крупнейших в мире поставщиков запчастей и компонентов для двигателей внутреннего сгорания. В каждом втором автомобиле на земле есть изделия с логотипом Mahle
Как известно, термический КПД лучших бензиновых моторов сегодня не дотягивает и до 40%. При этом большинство экспертов по автомобильным силовым установкам уверены, что поднять его до 50%, а заодно сократить выбросы окисей азота до 0,1 г на 1л.с./ч — задача вполне реальная. Чтобы решить ее, инженерам придется «научить» моторы уверенно работать во всем диапазоне оборотов на сверхбедных смесях, разбавленных отработанными газами из системы рециркуляции EGR на 50 — 60%, со степенями сжатия порядка 20:1 и добиться максимально быстрого и полного сгорания заряда при минимальной температуре пламени.
Кое-что из перечисленного возможно уже сегодня. Например, продвинутые ДВС с прямым стратифицированным (послойным) впрыском топлива в зоне низких оборотов могут работать на практически пустых смесях с соотношением воздуха и топлива от 22:1 до 44:1 и при высоких степенях сжатия до 12,5:1. Вот только дается им это большой ценой, причем в буквальном смысле слова. Агрегаты этого класса экономичнее обычных на 10 — 15%, но дороже и сложнее. Чтобы свеча смогла инициировать сгорание смеси с гомеопатическим содержанием бензина, конструкторам приходится скрупулезно просчитывать процесс формирования топливовоздушного вихря на такте сжатия. Возникновение искрового разряда и нитевидных пучков плазмы с температурой свыше 9 000 °C должно совпасть с образованием в зоне электродов облачка с нормальной или слегка обедненной смесью. Ради повышения вероятности этого случайного события тщательно «затачивается» форма стенок камеры, геометрия поршня, расположение форсунок, свечей, а также повышается мощность системы зажигания.
Для гарантированного возгорания стехиометрической смеси (в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива) энергия искры должна составлять 10−20 мДж. «Продавить» искру в переобогащенной или обедненной смеси гораздо труднее. Напряжение пробоя в такой среде нарастает с 17 до 25 кВ и выше, поэтому для образования факела требуется не менее 100 мДж энергии. Но чем выше мощность и температура разряда, тем быстрее разрушаются электроды: каждое срабатывание свечи лишает их части материала, из которого они сделаны. Самый эффективный (и самый дорогой) способ борьбы с этим явлением — использование очень тонких электродов с тугоплавкими элементами из платины или иридия.
Впрочем, стратегически этот апгрейд ничего не меняет. Современные системы искрового зажигания в принципе не способны обеспечить существенного повышения КПД: они слишком медленны — с момента возникновения крохотного очага возгорания до охвата пламенем всего объема камеры проходит 500 мс. По нынешним меркам это целая вечность. Кроме того, для генерации искры, способной пробить межэлектродный зазор в «тугой», сжатой в 20 и более раз сверхбедной однородной смеси под капотом, нужен целый Днепрогэс, а не свинцовая батарея.
Тем не менее инженеры компании MAHLE Powertrain Билл Аттард и Патрик Парсонс попробовали перехитрить пространство и время. Для этого им пришлось покопаться в старых архивах и реанимировать забытую концепцию форкамерно-факельного зажигания. Знатоки помнят, что это за зверь, по капризному «волговскому» карбюраторному мотору ЗМЗ-4022.10 начала 1980-х. Впервые такое зажигание применил в 1903 году выдающийся британский инженер — сэр Гарри Риккардо — на двухтактном судовом двигателе Dolphin, и с тех пор оно используется в стационарных генераторах на природном газе.
Принцип работы форкамерного зажигания (не путать со спортивными форкамерными свечами NGK и Denso) заключается в предварительном запале небольшого количества топлива в ограниченном объеме с последующим воспламенением смеси открытым пламенем через отверстия в корпусе форкамеры. Версия форкамеры Аттарда и Парсонса Turbulent Jet Ignition, представленная на Всемирном конгрессе SAE в Детройте в апреле 2011 года, отличается от предшественников миниатюрными размерами и удобным расположением. Ее объем составляет менее 2% от объема камеры сгорания, и находится она на позиции штатной свечи, в центре купола цилиндра «подопытного кролика» — рядной четверки GM Ecotec LE объемом 2,4 л. В модуль системы входит инжектор прямого впрыска, подающий в форкамеру микродозы бензина под давлением 4 атм, датчики и свеча зажигания.
Система Turbulent Jet Ignition практически всеядна и может работать даже в биотопливных силовых агрегатах. При этом геометрия камеры сгорания и днища поршня перестает играть определяющую роль в достижении максимальной эффективности сгорания, а деградация электродов свечи практически отсутствует из-за минимального напряжения пробоя в запальной смеси. По словам разработчиков, до коммерциализации Turbulent Jet Ignition остается один-два года.
Инженеры американской корпорации Federal-Mogul считают, что будущее систем зажигания будет связано с инициацией процесса управляемого взрыва химическим способом. В основе технологии Advanced Corona Ignition System (ACIS) лежит принцип химического пробоя ионизированного газа посредством высокочастотного электрического поля. Иными словами, ACIS — это коронный разряд, известный, как огни святого Эльма.
