Повышение эффективности лазерной системы зажигания



Повышение эффективности лазерной системы зажигания
Повышение эффективности лазерной системы зажигания
Повышение эффективности лазерной системы зажигания
Повышение эффективности лазерной системы зажигания
Повышение эффективности лазерной системы зажигания
Повышение эффективности лазерной системы зажигания

 


Владельцы патента RU 2566665:

Форд Глобал Технолоджис, ЛЛК (US)

Изобретение относится к системам зажигания двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - повышение надежности воспламенения топливной смеси. Для этого предложен способ для лазерной системы зажигания для работы по меньшей мере в двух режимах, основанных на четырехтактном цикле горения, в котором световую энергию лазера создают для зажигания топливной смеси для горения и могут дополнительно использовать для нагревания стенок цилиндров, например при холодном запуске, в моменты, иные, нежели те, когда лазер зажигает топливную смесь для горения. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к лазерным системам зажигания и повышению их эффективности.

Уровень техники

В транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания лазерная система в двигателе может использоваться различным образом.

Например, в документе US7532971B2 описывается система, содержащая устройство управления двигателем, предназначенное для управления установкой момента предварительного впрыска, основанного на увеличении теплообразования и количестве подачи топлива с тем, чтобы повысить скорость горения. Кроме того, описывается устройство зажигания, принцип действия которого основан на использовании электрического нагревателя (запальной свечи) или электромагнитного действия, такого как электромагнитное действие лазера, для локального смещения уровня энергии в атмосферу внутри цилиндра к более высокой стороне, чтобы тем самым способствовать зажиганию.

Авторы настоящего изобретения выявили различные проблемы, связанные с вышеописанной системой. В частности, подъем уровня энергии атмосферы внутри цилиндра может привести к зажиганию, более раннему, чем требуется, при некоторых условиях, когда создается слишком много энергии. Подобным образом, обеспечение слишком малого количества энергии может оказаться недостаточным для получения надежного воспламенения от сжатия.

Раскрытие изобретения

В свете вышеизложенного, одним из подходов к решению вышеупомянутых проблем является фокусирование энергии лазера в разные места в цилиндре. Изменением места фокуса для разных действий - одно место для зажигания и второе (отличающееся) для нагревания (например, периферической стенки цилиндра), например - можно получить надежное зажигание и в то же время добиться более быстрого прогрева двигателя и, таким образом, меньшего трения. Кроме того, действие лазера в первом месте может осуществляться при разной синхронизации цикла горения. При этом стенка цилиндра горения может одновременно нагреваться без помех установке зажигания.

Следует понимать, что приведенное выше краткое описание преследует цель представить в упрощенном виде выбор концепций, дополнительно описываемых в подробном описании изобретения. Оно не преследует цель определить основные или существенные отличительные признаки заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, следующей после подробного описания. Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничивается вариантами осуществления, устраняющими любые недостатки, отмеченные выше или в любой части настоящего описания.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой принципиальную схему двигателя внутреннего сгорания.

Фиг.2 представляет собой схематический чертеж примерного поршня.

Фиг.3А представляет собой график, иллюстрирующий режим без нагрева.

Фиг.3Б представляет собой график, иллюстрирующий режим раннего нагревания.

Фиг.3 В представляет собой график, иллюстрирующий режим позднего нагревания.

Фиг.4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ управления лазерным зажиганием.

Осуществление изобретения

Последующее описание относится к способу для лазерной системы зажигания, в которой как для зажигания топливной смеси, так и для более быстрого нагрева цилиндра, чтобы уменьшить трение, преимущественно используется лазер. Потери на трение, связанные с холодными стенками цилиндров, например при холодном запуске, вызывают снижение эффективности сгорания и, следовательно, увеличение расхода топлива. В соответствии с предлагаемым способом лазер фокусируется в разные положения в цилиндре и, кроме того, лазер фокусируется на разных тактах или в разные моменты цикла горения. Лазер используется как источник зажигания на рабочем такте, но при этом лазер дополнительно действует для нагрева стенок цилиндров, например до сгорания топливной смеси (на такте впуска) и (или) после сгорания (на такте выпуска). Для того чтобы менять фокус лазера, могут использоваться различные подходы. Например, лазер может переставляться, чтобы направленность точечного источника лазера менялась для доступа в разные области цилиндра. Как еще один пример, лазерный луч может направляться в разные места в цилиндре с помощью одного или нескольких отражателей. Кроме того, устройство возбуждения лазера может изменять определяющие лазер характеристики, такие как длительность, частота, период и величина энергии лазера, в зависимости от такта цикла горения и (или) эксплуатационного состояния транспортного средства.

Примерный двигатель внутреннего сгорания показан на фиг.1. На фиг.2 показан примерный поршень двигателя, например для варианта осуществления, в котором положение лазера меняется посредством перемещения отражающей области. Фиг.3А-В показывают различные режимы работы лазера, и фиг.4 описывает различные способы управления работой системы, включающей лазерное зажигание и лазерный нагрев.

Если обратиться конкретно к фиг.1, на ней приведена принципиальная схема, показывающая один цилиндр многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания 10. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере, частично, системой управления, содержащей контроллер 12, и входным сигналом от водителя 132 транспортного средства через устройство ввода 130. В этом примере устройство ввода 130 содержит педаль акселератора и датчик положения педали 134, предназначенный для создания пропорционального сигнала положения педали ПП.

