專利名稱：可變焦距的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，具體涉及一種用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上的點(diǎn)火裝置。
背景技術(shù)：
發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒形式可分為點(diǎn)燃式和壓燃式，火花塞是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件之 一，然而隨著缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)的出現(xiàn)和激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，火花塞點(diǎn)火技術(shù)即將 終結(jié)。因?yàn)槠透變?nèi)直噴技術(shù)具有更優(yōu)異的冷起動(dòng)特性和燃油經(jīng)濟(jì)性，而且這項(xiàng)技術(shù)使進(jìn) 氣增壓、分層燃燒等其他新技術(shù)更容易控制和實(shí)現(xiàn)。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)根據(jù)不同工況采取不同的燃燒模式，包括均質(zhì)燃燒模式和分層 燃燒模式。分層燃燒是在汽缸壓縮末期將燃油噴入，使燃油在缸內(nèi)形成較大的濃度梯度分 布，是體現(xiàn)直噴技術(shù)燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。燃油直噴的方式可分為壁面引導(dǎo)、氣流引導(dǎo)和噴霧 引導(dǎo)三種，目前噴霧引導(dǎo)占主流地位。噴霧引導(dǎo)是利用高壓噴油系統(tǒng)將燃油噴入缸中，依靠 噴油器使燃油霧化、蒸發(fā)并與空氣混合。分層(燃燒)主要體現(xiàn)在濃度較高的混合氣大部 分布在汽缸中部，靠近壁面處的濃度相對(duì)較低。傳統(tǒng)的火花塞距離壁面很近，而分層燃燒其 較高混合濃度的燃?xì)庠谄字胁?，這給噴油器的設(shè)計(jì)帶來了困難。激光點(diǎn)火器的出現(xiàn)給缸 內(nèi)直噴技術(shù)注入了新的活力，采用脈沖激光器作為能源，由光纖和透鏡組成的光路將高能 脈沖激光引入燃燒室，引發(fā)激光聚集焦點(diǎn)處達(dá)到著火條件，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒。然而 目前提出的激光點(diǎn)火器多為光學(xué)定焦結(jié)構(gòu)，其激光焦點(diǎn)由光學(xué)系統(tǒng)決定，且固定不變，著火 點(diǎn)固定不變，也就難以適應(yīng)缸內(nèi)多種復(fù)雜的工況和多變的點(diǎn)火要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種焦距可以變化的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置，即著火點(diǎn)可控， 這將滿足缸內(nèi)多種復(fù)雜的工況和多變的點(diǎn)火要求。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行說明。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的混合氣在缸內(nèi)的 分布，隨負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化很大，因此混合氣的最佳點(diǎn)火位置也隨工況的改變而改變，本發(fā)明 就是針對(duì)目前激光點(diǎn)火位置相對(duì)固定的問題來提出解決方案。可變焦距的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火 裝置包括缸蓋、激光點(diǎn)火器殼體、光纖、初級(jí)(光學(xué))透鏡、次級(jí)(光學(xué))透鏡、初級(jí)透鏡固 定座、次級(jí)透鏡固定座以及保護(hù)鏡等。其技術(shù)方案是光纖通過激光點(diǎn)火器殼體固定在缸 蓋上，激光點(diǎn)火器殼體內(nèi)設(shè)有初級(jí)透鏡固定座和次級(jí)透鏡固定座，初級(jí)透鏡與次級(jí)透鏡分 別鑲臥于各自的透鏡固定座內(nèi)，搭建成激光點(diǎn)火光路。次級(jí)透鏡固定座的下端設(shè)有保護(hù)鏡， 激光點(diǎn)火器殼體與光纖連接固定。激光光束經(jīng)過光纖、初級(jí)透鏡、次級(jí)透鏡和保護(hù)鏡射入缸 內(nèi)，匯聚于焦點(diǎn)(點(diǎn)火位置)。為了達(dá)到點(diǎn)火位置可以移動(dòng)的目的，所搭建的激光點(diǎn)火光路 必須能夠?qū)崿F(xiàn)變焦距調(diào)節(jié)聚焦點(diǎn)。為此在初級(jí)透鏡固定座的上方或下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其 設(shè)計(jì)原理是，使兩個(gè)光學(xué)透鏡一個(gè)固定，另一個(gè)產(chǎn)生相對(duì)位移。在本裝置中次級(jí)透鏡固定、 初級(jí)透鏡產(chǎn)生位移。本發(fā)明提供的三種調(diào)節(jié)焦距的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別是(1)采用壓電晶體形變的原理使
