专利名称：可变焦距的发动机激光点火装置的制作方法
技术领域：
本发明属于内燃机技术，具体涉及一种用于点燃式发动机上的点火装置。
背景技术：
发动机的燃烧形式可分为点燃式和压燃式，火花塞是点燃式发动机的关键件之 一，然而随着缸内直喷汽油机(GDI)的出现和激光技术的广泛应用，火花塞点火技术即将 终结。因为汽油缸内直喷技术具有更优异的冷起动特性和燃油经济性，而且这项技术使进 气增压、分层燃烧等其他新技术更容易控制和实现。缸内直喷汽油机根据不同工况采取不同的燃烧模式，包括均质燃烧模式和分层 燃烧模式。分层燃烧是在汽缸压缩末期将燃油喷入，使燃油在缸内形成较大的浓度梯度分 布，是体现直喷技术燃油经济性的关键。燃油直喷的方式可分为壁面引导、气流引导和喷雾 引导三种，目前喷雾引导占主流地位。喷雾引导是利用高压喷油系统将燃油喷入缸中，依靠 喷油器使燃油雾化、蒸发并与空气混合。分层(燃烧)主要体现在浓度较高的混合气大部 分布在汽缸中部，靠近壁面处的浓度相对较低。传统的火花塞距离壁面很近，而分层燃烧其 较高混合浓度的燃气在汽缸中部，这给喷油器的设计带来了困难。激光点火器的出现给缸 内直喷技术注入了新的活力，采用脉冲激光器作为能源，由光纤和透镜组成的光路将高能 脉冲激光引入燃烧室，引发激光聚集焦点处达到着火条件，从而实现发动机点火燃烧。然而 目前提出的激光点火器多为光学定焦结构，其激光焦点由光学系统决定，且固定不变，着火 点固定不变，也就难以适应缸内多种复杂的工况和多变的点火要求。
发明内容
本发明的目的是，提供一种焦距可以变化的发动机激光点火装置，即着火点可控， 这将满足缸内多种复杂的工况和多变的点火要求。以下结合附图对本发明的结构原理进行说明。缸内直喷汽油机的混合气在缸内的 分布，随负载和转速变化很大，因此混合气的最佳点火位置也随工况的改变而改变，本发明 就是针对目前激光点火位置相对固定的问题来提出解决方案。可变焦距的发动机激光点火 装置包括缸盖、激光点火器壳体、光纤、初级(光学)透镜、次级(光学)透镜、初级透镜固 定座、次级透镜固定座以及保护镜等。其技术方案是光纤通过激光点火器壳体固定在缸 盖上，激光点火器壳体内设有初级透镜固定座和次级透镜固定座，初级透镜与次级透镜分 别镶卧于各自的透镜固定座内，搭建成激光点火光路。次级透镜固定座的下端设有保护镜， 激光点火器壳体与光纤连接固定。激光光束经过光纤、初级透镜、次级透镜和保护镜射入缸 内，汇聚于焦点(点火位置)。为了达到点火位置可以移动的目的，所搭建的激光点火光路 必须能够实现变焦距调节聚焦点。为此在初级透镜固定座的上方或下方设有驱动机构。其 设计原理是，使两个光学透镜一个固定，另一个产生相对位移。在本装置中次级透镜固定、 初级透镜产生位移。本发明提供的三种调节焦距的执行机构分别是(1)采用压电晶体形变的原理使
3初级透镜产生位移，(2)采用环形电磁铁使初级透镜产生位移；C3)采用气压方式使初级透 镜产生位移。本发明的特点及有益效果是，(1)可变焦距的激光点火装置可以根据不同工况的 需要，调节激光焦点在缸内的相对位置。侧重点不在于如何产生激光、如何传导激光和如何 分配激光，而在于如何令激光焦点在燃烧室内能够自由调节。( 激光点火器体积小，重量 轻，接入气缸的一端仅由光纤和透镜组成，体积约为火花塞的1/10。( 与火花塞相比具有 能耗小，可靠性高的特点。激光点火器采用非接触点火方式，因此不存在火花塞电极附近积 碳的问题。