Цилиндр сгорания 30 двигателя 10 может содержать стенки 32 цилиндра сгорания с расположенным в них поршнем 36. Поршень 36 может соединяться с коленчатым валом 40 таким образом, что возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может соединяться по меньшей мере с одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему силовой передачи (трансмиссии). Кроме того, к коленчатому валу 40 через маховик может подключаться стартер, предназначенный для запуска работы двигателя 10.

Цилиндр сгорания 30 может получать всасываемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и может выпускать отработавшие газы через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут избирательно сообщаться с цилиндром сгорания 30 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления цилиндр сгорания 30 может содержать два или более впускных клапанов и (или) два или более выпускных клапанов.

В этом примере впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 могут управляться путем приведения в действия кулачка посредством соответствующих кулачковых приводных систем 51 и 53. Каждая из кулачковых приводных систем 51 и 53 может содержать один или несколько кулачков и может использовать одну или несколько из следующих систем:

система переключения профиля кулачков (CPS), системы регулируемых фаз газораспределения (типов VCT и VVT) и (или) система регулируемого подъема клапанов (типа VVL), которые могут управляться контроллером 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может определяться датчиками положения 55 и 57 соответственно. В альтернативных вариантах осуществления впускной клапан 52 и (или) выпускной клапан 54 могут управляться электрическим клапанным приводом. Например, цилиндр 30 может альтернативно содержать впускной клапан, управляемый электрическим клапанным приводом, и выпускной клапан, управляемый кулачковым приводом, включая системы CPS и (или) типа УСТ.

Топливная форсунка 66 показана введенной непосредственно в цилиндр сгорания 30 для впрыска топлива непосредственно в него пропорционально ширине импульса сигнала FPW, полученного из контроллера 12 через электронный драйвер 68. Таким путем топливная форсунка 66 осуществляет то, что известно как непосредственный впрыск топлива в цилиндр сгорания 30. Топливная форсунка может устанавливаться сбоку цилиндра сгорания или наверху цилиндра сгорания, например. Топливо в топливную форсунку 66 может подаваться системой подачи топлива (не показана), включающей топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель для топлива. В некоторых вариантах осуществления цилиндр сгорания 30 может альтернативно или дополнительно включать топливную форсунку, расположенную во впускном канале 42 и имеющую конструктивное исполнение, осуществляющее так называемый впрыск во впускной канал топлива, при этом впускной канал расположен перед цилиндром сгорания 30.

Впускной канал 42 может содержать клапан управления движением заряда (CMCV) 74 и заслонку 72 CMCV и может также содержать дроссель 62, имеющий дроссельную заслонку 64. В этом конкретном примере положение дроссельной заслонки 64 может меняться контроллером 12 посредством сигнала, выданного электрическому двигателю или исполнительному механизму, предусмотренному с дросселем 62 - конструктивное исполнение, которое может называться электронным управлением дросселем (ETC). Таким образом, дроссель 62 может управляться для изменения всасываемого воздуха, подаваемого в цилиндр сгорания 30 среди других цилиндров сгорания двигателя. Впускной канал 42 может содержать датчик массового расхода воздуха 120 и датчик давления воздуха 122 во впускном коллекторе, предназначенный для подачи соответствующих сигналов MAF и MAP в контроллер 12.

Датчик отработавших газов 126 показан подключенным к выпускному каналу 48 до каталитического нейтрализатора отработавших газов 70. Датчиком 126 может быть любой подходящий датчик для указания отношения количества воздуха к количеству топлива отработавших газов, такой как линейный кислородный датчик или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), датчик кислорода в отработавших газах двух состояний или EGO, HEGO (нагреваемый EGO), датчик NOx, датчик НС или датчик СО. Система выпуска отработавших газов может содержать пусковые каталитические нейтрализаторы отработавших газов и подкорпусные каталитические нейтрализаторы отработавших газов, а также выпускной коллектор, датчики отношения количества воздуха к количеству топлива, расположенные выше и (или) ниже по потоку. В одном примере каталитический нейтрализатор отработавших газов 70 может содержать несколько блоков нейтрализатора. Еще в одном примере могут использоваться несколько устройств снижения токсичности отработавших газов, каждое с несколькими блоками. В одном примере каталитический нейтрализатор отработавших газов 70 может быть трехкомпонентным нейтрализатором.

Контроллер 12 показан на фиг.1 как микрокомпьютер, содержащий микропроцессор 102, порты ввода/вывода 104, электронную запоминающую среду для выполняемых программ и значений калибровки, показанную в этом конкретном примере как чип постоянного запоминающего устройства 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство 110 и шину данных. В дополнение к сигналам, рассмотренным ранее, контроллер 12 может получать различные сигналы и информацию от датчиков, подключенных к двигателю 10, включая измерение массового расхода всасываемого воздуха (MAF) от датчика массового расхода воздуха 120; температуры охлаждающей жидкости двигателя (ETC) от датчика температуры 112, подключенного к рукаву охлаждения 114; сигнал датчика положения коленчатого вала (PIP) от датчика на эффекте Холла 118 (или иного типа), подключенного к коленчатому валу 40; положение дроссельной заслонки (ТР) от датчика положения дроссельной заслонки и сигнал абсолютного давления во впускном коллекторе (MAP) от датчика 122. Постоянное запоминающее устройство 106 запоминающей среды может программироваться считываемыми компьютером данными, представляющими собой команды, выполняемые процессором 102, для выполнения описанных ниже способов, а также их вариантов. Рукав охлаждения двигателя 114 подсоединен к системе обогрева кабины 9.

Лазерная система зажигания 92 содержит устройство возбуждения 88 лазера и устройство управления лазером (LCU) 90. LCU 90 обеспечивает создание устройством возбуждения 88 лазера энергии для лазера. LCU 90 может получать рабочие команды от контроллера 12. Устройство возбуждения 88 лазера содержит колебательную часть 86 лазера и светособирающую часть 84 лазера. Светособирающая часть 84 лазера собирает свет лазера, создаваемый колебательной частью 86 лазера, в фокусной точке 82 лазера внутри цилиндра сгорания 30.

Лазерная система зажигания 92 конструктивно исполнена так, чтобы действовать более чем в одном качестве, с установкой момента каждой операции, исходя из положения двигателя в четырехтактовом цикле горения. Например, энергия лазера может использоваться для зажигания топливной смеси на рабочем такте двигателя, в том числе при проворачивании коленчатого вала двигателя, при прогревании двигателя и при работе прогретого двигателя. Топливо, впрыскиваемое топливной форсункой 66, может образовывать топливную смесь в течение, по меньшей мере, части такта впуска, где зажигание топливной смеси энергией лазера, создаваемой устройством возбуждения 88 лазера, вызывает горение в ином случае негорючей топливной смеси и приводит поршень 36 вниз.

LCU 90 может давать команду устройству возбуждения 88 лазера фокусировать энергию лазера на разные места в зависимости от условий работы. Например, энергия лазера может фокусироваться в первом месте в стороне от стенки 32 цилиндра во внутренней области цилиндра 30 для зажигания топливной смеси. В одном варианте осуществления это первое место может находиться возле верхней мертвой точки рабочего такта. Кроме того, LCU 90 может давать команду устройству возбуждения 88 лазера создать первые несколько лазерных импульсов, направленных в первое место, и первое горение из состояния покоя может получать энергию лазера от устройства возбуждения 88 лазера, большую энергии лазера, подаваемой в первое место для более поздних горений.

В дополнение к использованию энергии лазера для зажигания топливной смеси, энергия лазера может использоваться в другом качестве - для нагрева. Использование лазерной системы зажигания 92 для нагрева может происходить избирательно и может осуществляться в ответ на температуру, например температуру охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ). В одном примере LCU 90 может давать команду устройству возбуждения 88 лазера создать вторые несколько лазерных импульсов, больших, чем первые несколько лазерных импульсов, во второе место, отличающееся от первого места. Этим вторым местом может быть стенка 32 цилиндра, и энергия лазера может фокусироваться во втором месте на такте выпуска четырехтактного цикла горения. Как еще один пример, энергия лазера может фокусироваться во втором месте на такте впуска.

Контроллер 12 управляет LCU 90 и имеет не изменяемую считываемую компьютером запоминающую среду, содержащую машинную программу, для настройки места доставки энергии лазера в зависимости от температуры, например ЕСТ. Энергия лазера может направляться в другие места в цилиндре 30. Контроллер 12 может содержать и дополнительные или альтернативный датчики для определения режима работы двигателя 10, включая дополнительные датчики температуры, датчики давления, датчики крутящего момента, а также датчики, которые обнаруживают частоту вращения двигателя, количество воздуха и количество впрыска топлива. Дополнительно или альтернативно, LCU 90 может непосредственно сообщаться с различными датчиками, такими как датчики температуры для измерения ЕСТ, для определения режима работы двигателя 10.

Как описано выше, на фиг.1 показан лишь один цилиндр многоцилиндрового двигателя, и каждый цилиндр может точно так же содержать собственную группу впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, лазерную систему зажигания и т.д.

Фиг.2 иллюстрирует пример поршня 36, который может использоваться в двигателе 10. Поршень на фиг.2 содержит подвижную отражающую область 202, в данном случае показанную расположенной на верхней поверхности поршня 36. Подвижная отражающая область 202 может иметь самые разные подходящие размеры или формы, которые могут принять поршень 36 и цилиндр 30. Кроме того, поршень 36 может быть связан более чем с одной подвижной отражающей областью 202. Для того чтобы обеспечить большее распределение световой энергии лазера по всему цилиндру сгорания 30, одна или несколько отражающих областей 202 могут помогать лазерной системе зажигания 92 в подогреве стенки 32 цилиндра путем перенаправления световой энергии лазера в несколько различных мест цилиндра. Динамический характер одной или нескольких отражающих областей 202 в некоторых случаях (например, при нагреве) позволяет использовать эти отражающие области 202 и делает их недоступными в других случаях (например, во время горения, или когда нагрев уже не является преимущественным), хотя в еще одном варианте осуществления одна или несколько отражающих областей 202 могут быть статическими, но при этом все же не мешающими устройству возбуждения 88 лазера фокусировать энергию лазера в первом месте для зажигания топливной смеси. Одна или несколько отражающих областей 202 могут располагаться в других местах внутри цилиндра сгорания 30, чтобы помогать в перенаправлении световой энергии лазера и, таким образом, способствовать большему распределению световой энергии лазера в цилиндре сгорания 30. Альтернативно, в еще одном варианте осуществления устройство возбуждения 88 лазера может создавать несколько лазерных импульсов без помощи отражающих областей 202, присутствующих в цилиндре сгорания 30.

