Изобретение относится к воспламенителям (свечам зажигания, в частности лазерным 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.
Предшествующий уровень техники
Последние 200 лет для воспламенения используют электрические свечи зажигания. Обычно боковой заземленный электрод свечи зажигания изогнут и имеет L-образную форму, будучи перпендикулярным к направлению осевого центрального электрода так, чтобы поперечное сечение разрядной части, так называемой «минифоркамеры», обращенной к осевому центральному электроду, было прямоугольным.
Когда возникает искровой разряд свечи зажигания, искра появляется между осевым центральным электродом и концевой разрядной частью заземленного электрода, расположенной ниже осевого центрального электрода. Газовая смесь в искровом промежутке, сформированном этими электродами, воспламеняется за счет искры так, что сжатая газовая смесь воспламеняется сначала в «минифоркамере» между электродами, а потом горизонтально истекающий факел воспламеняет остальную ТВС. В обычных конструкциях высокое давление газа, вызванное воспламенением, может быть заблокировано концевой разрядной частью так, что эффект распространения горения на воздушно-топливную газовую смесь в камере сгорания является недостаточно хорошим. А запуск двигателя при отрицательных температурах вообще вызывает затруднение из-за охлаждения воспламеняющего факела от холодных металлических частей головки цилиндра.
Когда остаточный углерод (продукт неполного сгорания топливовоздушной смеси – ТВС) остается в искровом промежутке между электродами, то углерод может накапливаться и изменяться от фазы частиц до фазы соединения на поверхностях электродов так, что между электродами может возникнуть короткое замыкание. В таком состоянии, даже при подаче напряжения, искра может не возникать, что ведет к серьезным проблемам вплоть до остановки двигателя или выпуску топливовоздушной смеси через выхлопную трубу без сгорания. Когда несгоревшая газовая смесь выпускается в выхлопную трубу, часто проявляется эффект обратной вспышки, при этом проявляется аварийный эффект и снижается эффективность сгорания. Выход из строя одного из нескольких цилиндров может длительное время оставаться без внимания, что приведет к поломке двигателя из-за дисбаласа роторных частей.
Во время работы ДВС из-за коррозии могут появиться трещина на конце осевого центрального электрода, что приводит к возникновению критического повреждения. Срок службы свечи зажигания может снизиться из-за такого дефекта
Свечи электрического воспламенения постоянно совершенствовались [1] … [7]. Наиболее известны свечи- пушки Дудышева В. Д. [2].
Лазерные свечи зажигания разработаны в последние годы, но пока не нашли широкого применения. [8] и [9] в основном из-за их высокой стоимости.
Тем не менее, ожидается, что именно они позволят значительно повысить полноту сгорания топлива в тепловых машинах и уменьшить содержание вредных веществ в выхлопных газах.
Разработанная авторами статьи лазерная свеча зажигания 1 (рис. 1…24) содержит корпус 2 (металлический), изолятор 3, клеммный наконечник 4, к которому присоединен внутренним 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 оптики 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. Оптическое окно 21 и фокусирующая линза 10 образуют оптику заявленного устройства.
При этом лазерная свеча зажигания 1 может быть выполнен в одном из четырех вариантов.
Лазерная свеча зажигания 1 может быть выполнена с возможностью создания коронного разряда внутри форкамеры 12 (фиг. 1 ).
Концентрично шайбе 17 в этом варианте исполнения установлен электрический изолятор 22 (рис. 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 (рис. 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, выполняющей функцию центрального электрода (рис. 5…7).
На рис. 5 приведена шайба с кольцевым остроконечным выступом 34, на фиг. 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 (рис. 8…11).

Выходные отверстия 14 могут быть выполнены радиальными. (рис. 8 и 10). Выходные отверстия 14 могут быть выполнены тангенциально (рис. 9…11). Выходные отверстия 14 могут быть выполнены только на боковой стенке 15 (рис. 8 и 10). По меньшей мере, одно выходное отверстие 14 может быть выполнено на нижней стенке 16 (рис. 9 и 11).
Возможны разные варианты исполнения внешнего кольцевого электрода 24 (рис. 12…15).

Внешнее кольцевое сопло 24 может быть сужающимся 37 (рис. 12) расширяющимся 38 (рис. 13) или в виде сужающееся-расширяющегося сопла 39, т. е. в виде Лаваля (рис. 14). Внутри внешнего кольцевого сопла 24 может быть установлено средство закрутки потока 40 (рис. 15).
Внутри форкамеры 12 может быть установлено внутренне средство закрутки 41 (рис. 16), возможно одновременное применение средства закрутки потока 40 и внутреннего средство закрутки 41 (рис. 17).