3初級(jí)透鏡產(chǎn)生位移，(2)采用環(huán)形電磁鐵使初級(jí)透鏡產(chǎn)生位移；C3)采用氣壓方式使初級(jí)透 鏡產(chǎn)生位移。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是，(1)可變焦距的激光點(diǎn)火裝置可以根據(jù)不同工況的 需要，調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)在缸內(nèi)的相對(duì)位置。側(cè)重點(diǎn)不在于如何產(chǎn)生激光、如何傳導(dǎo)激光和如何 分配激光，而在于如何令激光焦點(diǎn)在燃燒室內(nèi)能夠自由調(diào)節(jié)。( 激光點(diǎn)火器體積小，重量 輕，接入氣缸的一端僅由光纖和透鏡組成，體積約為火花塞的1/10。( 與火花塞相比具有 能耗小，可靠性高的特點(diǎn)。激光點(diǎn)火器采用非接觸點(diǎn)火方式，因此不存在火花塞電極附近積 碳的問題。


圖1為本發(fā)明采用壓電晶體方式調(diào)焦的原理結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。圖2為本發(fā)明采用電磁鐵方式調(diào)焦的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明采用氣壓方式調(diào)焦的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖并通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的說明?？勺兘咕嗟陌l(fā)動(dòng)機(jī) 激光點(diǎn)火裝置，其具體結(jié)構(gòu)為激光點(diǎn)火器殼體1通過螺紋固定在缸蓋2上，激光點(diǎn)火器殼 體內(nèi)設(shè)有初級(jí)透鏡固定座3和次級(jí)透鏡固定座4，初級(jí)透鏡5與次級(jí)透鏡6分別鑲臥于各自 的透鏡固定座內(nèi)。次級(jí)透鏡固定座4的下端設(shè)有保護(hù)鏡7 ；激光點(diǎn)火器殼體1與光纖8連 接固定；激光光束9經(jīng)過光纖8、初級(jí)透鏡5、次級(jí)透鏡6和保護(hù)鏡7射入缸內(nèi)，匯聚于焦點(diǎn) 10。在初級(jí)透鏡固定座3的上方或下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如圖1)。有三種方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可 使初級(jí)透鏡5產(chǎn)生位移第一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由環(huán)形壓電晶體11和控制線12組成(如圖1)，環(huán)形壓電晶體11 用玻璃膠粘接于初級(jí)透鏡固定座3上方。由控制線12提供電壓信號(hào)使環(huán)形壓電晶體11兩 端產(chǎn)生電勢(shì)差，根據(jù)電致伸縮效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下，環(huán)形壓電晶體11將發(fā) 生變形致使環(huán)形壓電晶體11的長(zhǎng)度改變，使初級(jí)透鏡5相對(duì)次級(jí)透鏡6距離發(fā)生改變，實(shí) 現(xiàn)聚焦點(diǎn)10變焦距調(diào)節(jié)。第二種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩塊環(huán)形電磁鐵13-1、13-2和控制線12組成(如圖2)，兩塊環(huán) 形電磁鐵分別置于初級(jí)透鏡固定座3的上下方。第一環(huán)形電磁鐵13-1和第二環(huán)形電磁鐵 13-2分別由兩條控制線12供電，分別對(duì)相應(yīng)的環(huán)形電磁鐵進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)初級(jí)透鏡固定座 3或者與第一環(huán)形電磁鐵13-1吸附；或者與第二環(huán)形電磁鐵13-2吸附，以此相對(duì)次級(jí)透鏡 6距離發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)10變聚焦距調(diào)節(jié)。第三種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)方式(如圖幻。在光纖8與激光點(diǎn)火器殼體1之間設(shè)有 密封鏡14，在激光點(diǎn)火器殼體1上端設(shè)有氣管15，次級(jí)透鏡固定座4與激光點(diǎn)火器殼體1 密封固定。初級(jí)透鏡固定座3可相對(duì)激光點(diǎn)火器殼體1內(nèi)壁上下滑移，由保護(hù)鏡7和密封 鏡14以及初級(jí)透鏡5和次級(jí)透鏡6組成三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的腔體。第一壓力腔16-1與氣管15 相連的壓力控制器17相通，通過改變第一壓力腔內(nèi)的氣壓，造成第一壓力腔16-1與第二壓 力腔16-2之間具有壓力差，第三壓力腔16-3與第二壓力腔壓力相等，由此驅(qū)動(dòng)初級(jí)透鏡5 相對(duì)所述次級(jí)透鏡6距離發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)10變焦距調(diào)節(jié)。