Фиг.3 иллюстрирует три разных режима работы лазерной системы зажигания 92; хотя следует понимать, что с лазерной системой зажигания 92 могут быть связаны и дополнительные режимы работы. Возвращаясь к фиг.1, каждый цилиндр 30 в многоцилиндровом двигателе 10 работает с четырехтактным циклом горения. После первого горения или зажигания двигателя 10 начинается четырехтактный цикл горения с такта впуска, на котором происходит впрыск топливной смеси в течение, по меньшей мере, части такта впуска. Следующим тактом является такт сжатия, на котором поршень 36 сжимает топливную смесь, за которой в свою очередь следует такт расширения или рабочий такт. Во время рабочего такта поршень 36 доходит до верхней мертвой точки, и топливная смесь зажигается несколькими лазерными импульсами, созданными устройством возбуждения 88 лазера. Горение топливной смеси приводит поршень 36 вниз. Четвертым и последним компонентом четырехтактного цикла горения является такт выпуска, на котором содержимое цилиндра сгорания выходит через один или несколько выпускных клапанов 54 в каталитический нейтрализатор отработавших газов 70, после которого выходит через выхлопную трубу.

Фиг.3 иллюстрирует три разных примерных режима лазерной системы зажигания 92, показывая частоту лазерных импульсов, созданных устройством возбуждения 88 лазера, относительно цикла горения, который начинается запуском двигателя. Запуск двигателя на фиг.ЗА-В включает первое горение или зажигание (IG) при проворачивании коленчатого вала двигателя, за которым следует нарастание частоты вращения двигателя. При проворачивании коленчатого вала двигателя частота вращения двигателя 10 достигает 50 мин-1, после чего следует первое горение IG, например. Во время первого горения IG устройство возбуждения 88 лазера создает несколько лазерных импульсов с более высоким уровнем энергии относительно более поздних горений. После первого горения IG двигатель 10 может иметь одно или несколько горений перед тем, как «успокоиться» до холостого хода. Ниже приводится подробное рассмотрение каждого примерного режима.

Фиг.3А - это пример лазерной системы зажигания 92, работающей в режиме без нагревания. Когда устройство возбуждения 88 лазера получает команду от LCU 90 создать первые несколько лазерных импульсов в режиме без нагревания, устройство возбуждения 88 лазера фокусирует световую энергию лазера в первом месте, чтобы начать горение в первой части цикла горения, например возле верхней мертвой точки рабочего такта (Р), а на тактах всасывания (I), сжатия (С) и выпуска (Е) устройство возбуждения 88 лазера остается бездействующим. Устройство возбуждения 88 лазера создает первые несколько лазерных импульсов на рабочем такте Р с уровнем энергии ниже, чем для первого горения IG. Цикл горения продолжается в таком порядке: такт впуска I, такт сжатия С, рабочий такт Р и такт выпуска Е, после чего снова начинается такт впуска I, и все это время устройство возбуждения 88 лазера создает первые несколько лазерных импульсов на рабочем такте Р для горения. Уровень энергии первых нескольких лазерных импульсов может варьировать от одного рабочего такта Р к другому рабочему такту Р в зависимости от частоты вращения двигателя и отношения количества воздуха к количеству топлива, задаваемых контроллером 12. Например, более бедная топливная смесь может работать с более высоким уровнем энергии лазера, чем менее бедная или более богатая топливная смесь, чтобы эффективнее сжигать бедную топливную смесь, и более низкие частоты вращения двигателя могут быть связаны с бедной смесью воздуха и топлива, и поэтому тоже могут выигрывать от более высокого уровня энергии лазера, чем более высокие частоты вращения двигателя, для улучшения горения.

Фиг.3Б - это пример лазерной системы зажигания 92, работающей в первом режиме или режиме раннего нагревания. Подобно режиму без нагревания, описанному со ссылкой на фиг.3А, в режиме раннего нагревания устройство возбуждения 88 лазера создает первые несколько лазерных импульсов в первой части цикла горения, такой как рабочий такт Р, для зажигания топливной смеси для горения. Некоторые условия двигателя могут позволить устройству возбуждения 88 лазера создать вторые несколько лазерных импульсов, большие, чем первые несколько, в более ранней части цикла горения, такой как на такте впуска I. Например, в условиях холодного запуска. Когда устройство возбуждения 88 лазера получает команду от LCU 90 работать в режиме раннего нагревания, устройство возбуждения 88 лазера фокусирует первые несколько лазерных импульсов в первом месте у верхней мертвой точки рабочего такта (Р), и устройство возбуждения 88 лазера фокусирует вторые несколько лазерных импульсов, большие, чем первые несколько лазерных импульсов, во втором месте, отличном от первого места, при этом вторым местом может быть стенка 32 цилиндра на такте впуска I. Цикл горения продолжается в таком порядке: такт впуска I, такт сжатия С, рабочий такт Р и такт выпуска Е, после чего снова начинается такт впуска I, и все это время устройство возбуждения 88 лазера создает вторые несколько лазерных импульсов на такте впуска I для нагревания и первые несколько лазерных импульсов на рабочем такте Р для горения. Уровень энергии вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на такте впуска I, ниже относительно уровня энергии первых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на рабочем такте Р, причем конкретный уровень энергии вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на такте впуска I, зависит от температуры каталитического нейтрализатора. Например, более высокий уровень энергии лазера на такте впуска I обычно соответствует более низкой температуре каталитического нейтрализатора отработавших газов 70 (например, ниже рабочей температуры), в отличие от более высокой температуры каталитического нейтрализатора отработавших газов 70, которая обычно соответствует более низкому уровню энергии лазера на такте впуска I. Кроме того, длительность вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на такте впуска I, может варьировать при изменении температуры двигателя и (или) частоты вращения двигателя. Например, длительность вторых нескольких лазерных импульсов на такте впуска I может быть большей, если температура двигателя ниже порога или если частота вращения двигателя ниже порога. Подобным образом, длительность вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на такте впуска I, может быть меньшей, если выше температура двигателя или если выше частота вращения двигателя.