На рис. 18 приведен вид С, первый вариант с фаской 42 на входе в выходные отверстия 14, на рис. 19 приведен вид С, второй вариант с фасками 43 на выходе из выходных отверстий 14, на рис. 18 приведен вид С, третий вариант с радиусными скруглениями 44 на входе в выходные отверстия 14, на рис. 19 приведен вид С, четвертый вариант с радиусными скруглениями 45 на выходе их выходных отверстий 14. Фаски 42 и 43 и радиусные скругления 44 и 45 на входе и выходе выходных отверстий 14 снижают гидравлические потери факелов воспламенения при выходе из форкамеры 12, которое наблюдалось при внезапном сужении и внезапном расширении потока.
На рис. 22 и 23 приведен внешний вид двух вариантов лазерной свечи зажигания, а на рис. 24 ее работа в составе ДВС.

Работа устройства
При работе воспламенителя, например в составе ДВС (рис. 1…24), в состав которого входит воспламенитель двигатель запускают стартером (не показано) и одновременно включают выключатель 31 (замок зажигания). После впрыска ТВС (топливовоздушной смеси) ее часть через выходные отверстии 14 попадает в форкамеру 12. В момент опережения зажигания распределитель 27 подает потенциал на блок преобразования напряжения 6, где напряжение снижается до рабочего, 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, выполняющей роль центрального электрода возникает коронный разряд который значительно нагревает топливовоздушную смесь внутри 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.
В случае применения внешнего электрода 24 (рис. 2) коронный разряд возникает вне форкамеры 12.
Применение средства закрутки потока 40 и/или внутреннего средства закрутки 41 позволит закрутить вместе с по потоком коронный разряд.
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 14 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. Кроме того, на этой поверхности можно расположить выходные отверстия 14 под любым углом к оси форкамеры 12. Предпочтительно – радиально. При этом геометрические центры сфер, образующих форкамеру 12 должны совпадать, тогда движение фронта пламени внутри форкамеры 12 будет строго радиальным. Применение фасок 31 и 32 или радиусных скруглений 33 и 34 значительно (на порядок) уменьшит потери давления факелов воспламенения, выходящих их выходных отверстий (из-за отсутствия внезапного расширения и сужения).
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.
В ООО КБ НИТРОН выполнен эскизный проект лазерной свечи.
В итоге применение изобретения позволит:
1. Уменьшить осевые габаритные размеры лазерной свечи зажигания.
2. Уменьшить потребную мощность лазера за счет применения коронного разряда как внутри форкамеры, так и вне ее, также дополнительно за счет закрутки коронного разряда.
3. Упростить конструкцию системы зажигания за счет уменьшения числа деталей при объединении лазерной свечи зажигания и форкамеры.
4. Заменить серийно выпускаемые свечи зажигания без изменения электрической части системы зажигания на лазерные свечи зажигания.
5. Увеличить мощность воспламенителя за счет снижении аэродинамических потерь в выходных отверстиях за счет:
— выполнением выходных отверстий радиальными или тангенциальными,
— выполнением на выходных отверстиях фасок или радиусных скруглений.
6. Улучшить зажигание при запуске непрогретого двигателя, особенно при отрицательных температурах, за счет воспламенении ТВС в малом объеме форкамеры двумя источниками энергии лазерной и коронного разряда.
7. Уменьшить расход топлива за счет его более полного сгорания, обеспеченного более четким воспламенением ТВС в камере сгорания ДВС мощным факелом форкамеры.
8. Снизить эмиссию вредных веществ, вследствие более полного сгорания топлива.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дудышев В. Д. Патент РФ на полезную модель № 147897 Факельная свеча зажигания. Опубл. 20.11.2014 г.
2. Дудышев В. Д. Патент РФ на полезную модель № 138895 Свеча-пушка. Опубл. 27.03.2014 г.
3. Дудышев В. Д. Патент РФ на полезную модель № 138099 Факельная свеча зажигания. Опубл. 27.02.2014 г.
4. Дудышев В. Д. Патент РФ на полезную модель № 127529 Факельная магнитнгая свеча зажигания. Опубл. 27.04.2013 г.
5. Дудышев В. Д. Патент РФ на полезную модель № 127260 Свеча-пушка с закругленным боковым электродом. Опубл. 20.04.2013 г.
6. Дудышев В. Д. Патент РФ на полезную модель № 103240 Электромагнитная свеча зажигания. Опубл. 27.03.2011 г.
7. Дудышев В. Д. Патент РФ на полезную модель № 72354 Магнитоэлектрическая свеча зажигания. Опубл. 10.04.2008 г.
8. Сайт Интернет http://www.membrana.ru/particle/16076 Японцы создали лазерную свечу зажигания.
9. Сайт Интернет http://www.drive.ru/world/5141a5b794a6562e9900001f.html. Вокруг света. В России разработали лазерные свечи зажигания.

Авторы статьи: Академик Дудышев Валерий Дмитриевич

Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович