Команда исследователей из Страны восходящего солнца изобрела первую в мире лазерную систему зажигания для двигателей внутреннего сгорания. Эта лазерная система воспламенения топливной смеси создана для эффективной работы в жёстких тепловых условиях.
Новое устройство поджигает топливо концентрированными световыми импульсами, в отличие от своих предшественниц - искровых свечей. При создании такой свечи инженерам и ученым японского Национального института естественных наук (NINS) пришлось решить множество задач, связанных с мощностью и миниатюрностью лазера.
В разработке, наряду с японскими, участвовали учёные из Румынского национального института лазеров, плазмы и радиационной физики (INFLPR). Из керамического композита путём спекания порошков был построен микролазер, причем для получения нужных свойств пришлось совместить два различных материала: иттрий-алюминий-галлиевый композит, легированный неодимом, и такой же, но с добавкой хрома.
Встроенный в корпус свечи зажигания лазер насчитывает в диаметре всего 9 миллиметров, а в длину — 11 мм. Он способен выдавать длинную серию 800-пикосекундных импульсов. Одна такая вспышка недостаточна для воспламенения, но несколько импульсов подряд уже поставляют в цилиндр двигателя достаточно энергии. При этом концентрация излучения в выходном пучке составляет порядка 100 гигаватт на квадратный сантиметр.
Специалисты NINS построили лазерную свечу с двумя лучами и трёхлучевую, для того, чтобы повысить быстроту и равномерность поджига смеси и испытали её с частотой следования импульсов в 100 Гц - а этого уже достаточно для обычного двигателя.
Изобретатели могут сфокусировать лазерный импульс в центре камеры сгорания, что создаст условия для полного сгорания смеси. С обычной свечой такой эффект практически невозможен, к тому же её электроды мешают симметричному распространению пламени.
Использование таких высокоточных систем позволит осуществить полный контроль над процессами воспламенения и горения топлива, что сделает двигатели внутреннего сгорания более эффективными, экономичными и более экологически безопасными.
Пока что новинку не тестировали на автомобиле - этим команда создателей намерена заняться в будущем. А нынешняя работа получила всеобщее одобрение и признание на конференции по лазерам и электрооптике (CLEO 2011), которая состоялась 1 мая в Балтиморе.
Благодаря работе команды японско-румынских ученых, в ближайшем будущем традиционные электродные свечи зажигания в двигателе вашего автомобиля могут получить оптический "апгрейд" в виде лазерных систем воспламенения топливной смеси.
 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 0,2 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 3 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.
Подсвечник
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.
Корона святого Эльма
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 площади поверхности) 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.
Гиперболоид под капотом
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.
Выстрел в десятку
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.
Изобретение относится к автомобилестроению, а конкретно к системам воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, для его интенсификации лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя. Устройство для осуществления способа содержит лазер (4) с оптическим световодом (5) и с фокусирующей линзой (8). Блок синхронизации (2) связан с усилителем мощности накачки (3) лазера (4) и с датчиком (1) положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза (8) в верхней части через световод (5) соединена с лазером (4), а со стороны цилиндра двигателя (11) имеет упорную втулку (9), к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя (11). Усилитель мощности (3) накачки лазера (4) представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей. Технический результат - упрощение системы зажигания за счет использования одного лазера, повышение надежности зажигания ТВС при высоких давлениях, за счет чего достигается экономическая эффективность и, следовательно, доступность использовании лазерной системы зажигания в ДВС.
 
Изобретение относится к автомобилестроению, а конкретно к системам воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ воспламенения ТВС электрическим разрядом высокого напряжения (12-24 кВ), имеющим температуру около 10300 К между электродами свечи, напряжение на которые подается в результате преобразования постоянного тока в переменный импульсный ток, а затем трансформация его в импульсный ток высокого напряжения. Однако в известном способе не обеспечивается достаточное напряжение во вторичной цепи (после трансформации, особенно при увеличении частоты вращения, степени сжатия и числа цилиндров двигателя); быстро изнашиваются контакты прерывателя, вследствие чего снижается надежность работы и, как следствие, ухудшается экономичность двигателя; кроме того, затруднен пуск двигателя, так как для пуска двигателя напряжение во вторичной цепи должно быть больше, чем на прогретом двигателе.
Известен способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления. Способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления, являющийся наиболее близким к заявленному изобретению и принятый за прототип, заключающийся в том, что горючую смесь нагревают и поджигают энергией двух лазерных источников, при этом первым лазерным источником в горючей смеси создают локальный разогретый участок путем колебательного перемещения фокального пятна колебанием оптической системы, а вторым лазерным источником в момент зажигания горючей смеси подают энергетический импульс в центр разогретого объема горючей смеси. Устройство содержит блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера и собственно с самим лазером, причем блок синхронизации связан с датчиком положения коленчатого вала, а лазер связан с оптико-волоконной связью с фокусирующей линзой. В известном способе невозможно получить колебания оптической системы с частотой, на порядок превышающей обороты двигателя, необходимой для разогрева объема смеси; конструкция сложная и дорогая из-за необходимости использования энергии двух лазеров для зажигания горючей смеси и их синхронизации.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности зажигания ТВС при высоких давлениях, в упрощении системы зажигания, в результате чего достигается экономическая эффективность при использовании лазерной системы зажигания.
