В практике мирового двигателестроения используются электрические, плазменные свечи зажигания различной конструкции.

Естественно более 99% из них — электрические свечи зажигания.При этом имеются электрические свечи зажигания с одним, двумя   и более электродами, с кольцевым электродом, без форсажной и с форсажными камерами.

Сведения о применении лазерных свеч зажигания появились в печати 2…3 года назад.
Имеется информация о создании опытных образцов лазерных свеч зажигания в Рос-сии и Японии [1] и [2]. Предполагается, что применение такого зажигания увеличит полно-ту сгорания топлива в цилиндрах и естественно уменьшит выбросы вредных веществ в атмосферу.
Имеются сведения о серийном выпуске лазерных свеч зажигания за рубежом [3]. Компактные лазерные свечи зажигания для двигателей внутреннего сгорания разработали фирмы CTR и AVL. По габаритам они сравнимы с обычными свечкам, однако намного экономичнее и эффективнее. В частности, лазерная свечка способна зажигать топливо на значительно обедненной смеси, а это означает общую экономию топлива и снижение вредных выбросов.
Кроме того, такая свеча не имеет выступов в полость цилиндра, а требует лишь микроскопическое отверстие для доступа луча в камеру сгорания. К тому же имеется возможность фокусировки луча в разных точках камеры сгорания, что открывает широкие перспективы для автоматической регулировки работы двигателя на разных режимах.
Лазерные свечи максимально адаптированы к современным моторам и работают от бортовой сети 12 вольт. В печати нет никаких сведений об устройстве лазерных свеч зажигания.
Авторами разработаны принципы управления лазерным лучом или одновременно не-сколькими лазерными лучами.
Предложенное устройство для лазерного воспламенения, созданное авторами, содержит свечу лазерного воспламенения (рис. 1…9) которая, в свою очередь, 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 голов-кой 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 выполнена кольцевая полость 11, в которой установлен держатель 12. Держатель 12 выполнен в виде цилиндра из ферромагнетика. На нижнем конце держателя 12 установлена фокусирующая линза 13, а через отверстие в верхней части держателя 12 проходит оптическое волокно 10, нижний конец которого не доходит до фокусирующей линзы 13 на 5…7 мм.
Против фокусирующей линзы 13 выполнено коническое отверстие 14, которое сужается к выходу. Внутри изолятора 9 на оптическом волокне 10 установлено термостойкое уплотнения 15. Оптическое волокно 10 соединено с блоком накачки 16. Блок накачки 16 проводами 17 соединен с источником энергии 18. Один из проводов 17 проводом 19 заземлен на массу 20.
Устройство содержит источник колебания 21, который может быть выполнен в разных вариантах. Источник колебаний 21 соединен проводами 22 с генератором импульсов 23.
Вход генератора импульсов 23 проводами 24 соединен с источником энергии 18. Устройство содержит блок управления 25, который электрическими связями 26 соединен с блоком накачки 16 и с генератором импульсов 23.
Держатель 12 должен быть подвешен на пружине 27 (рис. 2).
В состав устройства входят датчик углового положения коленчатого вала 28 и датчик частоты вращения коленчатого вала 29, соединенные электрическими связями 26 с блоком управления 25 (рис. 1).
В основу работы устройства может быть положен обратный пьезоэлектрический эффект, электретные эффекты, магнитная индукция или магнитострикционный эффект.
В первом варианте (рис. 1) для управления лучом лазера применен обратный пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.
При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.
Пьезоэлектрические вещества всегда обладают одновременно и прямым, и обратным пьезоэффектом. Не обязательно, чтобы вещество было монокристаллом, эффект наблюдается и в поликристаллических веществах, предварительно поляризованных сильным электрическим полем во время кристаллизации, или при фазовом переходе в точке температуры Кюри при охлаждении для сегнетоэлектриков (например, керамические пьезоэлектрические материалы на основе цирконата-титаната свинца) при наложенном внешнем электрическом поле.
В этом случае в качестве источника колебаний 21 применен пьезоэлемент 30, соединенный проводами 22 с генератором импульсов 23. Для передачи потенциала с одного из проводов 18 через корпус 1 применен дополнительный электрод 31 установленный в изоляторе 9 параллельно оптическому волокну 10, а для передачи потенциала со второго провода 22 (заземленного) применен вкладыш 32 из электропроводного материала, соединяющий пьезоэлемент 30 с корпусом 1.
Во втором варианте (рис. 2) используется магнитная индукция. Для этого на изоляторе 9 установлена обмотка возбуждения 33, подсоединенная проводами 22 к генератору им-пульсов 23. В этом случае держатель 12 должен быть выполнен из ферромагнитного мате-риала и подпружинен с одного из торцов пружиной 27.