Корона — бич высоковольтных ЛЭП переменного тока. Когда напряженность поля вокруг проводов достигает критического уровня, окружающий воздух прошивают нитевидные потоки ионизированной плазмы длиной от нескольких миллиметров до метра, приводящие к значительным потерям передаваемой мощности. Другой яркий пример короны — катушка Николы Теслы. Важнейшее условие возникновения короны, помимо частоты поля, которая достигает 1 МГц, — сечение электрода-проводника: чем он тоньше, тем выше вероятность, что напряженность (отношение напряжения к расстоянию между электродами) поля превысит напряжение пробоя газа. Тонкие электроды позволяют резко снизить вольтаж в системе.
Для преодоления диэлектрического сопротивления топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС при мизерной силе тока в несколько микроампер вольтаж на электроде должен составлять от 100 до 500 КВ в зависимости от содержания воздуха, доли отработанных газов из системы ЕGR, температуры и давления. Причем второй электрод при коронном разряде не нужен. Его заменяет газовая среда, в которой напряжение поля превращается в очаги ионизированной плазмы.
В сравнении с локализованным в миллиметровом зазоре искровым разрядом размер пульсирующей высокочастотной короны в камере может задаваться произвольно. Например, в ходе тестирования прототипа ACIS на наддувном двигателе прямого впрыска объемом 1,6 л диаметр разряда составлял 30 — 40 мм, а инженерам из флоридского стартапа Etatech, разработавшим в 2007 году аналогичную систему ECCOS, удалось добиться стабильного образования 18-см короны. Таким образом, химический пробой происходит одновременно во всем объеме камеры, что сокращает период сгорания смеси в сравнении с искровым зажиганием в 2500 раз — до 100 — 200 мкс. При этом длительность вспышки короны не превышает 200 — 300 нс. В зависимости от настройки системы количество импульсов может составлять несколько сотен.
Ведущий разработчик технологии ACIS Крис Микселл утверждает, что корона обеспечивает надежное сгорание обедненных смесей при добавлении к воздуху 40% и более отработанных газов. Химический пробой способствует снижению образования окисей азота (минус 80%) и углекислоты (минус 50%), повышает экономичность (10% на тестовом двигателе). Еще одно преимущество короны перед искрой, по словам Микселла, — это крайне медленная деградация электродов из-за сравнительно низких температур разряда. А вот потребление мощности у ACIS на 30 — 50% выше, чем у обычного зажигания.
Модуль системы, в который входят свеча с несколькими никелевыми иглами, резонансный магнетрон и высоковольтный кабель, адаптирован под размеры стандартной свечи, а блок трансформаторов идентичен по размерам блоку катушек зажигания. В настоящее время Federal-Mogul в кооперации с несколькими автопроизводителями проводит испытания системы, но конкретные сроки внедрения новинки не называются.
Если корона с точки зрения эффективности легко выигрывает у искровых свечей, то ее, в свою очередь, кладет на лопатки лазерное зажигание. Сразу стоит оговориться: на сегодняшний день лазерное зажигание существует в виде достаточно полно проработанной концепции и нескольких лабораторных моделей. Но идея, как утверждает профессор японского Института фотоники Такунори Тайра, лишь ненамного моложе самого лазера.
Механизм действия лазерного запала заключается в создании в точке фокуса электрического поля высокого напряжения, которое вызывает образование крошечного очага плазмы с температурой выше 9 000° и давлением порядка 1 000 атм. Это, в свою очередь, приводит к лавинообразной ионизации и возгоранию облака смеси. Дополнительный бонус системы лазерного зажигания — возможность постоянного мониторинга процессов в камере сгорания при помощи луча лазерного спектрографа.
Серьезные исследования по использованию сфокусированного лазерного луча для поджигания топливовоздушной смеси в ДВС начали проводиться в начале прошлого десятилетия. В 2006 году группой Азера Ялина из Колорадо была запатентована система многоканального лазерного запала с одновременной лазерной диагностикой процесса сгорания смеси в камере. Для передачи пучка на линзу запала Ялин применял термостойкое ламинированное оптоволокно с отражающим слоем серебра толщиной 0,2 мкм. Линза, установленная на месте свечи зажигания, могла фокусировать пучок на любую точку камеры сгорания, а в качестве источника излучения был успешно опробован импульсный YAG лазер мощностью 250 Вт. Примерно такие же твердотельные лазеры широко используются в медицине и косметологии.
Испытания проводились на промышленном газовом двигателе Waukesha VGF и показали высочайшую эффективность лазерного запала. Достаточно сказать, что вероятность пробоя и возгорания смеси составляла 100% на всех режимах работы, а коэффициент разброса давления смеси в цилиндре с лазерным запалом был на 80% ниже паспортного. При этом суммарная энергия импульсов составляла мизерные 2,3 мДж. Одновременно проводились опыты с лазерным зажиганием ДВС на водороде, биогазе и бензине, включая версии с прямым стратифицированным впрыском и экстремальными степенями сжатия, а в Австрии группа профессора Герхарда Крупы разработала достаточно мощный компактный лазерный диод, работающий от 12-вольтовой бортовой сети.