缸內(nèi)直噴汽油機(jī)工作時(shí)會(huì)根據(jù)不同工況采取均質(zhì)燃燒模式或分層燃燒模式。這兩 種模式的可燃混合氣濃度分布差異很大。均質(zhì)燃燒模式其缸內(nèi)各處混合氣濃度相同，所以 最佳點(diǎn)火位置位于燃燒室正中央；分層燃燒模式下，可燃混合氣集中于燃燒室中下部，所以 最佳點(diǎn)火位置也在下部。一般分層燃燒的最佳點(diǎn)火位置比均質(zhì)燃燒低3 5mm。以電磁鐵驅(qū)動(dòng)調(diào)焦方式為例。固定于初級(jí)透鏡固定座3上的初級(jí)透鏡5在第一和 第二環(huán)形電磁鐵的作用下有兩個(gè)位移位置。開始要根據(jù)燃燒室尺寸選擇初級(jí)透鏡5和次級(jí) 透鏡6的焦距，并設(shè)置次級(jí)透鏡固定座4、第一環(huán)形電磁鐵13-1和第二環(huán)形電磁鐵13-2在 激光點(diǎn)火器殼體1中的位置。其調(diào)焦過程是通過第一環(huán)形電磁鐵控制線發(fā)出信號(hào)，在電磁 力的作用下，初級(jí)透鏡固定座吸附于第一環(huán)形電磁鐵，激光光束穿過透鏡組匯聚于焦點(diǎn)，這 就是均質(zhì)燃燒模式下最佳點(diǎn)火位置。同理，通過第二環(huán)形電磁鐵控制線發(fā)出信號(hào)，初級(jí)透鏡 固定座3吸附于第二環(huán)形電磁鐵，由于初級(jí)透鏡5的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致激光光束焦點(diǎn)的位 置處于分層燃燒模式下混合氣最佳點(diǎn)火位置上。即通過改變環(huán)形電磁鐵的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn) 點(diǎn)火位置(焦點(diǎn))的轉(zhuǎn)換。使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的燃燒模式下，總能令缸內(nèi)可燃混合氣在最佳 點(diǎn)火位置著火，從而使內(nèi)燃機(jī)獲得更好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。另外兩種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則是以壓電晶體和氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式改變初級(jí)透鏡的位置，從而 實(shí)現(xiàn)改變點(diǎn)火位置(焦點(diǎn))的目的。不同驅(qū)動(dòng)方式的差別在于電磁鐵驅(qū)動(dòng)調(diào)焦方式下(圖 2所示)，初級(jí)透鏡僅有兩個(gè)工作位置，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)火位置的轉(zhuǎn)換。而在壓電晶體驅(qū) 動(dòng)(圖1)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)(圖幻調(diào)焦方式下，初級(jí)透鏡的工作位置可以連續(xù)變化，也就對(duì)應(yīng)著 缸內(nèi)透鏡組軸線上一個(gè)區(qū)間內(nèi)多個(gè)連續(xù)的點(diǎn)火位置。因此，相對(duì)電磁鐵驅(qū)動(dòng)調(diào)焦方式來說， 壓電晶體和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)調(diào)焦方式可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況間的細(xì)微差別更靈活的改變點(diǎn)火 位置。本發(fā)明提供的這種可變點(diǎn)火位置的裝置可利用精確的控制使著火點(diǎn)根據(jù)工況的 變化實(shí)時(shí)的做出調(diào)整，令內(nèi)燃機(jī)始終獲得最佳的點(diǎn)火特性，提高內(nèi)燃機(jī)燃燒效率，降低內(nèi)燃 機(jī)油耗，實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。
權(quán)利要求