图1为本发明采用压电晶体方式调焦的原理结构示意简图。图2为本发明采用电磁铁方式调焦的原理结构示意图。图3为本发明采用气压方式调焦的原理结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步的说明。可变焦距的发动机 激光点火装置，其具体结构为激光点火器壳体1通过螺纹固定在缸盖2上，激光点火器壳 体内设有初级透镜固定座3和次级透镜固定座4，初级透镜5与次级透镜6分别镶卧于各自 的透镜固定座内。次级透镜固定座4的下端设有保护镜7 ；激光点火器壳体1与光纤8连 接固定；激光光束9经过光纤8、初级透镜5、次级透镜6和保护镜7射入缸内，汇聚于焦点 10。在初级透镜固定座3的上方或下方设有驱动机构(如图1)。有三种方式的驱动机构可 使初级透镜5产生位移第一种驱动机构由环形压电晶体11和控制线12组成(如图1)，环形压电晶体11 用玻璃胶粘接于初级透镜固定座3上方。由控制线12提供电压信号使环形压电晶体11两 端产生电势差，根据电致伸缩效应和逆压电效应，在电场的作用下，环形压电晶体11将发 生变形致使环形压电晶体11的长度改变，使初级透镜5相对次级透镜6距离发生改变，实 现聚焦点10变焦距调节。第二种驱动机构由两块环形电磁铁13-1、13-2和控制线12组成(如图2)，两块环 形电磁铁分别置于初级透镜固定座3的上下方。第一环形电磁铁13-1和第二环形电磁铁 13-2分别由两条控制线12供电，分别对相应的环形电磁铁进行控制，驱动初级透镜固定座 3或者与第一环形电磁铁13-1吸附；或者与第二环形电磁铁13-2吸附，以此相对次级透镜 6距离发生改变，实现焦点10变聚焦距调节。第三种驱动机构采用气动方式(如图幻。在光纤8与激光点火器壳体1之间设有 密封镜14，在激光点火器壳体1上端设有气管15，次级透镜固定座4与激光点火器壳体1 密封固定。初级透镜固定座3可相对激光点火器壳体1内壁上下滑移，由保护镜7和密封 镜14以及初级透镜5和次级透镜6组成三个相对独立的腔体。第一压力腔16-1与气管15 相连的压力控制器17相通，通过改变第一压力腔内的气压，造成第一压力腔16-1与第二压 力腔16-2之间具有压力差，第三压力腔16-3与第二压力腔压力相等，由此驱动初级透镜5 相对所述次级透镜6距离发生改变，实现聚焦点10变焦距调节。
缸内直喷汽油机工作时会根据不同工况采取均质燃烧模式或分层燃烧模式。这两 种模式的可燃混合气浓度分布差异很大。均质燃烧模式其缸内各处混合气浓度相同，所以 最佳点火位置位于燃烧室正中央；分层燃烧模式下，可燃混合气集中于燃烧室中下部，所以 最佳点火位置也在下部。一般分层燃烧的最佳点火位置比均质燃烧低3 5mm。以电磁铁驱动调焦方式为例。固定于初级透镜固定座3上的初级透镜5在第一和 第二环形电磁铁的作用下有两个位移位置。开始要根据燃烧室尺寸选择初级透镜5和次级 透镜6的焦距，并设置次级透镜固定座4、第一环形电磁铁13-1和第二环形电磁铁13-2在 激光点火器壳体1中的位置。其调焦过程是通过第一环形电磁铁控制线发出信号，在电磁 力的作用下，初级透镜固定座吸附于第一环形电磁铁，激光光束穿过透镜组汇聚于焦点，这 就是均质燃烧模式下最佳点火位置。同理，通过第二环形电磁铁控制线发出信号，初级透镜 固定座3吸附于第二环形电磁铁，由于初级透镜5的位置发生变化，导致激光光束焦点的位 置处于分层燃烧模式下混合气最佳点火位置上。即通过改变环形电磁铁的控制信号，实现 点火位置(焦点)的转换。使发动机在不同的燃烧模式下，总能令缸内可燃混合气在最佳 点火位置着火，从而使内燃机获得更好的动力性、经济性和排放性。另外两种驱动机构则是以压电晶体和气动的驱动方式改变初级透镜的位置，从而 实现改变点火位置(焦点)的目的。不同驱动方式的差别在于电磁铁驱动调焦方式下(图 2所示)，初级透镜仅有两个工作位置，实现相应的两个点火位置的转换。而在压电晶体驱 动(图1)和气动驱动(图幻调焦方式下，初级透镜的工作位置可以连续变化，也就对应着 缸内透镜组轴线上一个区间内多个连续的点火位置。因此，相对电磁铁驱动调焦方式来说， 压电晶体和气动驱动调焦方式可以根据发动机不同工况间的细微差别更灵活的改变点火 位置。本发明提供的这种可变点火位置的装置可利用精确的控制使着火点根据工况的 变化实时的做出调整，令内燃机始终获得最佳的点火特性，提高内燃机燃烧效率，降低内燃 机油耗，实现高效清洁燃烧，达到节能环保的目的。