Тем не менее реализовать лазерное зажигание, полностью адаптированное к условиям эксплуатации автомобильных двигателей, ученым не удалось. Было выявлено, что лазерные запалы чрезвычайно чувствительны к вибрации, нагреву и коксованию оптического окна. Частично эти проблемы удалось решить Азеру Ялину, сумевшему вплотную приблизиться к созданию инновационного зажигания, которое можно применять в стационарных и судовых газовых двигателях. Но о лазерном зажигании для легковушек и речи не было — столь громоздкие системы не помещались под капот автомобиля.
Но это до поры до времени, считает Такунори Тайра. На конференции CLEO 2011, посвященной проблемам лазерной техники и оптоэлектроники, Тайра представил сенсационный доклад о разработке первого в мире сверхмощного твердотельного микролазера Nd: YAG/Cr:YAG с диодной накачкой, длина которого составляет 11, а диаметр — 9 мм. Лазер сделан из прозрачной стеклокерамики и способен работать при температуре свыше 150 °C без ухудшения оптических свойств. Работа группы, в которую помимо ученых вошли инженеры компаний Toyota и Denso, продолжалась в течение семи лет и была изначально нацелена на создание прототипа лазерного зажигания для легковых автомобилей.
Испытания двухлучевого лазерного запала проводились как в лабораторной камере сгорания, так и на одном из цилиндров серийной двухлитровой рядной четверки Toyota в условиях стехиометрической смеси (15,2:1) в режиме 1 600 об/мин. Тайра не зафиксировал ни одного пропуска зажигания в «лазерном» цилиндре в течение нескольких сотен тысяч тактов. Более того, в 100% случаев лазерный запал был снайперски точен: для возгорания смеси хватало первого из четырех запрограммированных импульсов продолжительностью 600 пикосекунд каждый. В специально обедненной смеси (17,2:1) свечи зажигания продемонстрировали 100%-ный отказ, тогда как лазерная «двустволка» уверенно поражала мишень максимум с третьего из пяти импульсов.
Нет сомнений, утверждает Тайра, что в адаптированном под лазерное зажигание двигателе эффективность запала будет еще выше. Вполне вероятно, что первой подобной адаптацией станет экзотический роторный двигатель Mazda Renesis, новая 300-сильная модификация которого должна появиться на рынке после 2014 года. Но японцев могут опередить другие автопроизводители. В частности, Ford, ведущий интенсивные исследования по лазерной тематике уже в течение пяти лет, обещает реализовать их в виде серийного узла в ближайшие годы.
Статья «Игра стоит свеч» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2012).www.popmech.ru
Узнав из очередного дайджеста новостей о том, что российские ученые изобрели лазерные свечи зажигания, я почуял неладное. Во-первых, о таких свечах уже где-то слышал, причем о работающих, во-вторых, изобретение сделано студентами Политехнического университета Нижнего Новгорода, пусть даже под руководством профессоров. По их словам, уже создан прототип на основе советского (!) полупроводникового лазера, и к концу года планируется появление опытных образцов, которые будут тестироваться на автомобилях.
По материалам статей из Все поедем, Техническая планета, Membrana, Популярная механика.
«Благодаря объединению двигателя с советским лазером была изобретена микросхема. В будущем планируется поработать также над размером свечи зажигания, чтобы сделать ее более компактной. Материальная поддержка проекта составила 100 тыс. руб. Как утверждают ученые, если будет недостаток финансирования, то будет невозможно продолжить проект».
Несерьезно как-то… тут же утверждается, что в Японии и США также разрабатываются лазерные свечи зажигания, а прототип двигателя с лазерными свечами зажигания был представлен в США в 2008 году.
Так все-таки, изобрели наши студенты свечи, или нет?
Оказалось, прототип был апробирован еще в начале прошлого десятилетия, и в 2006 году группой Азера Ялина из Колорадо была запатентована система многоканального лазерного запала с одновременной лазерной диагностикой процесса сгорания смеси в камере. Для передачи пучка на линзу запала Ялин применял термостойкое ламинированное оптоволокно с отражающим слоем серебра толщиной 0,2 мкм. Линза, установленная на месте свечи зажигания, могла фокусировать пучок на любую точку камеры сгорания, а в качестве источника излучения был успешно опробован импульсный YAG лазер мощностью 250 Вт. Примерно такие же твердотельные лазеры широко используются в медицине и косметологии.
Испытания проводились на промышленном газовом двигателе Waukesha VGF и показали высочайшую эффективность лазерного запала. Достаточно сказать, что вероятность пробоя и возгорания смеси составляла 100% на всех режимах работы, а коэффициент разброса давления смеси в цилиндре с лазерным запалом был на 80% ниже паспортного. При этом суммарная энергия импульсов составляла мизерные 2,3 мДж. Одновременно проводились опыты с лазерным зажиганием ДВС на водороде, биогазе и бензине, включая версии с прямым стратифицированным впрыском и экстремальными степенями сжатия, а в Австрии группа профессора Герхарда Крупы разработала достаточно мощный компактный лазерный диод, работающий от 12-вольтовой бортовой сети.