В третьем варианте (рис. 3) для управления лучом лазера применена магнитострикция. В этом варианте держатель 12 должен быть выполнен из ферромагнитного материала и один из его торцов закреплен на изоляторе 9, а другой с фокусирующей линзой 13 быть свободным.

Магнитостри́кция (от лат. strictio — сжатие, натягивание) — явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются. Эффект открыт Джоулем вызван изменением взаимосвязей между атомами в кристаллической решётке, и поэтому свойственен всем веществам. Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у сильномагнитных материалов. В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, ряде сплавов, ферритах) М. достигает значительной величины (относительное удлинение Δl / l ≈ 10-6—10-2). В антиферромагнетиках, парамагнетиках и диамагнетиках М. очень мала. Обратное по отношению к М. явление — изменение намагниченности ферромагнитного образца при деформации — называется магнитоупругим эффектом, иногда — Виллари эффектом.
В современной теории магнетизма рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия магнитного взаимодействия. В соответствии с этим возможны 2 вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллические решётки: за счёт изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счёт изменения обменных сил.
При намагничивании ферро- и ферримагнетиков магнионые силы действуют в интервале полей от 0 до поля напряжённостью Hs, в котором образец достигает технического магнитного насыщения Is. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами и вращения магнитных моментов доменов. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решётки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между её узлами. В результате атомы смещаются, про-исходит магнитострикционная деформация решётки. М. этого вида носит анизотропный ха-рактер (зависит от направления и величины намагниченности J) и проявляется в основном в изменении формы кристалла почти без изменения его объёма (линейная ).
Дли обеспечения работы устройства с использованием магнитострикционного эффекта (рис. 3) верхний торец держателя 12 должен быть закреплен на изоляторе 9, а сам держатель 12 выполнен из ферромагнитного материала. Кроме того, на изоляторе 9 должна быть установлена обмотка возбуждения 33, соединенная с генератором импульсов 23 проводами 22. (Один провод 22 заземлен).
Диаграмма газораспределения показана на рис. 8. где:
34- впуск; 35 – сжатие; 36 – рабочий ход; 37 – выпуск; 38 – опережение впуска; 39 – перекрытие клапанов; 40 – запаздывание выпуска; 41 – опережение выпуска; 42 – запаздывание впуска.
На рис. 3 приведена лазерная свеча зажигания.
РАБОТА ДВС
При работе ДВС (рис. 1 …9) стартером запускают двигатель (стартер на рис. 1 …8 не показан). В соответствии с циклограммой работы двигателя, зжаложенной в памяти блока управления 25 подают по проводам 17 напряжение на блок накачки 16, потом с блока управления 23 подают управляющие сигналы на блок накачки 16 для выработки импульсов лазерного излучения в нужный момент времени (в момент опережения зажигания ОЗ и да-лее в течение всего рабочего хода поршня 7) см. рис. 5. Лазерные импульсы по оптическому волокну 10 подаются поочередно на каждую свечу лазерного воспламенения. Одновременно с блока управления 25 подается сигнал на генератор импульсов 23 и он по проводам 22 по-дает управляющие импульсы на источник колебаний 21 (пьезоэлемент 30 или обмотку возбуждения 33. в зависимости от варианта исполнения).
В первом варианте сигнал подается через дополнительный электрод 31 и вкладыш 32, в результате чего пьезоэлемент 30 совершает запрограммированные колебательные движения вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта (рис. 1).
В случае использования магнитной индукции (рис. 2) управляемые импульсы тока, идущего по обмотке возбуждения 33 поднимают держатель 12 на высоту пропорциональную силе тока, сжимая пружину 27 и меняя тем самым фокусное расстояние оптической линзы 13, при уменьшении силы тока пружина 27 возвращает держатель 12 в исходное положение.
При использовании магнитострикционного эффекта пропорционально силе тока в обмотке возбуждения 33 изменяется длина держателя 12, фокусирующая линза 13 перемещается и фокус тоже перемещается вдоль оси цилиндра 4. При этом луч лазера (его фокус Ф) совершает сканирующее движение вдоль оси цилиндра 4, охватывающее значительную часть объема цилиндра 4 и воспламеняет топливовоздушную смесь практически одновременно во всем объеме цилиндра 4, т. е. фокус лазерного луча из положения Ф1 перемещает-я сначала в положение Ф2 потом в положение Ф3 (фиг. 4).