1.可變焦距的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置，包括缸蓋、激光點(diǎn)火器殼體、光纖、初級(jí)光學(xué)透鏡、 次級(jí)光學(xué)透鏡、初級(jí)透鏡固定座、次級(jí)透鏡固定座以及保護(hù)鏡，其特征在于激光點(diǎn)火器殼體 (1)通過螺紋固定在缸蓋( 上，激光點(diǎn)火器殼體內(nèi)設(shè)有初級(jí)透鏡固定座C3)和次級(jí)透鏡固 定座G)，初級(jí)透鏡(5)與次級(jí)透鏡(6)分別鑲臥于各自的透鏡固定座內(nèi)，次級(jí)透鏡固定座 (4)的下端設(shè)有保護(hù)鏡(7)，激光點(diǎn)火器殼體(1)與光纖(8)連接固定，激光光束(9)經(jīng)過 光纖(8)、初級(jí)透鏡(5)、次級(jí)透鏡(6)和保護(hù)鏡(7)射入缸內(nèi)，匯聚于焦點(diǎn)(10)，在初級(jí)透 鏡固定座(3)的上方或下方設(shè)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1所述的可變焦距的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 由環(huán)形壓電晶體(11)和控制線(1 組成，環(huán)形壓電晶體(11)通過玻璃膠粘接于所述初級(jí) 透鏡固定座C3)上方，控制線(1 提供電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)環(huán)形壓電晶體(11)的長(zhǎng)度改變，使所 述初級(jí)透鏡(5)相對(duì)所述次級(jí)透鏡(6)距離發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)所述焦點(diǎn)(10)變聚焦距調(diào)節(jié)。
3.按照權(quán)利要求1所述的可變焦距的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 由兩塊環(huán)形電磁鐵(13-1、13-幻和所述控制線(1 組成，兩塊環(huán)形電磁鐵分別固定在所述 初級(jí)透鏡固定座(3)的上下方，第一環(huán)形電磁鐵(13-1)和第二環(huán)形電磁鐵(13- 分別由 兩條控制線(1 供電，分別對(duì)相應(yīng)的環(huán)形電磁鐵進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)所述初級(jí)透鏡固定座(3) 或者與第一環(huán)形電磁鐵(13-1)吸附；或者與第二環(huán)形電磁鐵(13- 吸附，相對(duì)所述次級(jí)透 鏡(6)距離發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)所述焦點(diǎn)(10)變聚焦距調(diào)節(jié)。
4.按照權(quán)利要求1所述的可變焦距的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 采用氣動(dòng)方式，在所述光纖(8)與所述激光點(diǎn)火器殼體(1)之間設(shè)有密封鏡(14)，在激光點(diǎn) 火器殼體(1)上端設(shè)有氣管(15)，所述次級(jí)透鏡固定座(4)與激光點(diǎn)火器殼體(1)密封固 定；所述初級(jí)透鏡固定座C3)可相對(duì)激光點(diǎn)火器殼體(1)內(nèi)壁上下滑移，由所述保護(hù)鏡(7) 和密封鏡(14)以及所述初級(jí)透鏡( 和次級(jí)透鏡(6)組成三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的腔體，第一壓力 腔(16-1)與氣管(15)相連的壓力控制器(17)相通，通過改變第一壓力腔(16-1)內(nèi)的氣 壓，造成第一壓力腔(16-1)與第二壓力腔(16- 之間具有壓力差，第三壓力腔(16-3)與 第二壓力腔壓力相等，由此驅(qū)動(dòng)初級(jí)透鏡( 相對(duì)所述次級(jí)透鏡(6)距離發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)所 述聚焦點(diǎn)(10)變焦距調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可變焦距的發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置，具體結(jié)構(gòu)為光纖通過激光點(diǎn)火器殼體固定在缸蓋上，激光點(diǎn)火器殼體內(nèi)設(shè)有初級(jí)透鏡固定座和次級(jí)透鏡固定座，初級(jí)透鏡與次級(jí)透鏡分別鑲臥于透鏡固定座內(nèi)。次級(jí)透鏡固定座下端設(shè)有保護(hù)鏡，激光束經(jīng)過光纖、初級(jí)透鏡、次級(jí)透鏡和保護(hù)鏡射入缸內(nèi)，匯聚于聚焦點(diǎn)。在初級(jí)透鏡固定座的上方或下方設(shè)有三種方式的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可使初級(jí)透鏡產(chǎn)生位移。本發(fā)明可根據(jù)不同工況需要調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)在缸內(nèi)的相對(duì)位置。激光點(diǎn)火器體積小，接入氣缸的一端僅由光纖和透鏡組成，體積約為火花塞的1/10。與火花塞相比具有能耗小，可靠性高的特點(diǎn)。激光點(diǎn)火器采用非接觸點(diǎn)火方式，因此不存在火花塞電極附近積碳的問題。
文檔編號(hào)G02B7/04GK102062037SQ20111000972
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者楊晟華, 王天友, 魯?shù)?申請(qǐng)人:天津大學(xué)