Тем не менее, реализовать лазерное зажигание, полностью адаптированное к условиям эксплуатации автомобильных двигателей, ученым не удалось. Было выявлено, что лазерные запалы чрезвычайно чувствительны к вибрации, нагреву и коксованию оптического окна. Частично эти проблемы удалось решить Азеру Ялину, сумевшему вплотную приблизиться к созданию инновационного зажигания, которое можно применять в стационарных и судовых газовых двигателях. Но о лазерном зажигании для легковушек и речи не было – столь громоздкие системы не помещались под капот автомобиля.
На конференции CLEO 2011, посвященной проблемам лазерной техники и оптоэлектроники, японец Такунори Тайра представил сенсационный доклад о разработке первого в мире сверхмощного твердотельного микролазера Nd:YAG/Cr:YAG с диодной накачкой, длина которого составляет 11, а диаметр – 9 мм. Лазер сделан из прозрачной стеклокерамики и способен работать при температуре свыше 150°C без ухудшения оптических свойств. Работа группы, в которую помимо ученых вошли инженеры компаний Toyota и Denso, продолжалась в течение семи лет и была изначально нацелена на создание прототипа лазерного зажигания для легковых автомобилей.
Испытания двухлучевого лазерного запала проводились как в лабораторной камере сгорания, так и на одном из цилиндров серийной двухлитровой рядной четверки Toyota в условиях стехиометрической смеси (15,2:1) в режиме 1 600 об/мин. Тайра не зафиксировал ни одного пропуска зажигания в «лазерном» цилиндре в течение нескольких сотен тысяч тактов. Более того, в 100% случаев лазерный запал был снайперски точен: для возгорания смеси хватало первого из четырех запрограммированных импульсов продолжительностью 600 пикосекунд каждый. В специально обедненной смеси (17,2:1) свечи зажигания продемонстрировали 100%-ный отказ, тогда как лазерная «двустволка» уверенно поражала мишень максимум с третьего из пяти импульсов.
Нет сомнений, утверждает Тайра, что в адаптированном под лазерное зажигание двигателе эффективность запала будет еще выше. Вполне вероятно, что первой подобной адаптацией станет экзотический роторный двигатель Mazda Renesis, новая 300-сильная модификация которого должна появиться на рынке после 2014 года. Но японцев могут опередить другие автопроизводители. В частности, Ford, ведущий интенсивные исследования по лазерной тематике уже в течение пяти лет, обещает реализовать их в виде серийного узла в ближайшие годы.
Компания Bosch также весьма активно занимается системами лазерного зажигания и уже предпринимает конкретные меры по защите своих позиций на еще не родившемся рынке. Осенью 2011 года специалисты Bosch Вернер Херден и Юрген Райманн запатентовали систему форкамерного лазерного зажигания газового ДВС, а уже в феврале 2012-го ими была подана патентная заявка на инновационную конструкцию верхней части цилиндра и днища поршня
Еще одно альтернативное - радиочастотное электростатическое зажигание, - формирует четыре очага возгорания. Сталкиваясь друг с другом, они ускоряют процесс сгорания смеси. Частота съемки – один кадр в 16 мс
Совсем недавно специалисты из Румынии и Японии предложили порошковый лазер, который будет в скором времени использоваться в ДВС вместо свечей зажигания.
Лазер имеет такие же размеры, что и свеча. И это большая заслуга разработчиков. Этот лазер сделан из керамических порошков, вследствие чего импульсы стали более стабильными (что очень важно в системе зажигания автомобиля), терпимыми к температурным режимам.
Внутри цилиндра лазер будет выдавать два, а то и три луча, распространяющихся по глубине цилиндра, и если сосредоточить импульс в центре камеры, то произойдет полное сгорание смеси,. Таким образом, ДВС с лазерной системой зажигания будет производить меньше выбросов и углекислого газа, в основном за счет полноты сгорания топлива. Топливо со свечным зажиганием от того и сгорает неполно, что свеча воспламеняет топливо лишь возле искрового промежутка.
На данный момент изобретатели новой системы ведут диалог с ведущими автопроизводителями, а также компанией Denso, которая занимается производством автокомплектующих. Возможно, под этой маркой и выйдут лазеры зажигания.
В-общем, сдается мне, что до внедрения российской лазерной свече еще далеко. Как это часто бывает, какой-то корреспондент бежит впереди паровоза. И как только выявится масса технических проблем, над которыми студентам и тем более профессорам работать некогда, можно будет надолго забыть о такой панацее низкотемпературного зажигания, как российские лазерные свечи.
#Статьи
www.dnevniki.ykt.ru
Изобретение относится к системам лазерного зажигания ДВС и может быть использовано в энергетических установках с принудительным воспламенением обедненной горючей смеси. 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. Техническим результатом является экономия топлива, уменьшение токсичности отработанных газов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к системам лазерного зажигания двигателя внутреннего сгорания и может быть использовано в энергетических установках с принудительным воспламенением рабочей смеси.
Известен способ воспламенения горючих смесей (Патент РФ №2065990, МПК F02P 23/04, 1994), заключающийся в воздействии энергетическим импульсом лазерного излучения на стехиометрическую подготовленную горючую смесь, где формирование импульса регулируется в соответствии с эмпирической формулой по мощности и времени.