Это способствует увеличению полноты сгорания и уменьшению эмиссии вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами, так как процесс воспламенения охватывает весь объем камеры воспламенения 8 и поддерживается в нем для дожигания в течение максимально возможного времени.
Контроль и управление перемещением фокуса Ф лазерного луча осуществляется при помощи блока управления 25 по показаниям датчиком 28 и 29. Датчик 29 определяет часто-ту вращения коленчатого вала ДВС и в зависимости от нее корректирует угол опережения зажигания ОЗ. При увеличении скорости вращения коленчатого вала угол опережения зажигания увеличивают.
При этом положение фокуса Ф или постоянно находится на внутренней торцовой поверхности цилиндра 7 (фиг. 6) или в средней части объема камеры воспламенения 8 (рис. 7).

При этом целесообразно подавать импульсы лазерного луча в течение всего рабочего хода поршня 7 от момента опережения зажигания ОЗ до полного выпуска продуктов сгорания.
Диаграмма газораспределения показана на рис. 8. где:
34- впуск; 35 – сжатие; 36 – рабочий ход; 37 – выпуск; 38 – опережение впуска; 39 – перекрытие клапанов; 40 – запаздывание выпуска; 41 – опережение выпуска; 42 – запаздывание впуска. При этом первый импульс лазерного излучения подают в камеру воспламенения 8 цилиндра 5 до того, как поршень 7 достигнет верхней мертвой точки – ВМТ (рис. 5), т. е. 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 четырёхтактного ДВС после такта сжатия и достижения поршнем ВМТ происходит воспламенение рабочей смеси в камере сгорания с помощью свечи зажигания. Про-исходит 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 объёме (начало рабочего хода) и закончится, когда поршень пройдёт 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 подойдёт к ВМТ и будет противодействовать движению поршня. Всё это приводит к уменьшению мощности двигателя, его перегреву. Поэтому, при правильном выборе момента зажигания, давление газов достигает максимальной величины примерно через 10-12 граду-сов 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 мёртвой 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, по-этому опережение зажигания должно быть большим. По мере открытия дроссельной заслонки в цилиндр поступает всё больше свежей горючей смеси, а количество отработавших газов остаётся 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 рис. 9 приведена лазерная свеча зажигания с тремя лучами.
В ОО «КБ НИТРОН» выполнены рабочие чертежи и макеты устройства. Разработан алгоритм программы для блока управления.
Применение новой лазерной свечи зажигания позволило:
— увеличить полноту сгорания топливовоздушной смеси,
— уменьшить эмиссию вредных веществ с выхлопными газами.
— управлять воспламенением топлива в зависимости от режима работы ДВС, в первую очередь в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Сайт Интернет http://www.membrana.ru/particle/16076 Японцы создали лазерную свечу зажигания.
2. Сайт Интернет http://www.drive.ru/world/5141a5b794a6562e9900001f.html. Вокруг света. В России разработали лазерные свечи зажигания.
3. Сайт Интернет http://www.chipmaker.ru/topic/46717/page__st__20. Доводка свечи зажигания.

Авторы статьи: Академик Дудышев Валерий Дмитриевич

Патентный поверенный РФ . рег № 466 Болотин Николай Борисович