Фиг.3 В - это пример лазерной системы зажигания 92, работающей во втором режиме или режиме позднего нагревания. Подобно режиму без нагревания, описанному со ссылкой на фиг.3А, и первому режиму или режиму раннего нагревания, описанному со ссылкой на фиг.3Б, в режиме раннего нагревания устройство возбуждения 88 лазера создает первые несколько лазерных импульсов в первой части цикла горения, такой как рабочий такт Р, для зажигания топливной смеси для горения. Некоторые условия двигателя могут позволить устройству возбуждения 88 лазера создать вторые несколько лазерных импульсов в более поздней части цикла горения, такой как на такте выпуска Е. Например, в условиях холодного запуска, в которых создание вторых нескольких лазерных импульсов на такте впуска I не достаточно для своевременного прогрева двигателя, может произойти создание вторых нескольких лазерных импульсов на такте выпуска Е. Поскольку топливная смесь впрыскивается в цилиндр сгорания 30 на такте впуска I через топливную форсунку 66, есть конечный уровень световой энергии лазера, которую можно использовать так, чтобы избежать раннего сгорания топливной смеси, которое может привести к работе двигателя с детонацией и (или) преждевременному зажиганию. Поэтому может оказаться преимущественным при выбранных условиях двигателя (например, условия более теплого окружения) использовать лазерную систему зажигания 92 для подогрева стенки 32 цилиндра на такте выпуска Е, когда можно достичь более высокой световой энергии лазера. Когда устройство возбуждения 88 лазера получает команду от LCU 90 работать в режиме позднего нагревания, устройство возбуждения 88 лазера фокусирует первые несколько лазерных импульсов в первом месте у верхней мертвой точки рабочего такта (Р), и устройство возбуждения 88 лазера фокусирует вторые несколько лазерных импульсов, большие, чем первые несколько, во втором месте, отличном от первого места, при этом вторым местом может быть стенка 32 цилиндра на такте выпуска Е. Кроме того, вторые несколько лазерных импульсов, создаваемые в режиме позднего нагревания, больше вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых в режиме раннего нагревания. Цикл горения продолжается в таком порядке: такт впуска I, такт сжатия С, рабочий такт Р и такт выпуска Е, после чего снова начинается такт впуска I, и все это время устройство возбуждения 88 лазера создает первые несколько лазерных импульсов на рабочем такте Р для горения и создает вторые несколько лазерных импульсов на такте выпуска Е для нагревания. Уровень энергии вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на такте выпуска Е, ниже относительно уровня энергии первых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на рабочем такте Р, причем конкретный уровень энергии вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на такте выпуска Е, зависит от температуры каталитического нейтрализатора 70, подобно условиям, описанным выше для первого режима или режима раннего нагревания. Кроме того, длительность вторых нескольких лазерных импульсов, создаваемых на такте выпуска Е, может варьировать при изменении температуры двигателя и (или) частоты вращения двигателя, как также описано выше для первого режима или режима раннего нагревания.

Понятно, что лазерная система зажигания 92 может работать и в дополнительных режимах с меняющимися сочетаниями использования световой энергии лазера для горения и нагревания с меняющимися частотами, длительностями и величинами световой энергии лазера на разных тактах четырехтактного цикла горения. Например, состояние холодного запуска может выиграть от создания световых импульсов лазера до первого горения IG после состояния покоя для подогрева стенки 32 цилиндра. Например, лазерный нагрев может осуществляться в состоянии покоя двигателя до команды запуска двигателя. Кроме того, условия двигателя могут выиграть от создания устройством возбуждения 88 лазера лазерных импульсов как на такте впуска I, так и на такте выпуска Е для нагревания в дополнение к рабочему такту Р для горения. Дополнительные примеры работы лазерной системы зажигания рассмотрены далее со ссылками на фиг.4.

На фиг.4 приведена блок-схема, иллюстрирующая способ 400; причем примерное конструктивное исполнение LCU 90 реагирует на рабочее состояние двигателя внутреннего сгорания 10, такое как холодный запуск, и диктует один или несколько режимов нагревания, командуя устройству возбуждения 88 лазера создать несколько лазерных импульсов в соответствии с конкретным режимом нагревания.

Как показано на фиг.4 (и со ссылками на фиг.1), по способу 400 вначале на стадии 410 определяют, происходит ли операция запуска двигателя. Операция запуска двигателя может включать операцию проворачивания коленчатого вала двигателя и набирание оборотов двигателя. Если ответом на стадии 410 является «НЕТ», в способе 400 переходят к стадии 412, на которой выполняют лазерный нагрев стенок 32 цилиндра, например, при выбранных условиях, таких как перед событием первого горения из состояния покоя, когда предстоит запуск двигателя. О предстоящем запуске двигателя может сигнализировать контроллер пуска-останова двигателя, который автоматически запускает двигатель в ответ на отпускание водителем тормозной педали, например. Лазерный нагрев может включать фокусирование лазера на место, такое как стенка 32 цилиндра, и устройство возбуждения 88 лазера может создать несколько лазерных импульсов, направленных на стенку 32 цилиндра. После стадии 412 способ 400 продолжают до конца и повторяют.