Технический результат достигается тем, что в способе воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, включающим нагрев и воспламенение горючей смеси путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, новым является то, что фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, производят на поверхность поршня двигателя.
Положение оптического разряда на поверхности поршня при его движении к верхней мертвой точке регулируют в зависимости от состава горючей смеси и оборотов двигателя путем изменения момента подачи энергетического импульса на лазер.
Энергетический импульс на лазерный источник подают по сигналу датчика на распределительном валу двигателя.
В устройстве для осуществления способа, содержащем лазер, оптический световод, фокусирующую линзу, блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера, новым является то, что блок синхронизации связан с датчиком положения распределительного вала двигателя.
Фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку с защитным окном, отделяющим оптическую систему от продуктов сгорания цилиндра двигателя.
Усилитель мощности представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.
Сущность способа заключается в следующем. Воспламенение ТВС в ДВС достигается с помощью лазерного оптического разряда, который получают в результате фокусировки энергии лазера в очень маленьком объеме среды (точке), в которой происходит концентрация энергии лазера, причем чем меньше объем (точка) концентрации энергии, тем выше температура плазмы в ядре оптического разряда. Плазма в ядре оптического разряда зависит от энергии выхода электронов в среде оптического разряда, поэтому для интенсификации оптического разряда лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя.
Оптический разряд, реализуемый на поршне ДВС, вызывает воспламенение ТВС, момент воспламенения которого зависит от состава ТВС и оборотов двигателя, для чего регулируют время опережения зажигания путем изменения момента подачи энергетического импульса на лазер.
На фиг.1 представлена общая схема способа воспламенения ТВС в двигателе внутреннего сгорания на основе оптического разряда.
На фиг.2 представлена оптическая схема системы воспламенения, где 1 - датчик положения распределительного вала; 2 - блок синхронизации; 3 - усилитель мощности накачки лазера; 4 - лазер; 5 - световод; 6 - поршень двигателя; 7 - окно; 8 - фокусирующая линза; 9 - втулка; 10 - корпус воспламенителя; 11 - цилиндр двигателя.
Устройство для осуществления способа содержит лазер 4 с оптическим световодом 5 и с фокусирующей линзой 8. Блок синхронизации 2 связан с усилителем мощности накачки 3 лазера 4 и с датчиком 1 положения распределительного вала двигателя. Фокусирующая линза 8 в верхней части через световод 5 соединена с лазером 4, а со стороны цилиндра двигателя 11 имеет упорную втулку 9, к которой прикреплено окно из кварцевого стекла, отделяющее оптическую систему от продуктов сгорания в цилиндре двигателя 11.
Усилитель мощности 3 накачки лазера 4 представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей.
Способ лазерного воспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания реализуется следующим образом.
Сигнал от датчика 1 положения распределительного вала двигателя и блока синхронизации 2 и поступает в усилитель мощности накачки 3 и подается на лазер 4. Луч лазера проходит через световод 5 и с помощью линзы 8 фокусируется в фокальное пятно для получения оптического разряда на поверхности поршня 6. Фокусировка луча лазера 4 на металлическую поверхность поршня 6 активизирует процесс достижения оптического разряда воспламеняющего горючую смесь. Расположение оптического разряда на поверхности поршня регулируется в зависимости от состава горючей смеси и оборотов двигателя путем изменения времени опережения момента зажигания, подаваемого на лазер 4. Фокусирующая линза 8 расположена в корпусе воспламенителя 10 и фиксируется втулкой 9. Луч лазера проходит через кварцевое стекло (окно) 7 и фокусируется в районе поверхности поршня. Окно 7 из кварцевого стекла необходимо для защиты линзы от возможного нагара.
Таким образом, предлагаемое изобретение за счет интенсификации лазерного воспламенения ТВС на металлической поверхности поршня двигателя позволяет упростить систему зажигания, за счет использования одного лазера, повысить надежность зажигания ТВС при высоких давлениях, за счет чего достигается экономическая эффективность и, следовательно, доступность использовании лазерной системы зажигания в ДВС.
1. Способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, включающий нагрев и воспламенение горючей смеси, путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, отличающийся тем, что фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, производят на поверхность поршня двигателя.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что положение оптического разряда на поверхности поршня при его движении к верхней мертвой точке регулируют в зависимости от состава горючей смеси и оборотов двигателя путем изменения момента подачи энергетического импульса на лазер.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергетический импульс на лазерный источник подают по сигналу датчика на распределительном вале двигателя.
4. Устройство для осуществления способа, содержащее лазер, оптический световод, фокусирующую линзу, блок синхронизации, связанный с усилителем мощности накачки лазера, отличающееся тем, что блок синхронизации связан с датчиком положения распределительного вала двигателя.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку с защитным окном, отделяющим оптическую систему от продуктов сгорания цилиндра двигателя.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что усилитель мощности представляет собой пакет конденсаторов, связанный с аккумуляторной батареей. |