В данном способе зажигания горючих смесей, особенно для обедненных смесей, возможны пропуски воспламенения. Подготовка горючей смеси в этом способе осуществляется только до подачи смеси в камеру сгорания (КС) двигателя. И в дальнейшем регистрируется только наличие факта воспламенения после подачи энергетического импульса.
Недостатком способа является также неоптимальная форма импульса в виде кривой с вытянутой остроконечной вершиной и резким спадом за короткий промежуток времени. Такая форма импульса является неблагоприятной для удержания активных центров предпламенных реакций и, как следствие, замедление реакции воспламенения или ее пропуск.
Наиболее близким является способ лазерного зажигания горючей смеси в камере сгорания двигателя (Патент США №4416226, МПК F02P 23/00, 1982 г.), заключающийся в том, что горючую смесь в пространстве камеры сгорания нагревают чередующимися энергетическими импульсами различной амплитуды.
В вышеуказанном способе используется лазер, который генерирует, по крайней мере, два импульса лазерного излучения во время каждого такта сжатия горючей смеси (ГС). При этом первый импульс генерируется с модуляцией добротности лазера с высокой энергией импульса в лазерном луче, а второй импульс генерируется без модуляции добротности и имеет низкий уровень энергии, но более длинную продолжительность, чем первый импульс. Причем первый и второй импульсы лазера вводятся прямо в камеру сгорания двигателя. При этом первый импульс производит ионизацию топливовоздушной смеси в камере сгорания для образования плазмы, а второй импульс далее нагревает плазму до воспламенения топливовоздушной смеси.
Недостатком этого способа является ненадежность процессов воспламенения, увеличенное потребление энергии бортового источника питания и ограниченность возможности регулирования интенсивности лазерного излучения в соответствии с режимом работы двигателя.
Этот недостаток вызван тем, что после воздействия импульсом высокой амплитуды (с модуляцией добротности) и до воздействия импульсом низкой амплитуды (без модуляции добротности) проходит некоторое время, в течение которого основная часть активных центров реакции успевает диффундировать в пространство без взаимодействия. Также воздействие на неподготовленную энергетически горючую смесь даже импульсом большей мощности не приводит к резкому возрастанию количества образовавшихся активных центров реакций, что в свою очередь заставляет увеличивать число импульсов воздействия и тем самым повышает расход энергии направленной на зажигание.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности воспламенения обедненной горючей смеси путем лазерного зажигания этой смеси в камере сгорания двигателя, а также возможность регулирования интенсивности лазерного излучения в соответствии с режимом работы двигателя.
Указанная задача решается тем, что в способе лазерного зажигания горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания горючую смесь в пространстве камеры сгорания двигателя нагревают и поджигают энергией лазерных источников, при этом первым лазерным источником в горючей смеси камеры сгорания в конце такта сжатия предварительно создают локальный разогретый участок в виде цилиндрического объема путем колебательного перемещения фокального пятна вдоль оси лазерного луча, причем период колебаний и амплитуду рассчитывают исходя из времени жизни активных центров предпламенных реакций горючей смеси, а вторым лазерным источником, в момент зажигания горючей смеси в камере сгорания, подают энергетический импульс по сигналу датчика положения коленчатого вала двигателя, при этом фокусирование луча второго лазерного источника производят в центр продольной оси разогретого цилиндрического участка горючей смеси.
Кроме того, дополнительно, разогретый цилиндрический объем V определяют по формуле 
где d0 - диаметр фокального пятна лазерного источника;
А - амплитуда колебаний перемещения фокального пятна вдоль оси луча лазерного источника.
Величину энергии первого лазерного источника устанавливают в зависимости от энергии, необходимой для поддержания активных центров предпламенных реакций.
Первый разогревающий лазерный источник включают в конце такта сжатия, а выключают в начале устойчивого горения горючей смеси.
Длину волны лазерных источников устанавливают в спектральном диапазоне 0,5...4,7 мкм в зависимости от вида горючей смеси.
Технический результат от использования данного способа состоит в том, что он обеспечивает высокие энергетические характеристики воспламенения горючей смеси, а также снижение расхода топлива и снижение токсичности отработавших газов.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе относится (Патент РФ №2003825, МПК F02P 23/04, 1991 г.) система для зажигания горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащая блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазера, связанный с блоком синхронизации, твердотельный поливолоконный лазер, связанный через световоды с пространством цилиндра.
Принципиальный недостаток указанной системы связан с малым временем длительности поджигающего импульса, характерным для твердотельных лазеров. Существенным недостатком является малое количество энергии, приходящееся на отдельное волокно, так как поливолоконный лазер имеет общую лампу накачки, а вся энергия, подводимая, лампой накачки делится на общее количество волокон. Энергии импульса от отдельного волокна может быть недостаточно для образования активных центров предпламенных реакций и объемного воспламенения горючей смеси. В результате вероятны пропуски воспламенения и, как следствие, увеличение расхода топлива и энергии на зажигание ГС.
Задачей данного изобретения является создание лазерной системы зажигания двигателя внутреннего сгорания с более высокими энергетическими характеристиками воспламенения горючей смеси, а также снижение расхода топлива и снижение токсичности отработанных газов.