权利要求
1.可变焦距的发动机激光点火装置，包括缸盖、激光点火器壳体、光纤、初级光学透镜、 次级光学透镜、初级透镜固定座、次级透镜固定座以及保护镜，其特征在于激光点火器壳体 (1)通过螺纹固定在缸盖( 上，激光点火器壳体内设有初级透镜固定座C3)和次级透镜固 定座G)，初级透镜(5)与次级透镜(6)分别镶卧于各自的透镜固定座内，次级透镜固定座 (4)的下端设有保护镜(7)，激光点火器壳体(1)与光纤(8)连接固定，激光光束(9)经过 光纤(8)、初级透镜(5)、次级透镜(6)和保护镜(7)射入缸内，汇聚于焦点(10)，在初级透 镜固定座(3)的上方或下方设有驱动机构。
2.按照权利要求1所述的可变焦距的发动机激光点火装置，其特征在于所述驱动机构 由环形压电晶体(11)和控制线(1 组成，环形压电晶体(11)通过玻璃胶粘接于所述初级 透镜固定座C3)上方，控制线(1 提供电压信号驱动环形压电晶体(11)的长度改变，使所 述初级透镜(5)相对所述次级透镜(6)距离发生改变，实现所述焦点(10)变聚焦距调节。
3.按照权利要求1所述的可变焦距的发动机激光点火装置，其特征在于所述驱动机构 由两块环形电磁铁(13-1、13-幻和所述控制线(1 组成，两块环形电磁铁分别固定在所述 初级透镜固定座(3)的上下方，第一环形电磁铁(13-1)和第二环形电磁铁(13- 分别由 两条控制线(1 供电，分别对相应的环形电磁铁进行控制，驱动所述初级透镜固定座(3) 或者与第一环形电磁铁(13-1)吸附；或者与第二环形电磁铁(13- 吸附，相对所述次级透 镜(6)距离发生改变，实现所述焦点(10)变聚焦距调节。
4.按照权利要求1所述的可变焦距的发动机激光点火装置，其特征在于所述驱动机构 采用气动方式，在所述光纤(8)与所述激光点火器壳体(1)之间设有密封镜(14)，在激光点 火器壳体(1)上端设有气管(15)，所述次级透镜固定座(4)与激光点火器壳体(1)密封固 定；所述初级透镜固定座C3)可相对激光点火器壳体(1)内壁上下滑移，由所述保护镜(7) 和密封镜(14)以及所述初级透镜( 和次级透镜(6)组成三个相对独立的腔体，第一压力 腔(16-1)与气管(15)相连的压力控制器(17)相通，通过改变第一压力腔(16-1)内的气 压，造成第一压力腔(16-1)与第二压力腔(16- 之间具有压力差，第三压力腔(16-3)与 第二压力腔压力相等，由此驱动初级透镜( 相对所述次级透镜(6)距离发生改变，实现所 述聚焦点(10)变焦距调节。
全文摘要
本发明公开了一种可变焦距的发动机激光点火装置，具体结构为光纤通过激光点火器壳体固定在缸盖上，激光点火器壳体内设有初级透镜固定座和次级透镜固定座，初级透镜与次级透镜分别镶卧于透镜固定座内。次级透镜固定座下端设有保护镜，激光束经过光纤、初级透镜、次级透镜和保护镜射入缸内，汇聚于聚焦点。在初级透镜固定座的上方或下方设有三种方式的驱动机构可使初级透镜产生位移。本发明可根据不同工况需要调节激光焦点在缸内的相对位置。激光点火器体积小，接入气缸的一端仅由光纤和透镜组成，体积约为火花塞的1/10。与火花塞相比具有能耗小，可靠性高的特点。激光点火器采用非接触点火方式，因此不存在火花塞电极附近积碳的问题。
文档编号G02B7/04GK102062037SQ20111000972
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者杨晟华, 王天友, 鲁祯 申请人:天津大学