Предложена лазерная свеча зажигания с встроенной форкамерой, которая способна значительно улучшить эффективность распространения факела зажигания и эффективность сжигания топливовоздушной смеси за счет одновременного применения для воспламенения лазерного луча и коронного разряда.

Изобретение может найти применение при использовании в двигателе внутреннего сгорания – ДВС, как карбюраторных, так и инжекторных и дизельных, а также в роторных двигателях, газопоршневых и других типах двигателей и в энергетических установках.
Лазерная свеча зажигания 1 (рис. 1…6) содержит корпус 2, изолятор 3, клеммный наконечник 4, к которому присоединен высоковольтным проводом 5 высоковольтный преобразователь 6, предназначенный для преобразования высокого напряжения в напряжение необходимое для питания твердотельного лазера 7, присоединенного электрическими проводами 8 к этому блоку.
Твердотельный лазер 7 оптическим волокном 9 соединен с фокусирующей линзой 10. Лазерная свеча зажигания 1 ввернута в головку блока цилиндров 11. Под лазерной свечой 1 выполнена форкамера 12, которая содержит днище 13 с выходными отверстиями 14. Днище 13 выполнено в виде усеченного конуса и имеет боковые стенки 15 и нижнюю стенку 16.
Фокамера 12 отделена от лазерной свечи 1 шайбой 17 с центральным отверстием 18, которое сообщает форкамеру 12 с защитной полостью 19, предназначенной для защиты оптического окна 4 от прямого воздействия продуктов сгорания в форкамере 12. Центральное отверстие 18 предназначено для прохождения луча лазера 20 от фокусирующей линзы 10. В защитной полости 19 над шайбой 17 установлено оптическое окно 21.
При этом воспламенитель может быть выполнен в одном из четырех вариантов.
Лазерная свеча может быть выполнена с возможностью создания коронного разряда внутри форкамеры 12 (рис. 1)

Концентрично шайбе 17 в этом варианте исполнения установлен электрический изолятор 22 (фиг. 1)
Возможен вариант, когда лазерная свеча выполнена с возможностью создания коронного разряда вне форкамеры 12 (рис. 2). В этом случае концентрично корпусу 2 лазерной свечи 1 установлен электрический изолятор 23, а концентрично нему внешнее кольцевое сопло 24.

Возможен вариант, когда лазерная свеча выполнена с возможностью создания коронного разряда вне форкамеры 12 и внутри форкамеры 12 (рис. 3) .

В этом варианте исполнения установлен электрический изолятор 22 и коннцентрично корпусу 2 лазерной свечи 1 установлен электрический изолятор 23, а концентрично нему внешнее кольцевое сопло 24.
В четвертом варианте (рис. 4) применена призма 25 для разделения луча лазера 20 на несколько.

Блок согласования напряжения 6 (фиг. 1) электрически соединен внутренним высоковольтным проводом 5 с клеммным наконечником 4, который высоковольтным проводом 26 соединен с распределителем импульсов 27, который высоковольтными проводами 28 соединен с высоковольтным блоком 29, который низковольтными проводами 30, содержащими выключатель 31 соединен с источником энергии 32. Один низковольтный провод 30 соединен с массой 33 (заземлен).
Возможны три варианта исполнения шайбы 17 (рис. 5…7).

На рис. 5 приведена шайба с кольцевым отстроконечным выступом 34, на рис. 6 приведена шайба 17 с локальными остроконечными выступами 35, на фиг. 7 приведена шайба 17 с несколькими отверстиями 36, выполненными под углом для предотвращения загрязнения оптики.
Выходные отверстия 12 могут быть выполнены в нескольких вариантах. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены радиальными. (фиг. 8 и 10). Выходные отверстия 14 могут быть выполнены тангенциально. Выходные отверстия 14 могут быть выполнены только на боковой стенке 15. По меньшей мере одно выходное отверстие 14 может быть выполнено на нижней стенке 16.
Возможны разные варианты исполнения внешнего кольцевого электрода 24 (на рис 1…7 не показано.).
Внешнее кольцевое сопло 24 может быть сужающимся, расширяющимся или в виде сужающееся-расширяющегося сопла т. е. в виде Лаваля. Внутри внешнего кольцевого сопла 24 может быть установлено средство закрутки потока (на рис. 1…7 не показано).
Работа устройства
При работе лазерной свечи зажигания, например в составе ДВС (рис. 1…7), двигатель запускают стартером (не показано) и одновременно включают выключатель 30 (замок зажигания). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 14 попадает в форкамеру 12. В момент опережения зажигания распределитель 26 подает потенциал на блок преобразования напряжения 6 и далее на твердотельный лазер 7, который генерирует луч лазера 20. Луч лазера 20 практически мгновенно воспламеняет ТВС в форкамере 12. ТВС, находящаяся в контакте воспламеняется и фронт пламени в виде шара, фронт пламени радиально идет до выходных отверстий 14 и выходит из них в камеру сгорания цилиндра двигателя.
В цикле «рабочий ход» продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, с огромной скоростью выбрасываются из форкамеры 12 в полость камеры сгорания цилиндра ДВС и воспламеняют весь заряд ТВС, имеющийся в ней.
Одновременно между металлическим корпусом 2 и шайбой 17 (рис. 1) или кольцевым внешним электродом 24 (рис. 2) возникает коронный разряд который значительно нагревает топливовоздушную смесь внутри (вне) форкамеры 12, что облегчает работу лазерной свечи зажигания 1 и позволяет в несколько раз уменьшить энергию твердотельного лазера 7. Наличие остроконечных выступов 34 и 35 способствует возникновению коронного разряда.
При этом, за счет того, что общая площадь выходных отверстий 14 больше, чем площадь поперечного сечения форкамеры 12 выходные отверстия 14 не дросселируют поток ТВС при его поступлении в форкамеру 12 и в камеру воспламенения. Вследствие этого заряд ТВС в форкамере 12 возрастает. В цикле рабочий ход из-за большей общей площади выходных отверстий 12 по сравнению с прототипом мощность воспламеняющего факела возрастает.
Коническая форма днища позволяет разместить на нем максимально количество отверстий при минимальном выступании форкамеры 12 внутрь цилиндра ДВС. Во втором варианте (рис. 2) коронный разряд возникает вне форкамеры 12, а в третьем варианте (рис. 3) одновременно внутри и вне форкамеры 12.
В четвертом варианте (рис. 4) можно получить несколько лазерных лучей путем расщепления луча лазера 20 на призме 25.
Такая организация процесса воспламенения ТВС обеспечит 100% воспламенение даже в самых плохих условиях при низкой температуре и высокой влажности при малой мощности твердотельного лазера 6 (рис. 1). Также этот подход может быть применен на двигателях, работающих на криогенных топливах: водороде и сжиженном природном газе. Для воспламенения криогенного топлива, имеющего очень низкую температуру, не понадобится значительно увеличивать мощность свечи зажигания. Особенно хорошо этот эффект будет проявляться на двигателях большой мощности и на двигателях работающих на природном газе.

Авторы статьи: академик Дудышев Валерий Дмитриевич

Патентный поверенный РФ рег № 466 Болотин Николай Борисович