Эта задача решается тем, что предлагаемая система зажигания обедненной горючей смеси в камере сгорания двигателя дополнительно к блоку синхронизации, связанному электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилителю мощности накачки лазера, связанному с датчиком состава горючей смеси и с блоком синхронизации, лазерным источником, связанным трактом передачи энергии с камерой сгорания двигателя, снабжена 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.
При этом устройство формирования цилиндрического разогретого объема выполнено в виде корпуса, внутри которого размещен ближе к первому (полупроводниковому) лазерному источнику генератор колебаний, соединенный с электромеханическим приводом, приводящим в колебательное движение оптическую линзу, причем частота и амплитуда перемещений генератора колебаний устанавливается задатчиком частоты и амплитуды колебаний в зависимости от режима работы двигателя.
Кроме того, первый (полупроводниковый) и второй (твердотельный) лазерные источники, а также устройство для формирования цилиндрического разогретого объема оформлены в виде автономного блока с оптическим устройством формирования лучей лазерных источников, а также соединенных через электрические разъемы с выходами усилителя мощности накачки лазеров.
Техническим результатом предлагаемой системы лазерного зажигания является уменьшение вероятности пропусков воспламенения, высокая степень адаптации системы на различных режимах работы двигателя.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема лазерной системы зажигания для двигателей внутреннего сгорания;
на фиг.2 - блок лазерного зажигания горючей смеси;
на фиг.3 - диаграмма сигналов на выходах отдельных элементов структурной схемы системы зажигания;
на фиг.4 - зависимость мощности от времени и взаимное распределение энергетических импульсов разогрева и зажигания;
на фиг.5 - схема взаиморасположения лучей лазеров в камере сгорания двигателя.
Лазерная система зажигания (фиг.1 и 2), реализующая предлагаемый способ, состоит из двигателя 1 внутреннего сгорания, на котором установлен датчик 2 положения коленчатого вала двигателя 1, связанного электрической цепью с блоком синхронизации 3 и с усилителем 4 мощности накачки лазеров, датчика 5 состава горючей смеси одним выходом подключенного к усилителю 4 мощности накачки лазеров, а вторым выходом - к задатчику 6 частоты и амплитуды колебаний фокального пятна, электрически соединенного с устройством 8 формирования цилиндрического разогретого объема, размещенного в блоке 7 лазерного зажигания горючей смеси.
Блок 7 лазерного зажигания горючей смеси, входящий в общую систему, состоит из корпуса, в котором размещен первый (полупроводниковый) лазерный источник 9 и второй (твердотельный) лазерный источник 15, которые оптически связаны посредством объективов 10 и 16 с камерой сгорания двигателя 1 и подключенных через электрические разъемы 11 и 17 с двумя выходами усилителя 4 мощности накачки лазеров, устройства 8 формирования цилиндрического объема, содержащего генератор колебаний 12, вырабатывающий энергию для привода 13, приводимого в колебательное движение, оптическую линзу 14, объектива 10, формирующего необходимую конфигурацию луча энергетического импульса, подаваемого с первого (полупроводникового) лазера 9.
Кроме того, в корпусе блока 7 по центру совмещения лучей обоих лазеров 9 и 15, установлен разделительный кубик 18, а в оправе 19 блока 7, которая через прокладку 20 входит в головку цилиндра двигателя 1, размещена фокусирующая линза 21, позицией 22 на фиг.2 и 5 показано фокальное пятно, а цилиндрический объем - 23, позицией 24 обозначено фокальное пятно от первого (полупроводникового) лазера 9 в центре цилиндрически разогретого объема (фиг.5).
Система зажигания работает следующим образом.
В конце такта сжатия усилитель 4 мощности накачки лазеров преобразует сигнал от блока синхронизации 3 и датчика 2 положения коленчатого вала двигателя 1 в импульс, соответствующий моменту образования разогретого цилиндрического объема (фиг.3 и 4) в камере сгорания двигателя 1. В соответствии с этим импульсом включается первый (полупроводниковый) лазер 9. Луч полупроводникового лазера 9 проходит через подвижную оптическую линзу 14, совершающую колебательные возвратно-поступательные перемещения посредством привода 13 управляемого генератором колебаний 12. Далее луч проходит через объектив 10 до разделительного кубика 18 и через фокусирующую линзу 21 фокусируется в камере сгорания двигателя 1. Фокальное пятно 22 в камере сгорания двигателя 1 также совершает возвратно-поступательные перемещения, создавая в пространстве цилиндрический разогретый объем 23 (фиг.5) в горючей смеси. Для управления мощностью второго лазера (твердотельного) 15 в соответствии с режимом работы двигателя 1, усилитель 4 мощности накачки лазеров электрической связью соединен с датчиком 5 состава горючей смеси. Частота и амплитуда перемещений генератора колебаний 12 устанавливается в зависимости от режима работы двигателя 1 задатчиком 6 частоты и амплитуды колебаний. Для этого задатчик 6 соединен электрическими связями с датчиком 5 состава горючей смеси и генератором колебаний 12. В цилиндрическом разогретом объеме 23 инициированные лазерным излучением молекулы с температурой возбужденного типа колебаний могут вступать в химические реакции при добавлении к ним относительно небольшого количества энергии, чем в случае невозбужденной молекулы. Существенным для зажигания обедненных горючих смесей является общая площадь начального очага воспламенения. В предлагаемой системе эта площадь определяется общей площадью цилиндрического разогретого объема 23 и зависит от состава горючей смеси путем изменения частоты и амплитуды колебаний фокального пятна 22 от второго (твердотельного) лазера 15. В момент зажигания по сигналам датчика 2 положения коленчатого вала и блока синхронизации 3 усилитель 4 мощности накачки лазеров подает импульс на первый (полупроводниковый) лазер 9 по электрической связи через разъемы 11. Луч первого (полупроводникового) лазера 9 проходит через объектив 10, разделительный кубик 18 и фокусируется линзой 21 в центре цилиндрического разогретого объема 23, в результате чего происходит воспламенение этого объема и от него горючая смесь в камере сгорания двигателя 1.