Если ответом на стадии 410 является «ДА», в способе 400 переходят к стадии 414, на которой определяют, не ниже ли температура охлаждающей жидкости двигателя ETC порога, причем порогом могут устанавливать окружающую температуру, но могут устанавливать и конкретную температуру, 100°F. Если ответом на стадии 414 является «НЕТ», способ 400 продолжают до стадии 416, на которой осуществляют горение без режима лазерного нагрева до или после горения. После стадии 416 способ продолжают до стадии 418, на которой цилиндры получают лазерные импульсы на рабочем такте для горения. Например, на стадии 418 устройством возбуждения 88 лазера могут создавать первые несколько лазерных импульсов, направленных в первое место (такое, как место в камере сгорания в стороне от стенок) в требуемый момент зажигания, такой как у верхней мертвой точки рабочего такта, чтобы зажечь топливную смесь для горения. После стадии 418 способ 400 продолжают до конца и повторяют.

Если ответом на стадии 414 является «ДА», то способ 400 продолжают до стадии 420, на которой определяют момент лазерного нагрева, такой как ранний в цикле горения, поздний в цикле горения или их сочетание. Момент нагрева может основываться на различных факторах, таких как частота вращения двигателя, отношение количества воздуха к количеству топлива двигателя, температура охлаждающей жидкости двигателя и др. Например, при более низких оборотах двигателя устройство возбуждения 88 лазера может создавать лазерные импульсы как на раннем, так и на позднем тактах цикла горения для нагревания, в отличие от более высоких оборотов двигателя, при которых устройство возбуждения 88 лазера может создавать лазерные импульсы на позднем такте для нагревания без создания лазерных импульсов на раннем такте, причем ранним тактом может быть такт впуска, а поздним тактом может быть такт выпуска. Кроме того, некоторые условия двигателя могут обуславливать создание устройством возбуждения 88 лазера лазерных импульсов на раннем такте для нагревания без создания лазерных импульсов на позднем такте для нагревания. Посредством контроллера 12 определяют, какие цилиндры в многоцилиндровом двигателе 10 будут получать лазерные импульсы для нагревания, на основании, например, температуры каждого цилиндра 30. Лазерный нагрев на раннем такте или позднем такте может включать фокусирование лазерных импульсов во втором месте, отличном от первого места, и устройство возбуждения 88 лазера может создавать вторые несколько лазерных импульсов, больших, чем первые несколько, направленные во второе место. LCU 90 сообщается с каждым устройством возбуждения 88 лазера каждого цилиндра 30 отдельно, чтобы обеспечить два или более режимов лазерного нагрева с разной синхронизацией одновременно в разных цилиндрах сгорания.

Например, в данный момент некоторые цилиндры могут получать тепло лазера на такте впуска, а другие цилиндры могут получать тепло лазера на такте выпуска. Кроме того, в данный момент некоторые цилиндры могут получать тепло лазера, а другие цилиндры могут не получать тепло лазера. В одном примере контроллер 12 может определить, что четыре концевых цилиндра в восьмицилиндровом двигателе с V-образным расположением цилиндров будут получать лазерные импульсы для нагревания, а остальные внутренние цилиндры не будут получать лазерные импульсы для нагревания. После того как фазирование тепла лазера определено, способ 400 продолжают до стадии 422, на которой соответственно выполняют фазирование тепла лазера в цилиндрах, выбранных для получения тепла лазера, когда опять-таки некоторые цилиндры могут выбираться для неполучения тепла лазера.

После стадии 422 способ 400 продолжают до стадии 424, на которой цилиндры получают лазерные импульсы на рабочем такте для горения.

Например, на стадии 424 устройством возбуждения 88 лазера могут создавать первые несколько лазерных импульсов, направленных в первое место (такое как место в камере сгорания в стороне от стенок) в требуемый момент зажигания, такой как у верхней мертвой точки рабочего такта, чтобы зажечь топливную смесь для горения. После стадии 424 способ 400 продолжают до конца и повторяют.

Понятно, что контроллером 12 могут дать команду LCU 90 работать дополнительными или альтернативными способами и могут основывать эти команды на дополнительных или альтернативных датчиках. Например, контроллер 12 может использовать показания дополнительных датчиков температуры, датчиков давления, датчиков крутящего момента, а также датчиков частоты вращения двигателя и состава топливной смеси в каждом цилиндре 30. Фиг.4 представлена в качестве одного примера того, как LCU 90 может отвечать контроллеру 12 и выполнять полученные команды для использования лазерной системы зажигания 92 для нагревания и (или) горения. В других примерах количество энергии лазера и (или) количество импульсов для лазерного нагрева стенки цилиндра могут варьировать в зависимости от выбора режима нагревания - раннего или позднего, описанных в настоящем документе.