Объемный первичный цилиндрический очаг воспламенения является эффективным источником поджига окружающей горючей смеси в камере сгорания двигателя. В результате уменьшается вероятность пропусков воспламенения, снижается токсичность отработанных газов и повышается экономия топлива.
Источники информации
1. Патент РФ №2065990, МПК F02Р 23/04, 9/00, 17/00, 1994. Способ зажигания горючей смеси в камере сгорания и система для его осуществления.
2. Патент US №4416226, МПК F02Р 23/00, 1982. Laser Ignition Apparatus for an Internal Combustion Engine (прототип способа).
3. Патент РФ №2003825, МПК F02Р 23/04, 1991. Оптическая система зажигания для двигателей внутреннего сгорания (прототип).
1. Способ лазерного зажигания горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в том, что горючую смесь в пространстве камеры сгорания двигателя нагревают и поджигают энергией лазерных источников, отличающийся тем, что 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.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разогретый цилиндрический объем V определяют по формуле
где d0 - диаметр фокального пятна лазерного источника;
А - амплитуда колебаний перемещения фокального пятна вдоль оси луча лазерного источника.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что период колебаний и амплитуду фокального пятна рассчитывают исходя из времени жизни активных центров предпламенных реакций горючей смеси.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину энергии первого лазерного источника устанавливают в зависимости от энергии, необходимой для поддержания активных центров предпламенных реакций.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый разогревающий лазерный источник включают в конце такта сжатия, а выключают в начале устойчивого горения горючей смеси.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергетический импульс второго лазерного источника подают по сигналу датчика положения коленчатого вала двигателя.
7. Система зажигания горючей смеси в камере сгорания двигателя, содержащая блок синхронизации, связанный электрической цепью с датчиком положения коленчатого вала двигателя, усилитель мощности накачки лазеров, связанный с датчиком состава горючей смеси и с блоком синхронизации, лазерные источники, связанные трактом передачи энергии с камерой сгорания двигателя, отличающаяся тем, что она снабжена 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.
8. Система по п.7, отличающаяся тем, что устройство формирования цилиндрического разогретого объема выполнено в виде корпуса, внутри которого размещен ближе к первому (полупроводниковому) лазерному источнику генератор колебаний, соединенный с электромеханическим приводом, приводящим в колебательное движение оптическую линзу, причем частота и амплитуда перемещений генератора колебаний устанавливается задатчиком частоты и амплитуды колебаний в зависимости от режима работы двигателя.
9. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что первый (полупроводниковый) и второй (твердотельный) лазерные источники, а также устройство для формирования цилиндрического объема оформлены в виде автономного блока с оптическим устройством формирования лучей лазерных источников, а также соединенных через электрические разъемы с выходами усилителя мощности накачки лазеров.
www.findpatent.ru
В компании Princeton Optronics работают над системой лазерного зажигания, которая заменит классические свечи в двигателях автомобилей. Такое зажигание сделает двигатель более экологичным и эффективным.
Как известно, классический двигатель работает за счет того, что смесь воздуха и топлива подается в специальную камеру, где зажигается с помощью искры. Искру эту генерирует свеча зажигания. Выделяющиеся в процессе сгорания газы приводят движущиеся части (поршень) в движение, отчего, собственно, машина и едет. Проблема привычной всем технологии в том, что далеко не все подающееся топливо сгорает. Виной тому высокая скорость цикла сгорания. Дело в том, что искра поджигает топливо только в одном краю камеры сгорания. Компания Princeton Optronics взялась за решение этой проблемы.
Повышать эффективность сгорания топлива решили с помощью лазеров. При правильном применении лазер способен зажигать топливо в самом центре камеры сгорания. Это приводит к 27-процентному увеличению эффективности сгорания, что, в свою очередь, выливается в повышенную эффективность работы всего двигателя. Как показали тесты, лазерное зажигание позволяет на 1 л проехать 50 км вместо 40, которые дают классические свечи. Кроме того, такое сгорание позволяет снизить вредные выбросы в атмосферу.
На этом преимущества лазеров не заканчиваются. Дело в том, что их можно очень точно настроить, чтобы зажигание осуществлялось в наиболее подходящий момент. Кроме того, во время одного и того же цикла можно пускать множество лазерных лучей на разных участках цилиндра, что приведет к еще лучшему сжиганию топливной смеси.
Отметим, что "Тойота" экспериментировала с подобными системами еще в 2011 году. Однако только сейчас тесты наконец были произведены на реальном двигателе в реальных условиях. Кстати, разработка привлекла не только автомобильную отрасль. Повышение экологичности и эффективности двигателей внутреннего сгорания очень актуально для судоходных компаний. Сообщается, что данной работой уже заинтересовалась одна такая компания.
Конечно, данная разработка несколько меркнет на фоне альтернативных источников энергии для автоиндустрии. Однако очевидно, что глобальное внедрение тех же электромобилей займет достаточно большое время. А пока миллионам автомобилистов придется ездить по старинке. Данная технология может стать своеобразным "переходным звеном".
www.innoros.ru
17:3428.06.2016
(обновлено: 19:10 28.06.2016)
179221571
Подпишись на ежедневную рассылку РИА Наука
Спасибо за подписку
Пожалуйста, проверьте свой e-mail для подтверждения подписки
Глава Центра Хруничева: паритет с Илоном Маском достижимМОСКВА, 28 июн — РИА Новости. Федеральная служба по интеллектуальной собственности включила патент НПО "Энергомаш" на конструкцию камеры, воспламенение топлива в которой происходит с помощью лазерного зажигания, в "100 лучших изобретений России" по итогам 2015 года, говорится в сообщении госкорпорации "Роскосмос".
Суть новой технологии запуска ракетного двигателя заключается в инициации в полости камеры сгорания при подаче компонентов топлива оптического пробоя с образованием плазменного сгустка. Температура этой "шаровой молнии" порядка одного миллиона градусов, и именно она поджигает топливо.
"Небольшое и легкое лазерное зажигательное устройство способно обеспечить многократный пуск ракетного двигателя и не требует никакого специального дополнительного оборудования. Система проста и надежна в эксплуатации, а по стоимости сравнима с существующими, что дает ей хорошие конкурентные преимущества перед другими принципами зажигания", — отмечается в сообщении.
В рамках проекта была проведена серия успешных огневых испытаний на двигателе РД-107/108 (используются на ракете-носителе "Союз"). В настоящее время предполагается продолжить испытания системы для оценки возможности применения на современных мощных двигателях типа РД-191. Если лазерное зажигание и здесь подтвердит свою эффективность и надежность, то планируется его внедрение на всю линейку двигателей.
ria.ru
Старт ракеты-носителя «Протон»
«Роскосмос»
Конструкторское бюро химавтоматики, входящее в НПО «Энергомаш», провело успешные испытания лазерной системы зажигания для кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя. Согласно сообщению «Роскосмоса», состоявшиеся проверки признаны успешными.
Сегодня на российских ракетах-носителях используются специальные системы поджига на основе березовых «спичек» с шашками на конце. Перед стартом на эти шашки подается напряжение, они загораются и, разгораясь, переплавляют медные проволочки. При разрыве этих проволочек на пульт поступает сигнал о том, что в сопле шашка разгорелась.
После получения сигнала, операторы открывают вентили и запускают подачу топлива, которое и возгорается от шашек. Такая схема позволяет избежать взрыва при запуске ракетного двигателя, проста в установке и очень дешева. При этом она требует длительного цикла запуска ракетного двигателя.
Использование лазерной системы поджига позволяет значительно сократить цикл запуска ракетных двигателей на ракете-носителе. Во время первых испытаний новой системы на огневом стенде были проведены три включения установки, имитирующей ракетный двигатель. Лазерная система поджигала в этой установке кислородно-водородное топливо. В настоящее время специалисты анализируют данные испытаний.
В 2015 году в России были проведены успешные испытания лазерной системы запуска ракетного двигателя, работающего на паре кислород-керосин. Проверки проводились на двигателе РД-108 (такие используются на ракетах-носителях «Союз»).
Испытанная система использует эффект пробоя в лазерном луче, при котором в подаваемой в камеру сгорания топливной смеси образуется сгусток плазмы. Именно от плазмы и происходит поджигание топливной смеси.
Василий Сычёв
nplus1.ru
Фото: Роскосмос
Специалисты «Конструкторского бюро химавтоматики» провели успешные испытания лазерной системы поджига кислородно-водородного топлива жидкостного ракетного двигателя. Подобный эксперимент в России проведён впервые, сообщили в Роскосмосе.
«На огневом стенде было проведено три включения экспериментальной установки, в ходе которых поджиг кислородно-водородного топлива производился лазерной системой зажигания непосредственно в камере сгорания. Состояние материальной части после проведенных огневых испытаний удовлетворительное», — рассказали об испытании в госкорпорации.
Отмечается, что в настоящее время проводится анализ полученных в результате эксперимента данных.
Как подчеркнули в Роскосмосе, «внедрение лазерной системы поджига в жидкостном ракетном двигателе способствует снижению его массы». А чем меньше масса — тем проще циклограмма запуска двигателя, что приводит к его повышенной надёжности.
Ранее в Конструкторском бюро химавтоматики был успешно осуществлён лазерный поджиг кислородно-керосинового топлива.
Читайте наши новости в Яндекс.Дзенwww.pnp.ru