Выше приведено описание способов для лазерной системы зажигания, в которых лазер может преимущественно использоваться как для зажигания топливной смеси, так и для нагревания цилиндра. Путем уменьшения потерь на трение, связанных с холодными стенками цилиндров, например при холодном запуске, повышается эффективность сгорания и, соответственно, снижается расход топлива. Хотя, в общем, предлагаемый способ применим к любому транспортному средству, он обладает дополнительными преимуществами в случае двигателей, которые не работают на холостом ходу в начале процедур холодного запуска, как в случае гибридных автомобилей.

Понятно, что конструктивные исполнения, конфигурации и программы, раскрытые в настоящем описании, являются примерными по характеру, и что эти конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, поскольку возможны многочисленные изменения и модификации. Например, вышеописанная технология может быть применимой к 6-цилиндровым двигателям с V-образным расположением цилиндров, рядным 4-цилиндровым двигателям, рядным 6-цилиндровым двигателям, 12-цилиндровым двигателям с V-образным расположением цилиндров, оппозитным 4-цилиндровым двигателям и другим типам двигателей. Предмет настоящего изобретения включает все новые и неочевидные комбинации и субкомбинации различных систем и конструктивных исполнений и иных признаков, функций и (или) свойств, раскрытых в настоящем описании.

В последующей формуле изобретения особо отмечаются некоторые комбинации и субкомбинации, считающиеся новыми и неочевидными. В пунктах формулы могут указываться «элемент» или «первый» элемент или их эквивалент. Эти пункты должны рассматриваться как включающие один или несколько этих элементов, не требуя, равно как не исключая двух или более этих компонентов. Другие комбинации и субкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и (или) свойств могут заявляться путем изменения нынешней формулы изобретения или путем представления новых пунктов формулы в этой или родственной заявке. Эти пункты, будь то шире, уже, равные или отличающиеся по объему от первоначальных пунктов формулы, также считаются включенным в предмет настоящего изобретения.

1. Способ лазерного зажигания в цилиндре двигателя, включающий следующие стадии:
стадию, на которой зажигают топливную смесь в цилиндре посредством фокусирования лазера в первое место в цилиндре; и
стадию, на которой цилиндр нагревают энергией лазера посредством фокусирования лазера во второе место в цилиндре, отличное от первого места в цилиндре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго места выбирают стенку цилиндра.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве первого места выбирают место в стороне от стенки цилиндра во внутренней области цилиндра.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадия, на которой зажигают топливную смесь, включает стадию, на которой начинают горение иначе негорючей топливной смеси, причем топливную смесь образуют путем впрыска топлива в цилиндр на такте впуска.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает следующие стадии:
стадию, на которой создают первые несколько лазерных импульсов в первом месте в цилиндре; и
стадию, на которой создают вторые несколько лазерных импульсов во втором месте в цилиндре, причем вторые несколько лазерных импульсов больше, чем первые несколько лазерных импульсов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в четырехтактном цикле горения лазер фокусируют во второе место на такте выпуска цикла, и лазер фокусируют в первое место у верхней мертвой точки рабочего такта цикла.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в четырехтактном цикле горения лазер фокусируют во второе место на такте впуска цикла.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество энергии лазера, которое подают в первое место, больше, чем количество, которое подают во второе место.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество энергии лазера, которое подают в первое место, больше во время первого горения цилиндра, чем в более позднем цикле горения цилиндра для данного запуска двигателя.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что фазирование работы лазера основывают на положении двигателя.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения. Задачей создания группы изобретений является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологических свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит коленчатый вал 10 с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке (8) цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа продуктов сгорания по меньшей мере один цилиндр (1) с установленным в нем поршнем и систему зажигания со свечой зажигания (1), установленной на каждом торце цилиндра.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит коленчатый вал (10) с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке (8) цилиндров, систему (12) впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа (13) продуктов сгорания, по меньшей мере один цилиндр (1) с установленным в нем поршнем и систему зажигания со свечой (37) зажигания, установленной на каждом торце цилиндра (1).

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована для воспламенения топлива в двигателях внутреннего сгорания: поршневых и роторных, работающих на жидком или газообразном углеводородном топливе. Техническим результатом является увеличение надежности системы зажигания, улучшение экологических свойств двигателя, уменьшение вибронагрузок на свечу и повышение ее надежности. Решение указанных задач достигнуто в способе лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, впускной и выпускной клапаны и свечу зажигания, путем подачи импульса тепловой энергии в локальную зону во внутреннем объеме цилиндра в момент, соответствующий оптимальному углу опережения зажигания и воспламенения топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что подачу импульса тепловой энергии осуществляют в локальную зону, размещенную под впускным клапаном.

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение КПД и надежности.

Изобретение относится к устройствам генерирования высокого напряжения и может быть использовано для генерирования плазмы с помощью свечи зажигания, используемой для управляемого зажигания двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к автомобильным системам зажигания. .

Изобретение относится к автомобилестроению, а конкретно к системам воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). .

Изобретение относится к устройству зажигания, двигателю внутреннего сгорания (ДВС), к свече зажигания, к плазменному оборудованию, к устройству для разложения выхлопного газа, к озонообразующему/стерилизующему/дезинфицирующему устройству и к устройству для устранения запахов.

Изобретение относится к устройствам воспламенения горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания и может быть использовано в производстве двигателей с принудительным воспламенением.

Изобретение относится к лазерным свечам зажигания с форкамерой и может найти применение в транспорте и в теплоэнергетике. Задачи создания изобретения состоят в уменьшении габаритов воспламенителя и повышении эффективности искрового разряда. Техническим результатом является снижение расхода топлива и эмиссии вредных веществ и повышение надежности зажигания. Лазерная свеча зажигания, содержащая оптику и форкамеру, отделенную от оптики шайбой с центральным отверстием, и днище с выходными отверстиями в нем, выполнена с возможность одновременного создания коронного разряда и лазерного луча. 23 з.п. ф-лы, 24 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является уменьшение габаритов воспламенителя и повышение эффективности искрового разряда для снижения расхода топлива и эмиссии вредных веществ и повышение надежности зажигания. Сущность изобретения заключается в том, что воспламенитель ДВС содержит лазерную свечу зажигания, ввернутую в форкамеру имеющую днище с выходными отверстиями. При этом днище выполнено с образованием дополнительной полости в виде части сферы с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр камеры воспламенения. Внутри дополнительной полости вдоль оси форкамеры установлен центральный обтекатель, выполненный в виде конуса, при этом вершина конуса выполнена совпадающей с центром дополнительной полости, а фокус лазерной свечи зажигания совпадает с вершиной конуса. Общая площадь выходных отверстий может быть выполнена больше площади поперечного сечения камеры воспламенения, а дополнительная полость может быть выполнена в форме полушара или части шара, имеющего объем более половины геометрического объема шара. 12 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к автомобилестроению, а конкретно к системам воспламенения топливовоздушной смеси (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания. В способе воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом, включающем нагрев и воспламенение горючей смеси путем подачи энергетического импульса от лазерного источника и фокусирование лазерного луча, инициирующего оптический разряд, новым является то, что лазерную энергию в виде высокочастотных лазерных импульсов распределяют оптоволоконными разделителями по цилиндрам, поршни которых находятся в районе верхней мертвой точки, и подают в центры камер сгорания, а переключение энергии лазера на оставшиеся цилиндры двигателя при достижении их поршней верхней мертвой точки осуществляют при помощи электронно-оптического переключателя по команде от блока синхронизации, связанного с датчиком на распределительном валу. Пакет высокочастотных лазерных импульсов подают по сигналу от блока синхронизации, связанного с датчиком на распределительном валу двигателя, с опережением зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Технический результат заключается в снижении токсичных выбросов, а также повышении экономичности двигателя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к форкамерным двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является уменьшение габаритов воспламенителя и повышение эффективности зажигания для снижения расхода топлива и эмиссии вредных веществ, а также повышение надежности зажигания. Сущность изобретения заключается в том, что воспламенитель выполнен в виде форкамеры, снабженной лазерной свечой зажигания. Форкамера отделена от лазерной свечи зажигания шайбой с центральным отверстием, которое может быть выполнено сужающимся к выходу, а днище форкамеры с отверстиями выполнено в виде части сферы. Внутри форкамеры на держателе установлена мишень в форме сферы, а фокус лазерной свечи зажигания совпадает с поверхностью мишени. Выходные отверстия могут быть выполнены радиальными цилиндрической или конической формы с их расширением в сторону выхода. 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретения относятся к газоперекачивающим агрегатам (ГПА) на базе газотурбинного двигателя. Технический результат - повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя, используемого в качестве привода газоперекачивающего агрегата на природном газе и снижение эмиссии вредных веществ. Для достижения технического результата предлагается способ лазерного воспламенения топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающий подачу сфокусированного лазерного луча в камеру воспламенения, содержащую топливовоздушную смесь и образованную стенками цилиндра и поршня, при этом лазерный луч совершает сканирующее движение в двух плоскостях. Заявлен также способ работы свечи лазерного воспламенения. Заявлено также устройство лазерного воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащем лазерную свечу с металлическим корпусом, установленные внутри нее изолятор и оптическое волокно, проходящее вдоль оси свечи внутри изолятора, с фокусирующей линзой на рабочем конце оптического волокна и соединенное другим концом с блоком накачки, при этом, оптическое волокно выполнено с возможностью совершения им вместе с фокусирующей линзой колебательного движения внутри изолятора в двух плоскостях для обеспечения сканирующего движения лазерного луча. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Группа изобретений относится к энергетике и двигателестроению, конкретно к средствам воспламенения топливовоздушной смеси преимущественно в двигателях внутреннего сгорания - ДВС. Технический результат - повышение полноты сгорания, снижение эмиссии вредных веществ и уменьшение затрат энергии на воспламенение. Достигнутые технические результаты: повышение полноты сгорания топлива в тепловых двигателях, улучшение его удельных характеристик и уменьшение эмиссии вредных веществ. Решение указанных задач достигнуто в способе воспламенения топливовоздушной смеси, содержащем подачу электрической энергии на свечу зажигания от источника электрической энергии, причем в качестве источника энергии используют источники статического электричества. Решение указанных задач достигнуто в системе радиочастотного электростатического зажигания, содержащей генератор радиочастот и свечу зажигания, имеющую металлический корпус, установленный внутри нее изолятор, внутренний электрод, проходящий вдоль оси свечи внутри изолятора, и внешний электрод, установленный концентрично внутреннему, тем, что она содержит источник статического электричества и электронный ключ, внешний электрод выполнен кольцевым с внутренней полостью и электрически связан с металлическим корпусом, а внутренний электрод соединен высоковольтным проводом через электронный ключ с генератором радиочастот, который низковольтными проводами соединен с источником статического электричества. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 21 ил.
Наверх