内燃机微波协助点火研究发展综述

王兆文， 张新华， 成晓北， 占腊民， 迟浩， 石书国

(1. 华中科技大学能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430074； 2. 华中科技大学光学与电子信息学院， 湖北 武汉 430074)

·综合评述·

内燃机微波协助点火研究发展综述

王兆文1， 张新华1， 成晓北1， 占腊民2， 迟浩1， 石书国1

(1. 华中科技大学能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430074； 2. 华中科技大学光学与电子信息学院， 湖北 武汉 430074)

稀薄燃烧是能够大幅度提高内燃机热效率和降低内燃机排放的最有潜力的技术之一。针对稀薄燃烧面临的点火困难、燃烧不稳定等问题，综述了一种新型内燃机点火方式——微波协助点火技术，主要介绍了国内外微波协助点火技术的发动机台架试验研究、定容弹试验研究和点火机理等方面的研究，并指出微波协助点火这一技术能在无需改变内燃机现有结构的前提下大幅提高内燃机的燃烧稀限，对于改善汽油机或天然气发动机的稀薄燃烧性能具有巨大的应用潜力。

内燃机； 稀薄燃烧； 微波协助点火(MAI)； 机理研究

日益严苛的环境法规以及严峻的石油资源消耗态势，驱动着高效清洁汽车内燃机技术的发展[1]，如稀薄燃烧技术、废气再循环技术、涡轮增压技术以及汽油缸内直喷技术等[2-5]。然而部分技术会恶化内燃机的点火性能以及初始火焰发展的稳定性，因而限制了这些技术的进一步应用[6]。

稀薄燃烧技术是指利用高空燃比和高压缩比来提高燃油经济性并提高尾气排放水平的新型技术。然而，高空燃比会导致汽油机或者天然气发动机点火困难，点火火焰核心位置以及尺寸都有较大波动，火焰传播速度慢，在内燃机运行过程当中容易造成失火等问题[7]。传统解决办法是提高火花塞点火能量并采用分层燃烧的方式，但效果并不明显，而且点火能量过高会缩短火花塞使用寿命[8]，降低内燃机的可靠性。

20世纪70年代以来，众多研究者将低温等离子体助燃技术应用到稀薄燃烧技术的研究中去。他们利用激光[9-10]、纳秒脉冲放电[11-12]、介质阻挡放电[13-15]等技术产生低温等离子体来点燃稀薄燃气，这些技术在一定程度上改善了稀薄燃气的着火和燃烧性能，促进了内燃机燃烧技术的发展，但因为制造成本高昂、装置庞杂等原因而无法实际应用在汽车发动机中。

近年来，国际上出现了利用微波点火或者微波协助点火的燃烧技术，具体可分为3类，即微波谐振炬点火(MTI，Microwave resonator Torch Ignition)[16-18]、微波辐射空间点火(MSI，Microwave radiation Space Ignition)[19]和微波协助点火(MAI, Microwave Assisted Ignition)[20-24]。清华大学的王志在2012年对上述3类微波点火技术的发展进行了综述[25]，并重点在定容弹中研究了MSI的点火性能[19]。

MAI模式利用传统火花塞放电击穿稀薄混合气(点火能未增加，故稀混合气未被点燃)产生初始等离子体团，随后向该等离子体团辐射微波，电子耦合微波能之后与其他粒子发生碰撞，扩大等离子体团并产生一些高活性基团，继而点燃稀薄燃气[20]。这种模式同时结合了传统火花塞点火与微波点火的优点，规避了MTI和MSI模式下单靠微波谐振击穿高压混合气难的问题，具有很强的实用性[16]。

2009年以来，MAI模式获得了大量关注，并取得了较大进展，故而本研究将从试验研究方面详细综述其发展。

1 微波协助点火的试验研究

在发动机工作过程中，缸内混合气状态会有循环波动，尤其是火花塞附近的燃料、空气、废气的混合情况更是复杂多变，从而导致火花点火过程的不稳定，而且随着空燃比增大，这种循环不稳定性会加剧(见图1)。

图1 点火火焰核心波动导致早期燃烧火焰的循环变动

火花点火的早期火焰特性是整个燃烧循环能否稳定的关键，因此，要实现稳定的稀薄燃烧，关键在于如何提高稀薄燃气的点火效率、加速初始火焰的发展以及火焰的平稳传播。2009年以来，研究人员以改善稀薄燃烧的点火性能为目的，围绕MAI展开了大量的基于内燃机台架测试或定容弹测量的试验研究。

1.1 基于内燃机台架测试的试验研究

2009年，美国普林斯顿大学与日本Imagineering Inc.公司合作，率先提出微波协助点火的概念[7,26]。同年，Yuji Ikeda等人[20]利用自行研发的耦合火花塞(见图2)成功在一台试验用四冲程4气门水冷单缸机上点燃了甲烷-空气的稀薄混合气，内燃机台架试验装置示意见图3。该耦合式火花塞将传统火花塞和微波助燃装置耦合在一起，无需进行内燃机的结构改造就可以直接安装使用，是最有潜力的能直接应用在内燃机上的新型点火技术。

图2 耦合火花塞(传统火花塞与微波发生器的耦合)

图3 试验装置示意

Yuji Ikeda的试验结果表明，使用功率为700 W，持续期为6 μs, 频率为2.45 GHz的微波辐射脉冲，在大气环境下，点火过程中生成的羟基OH的数量是传统火花塞点火过程的300倍。即使在2.0 MPa的环境压力下，OH数量仍比在大气环境下的传统火花塞点火高出10倍以上。以当量比计算，微波协助点火技术能拓宽稀燃极限20%～30%。试验结果展现出了微波协助点火这一新型点火技术的巨大潜力，从而获得广泛关注。

2011年，美国加州大学伯克利分校的Anthony DeFilippo等人[21]利用Imagineering Inc.公司的耦合式火花塞，在一台CFR发动机上研究了MAI模式对汽油机稀燃极限的影响。试验样机为一台标定转速为1 200 r/min的单缸机，该机型相较Yuji Ikeda等人的试验机型，能提供更小涡流的燃烧环境。试验结果表明，中小负荷时稀燃极限有所拓展，当量比可达0.67(过量空气系数1.5)左右，但在大负荷时(浓混合气情况)，微波助燃的效果不是很明显；微波助燃后，内燃机的NOx排放改善也非常明显，达到5 g/(kW·h)，但该NOx原机排放距美国排放法规仍有一定距离，仍需要采用排气后处理技术。

1.2 基于定容弹与光学系统的试验研究

以上为MAI模式下天然气发动机、汽油机的稀燃极限以及排放性能的内燃机台架试验研究。这些研究表明，微波的馈入能有效改善稀薄混合气的着火性能，并能有效地缓解内燃机在稀薄燃烧情况下的失火以及缓燃问题。但以上内燃机台架试验研究无法揭示微波协助点火对燃烧过程的具体影响，因此，很多研究者利用定容弹试验来研究微波协助点火对燃烧过程的具体影响、影响条件以及作用机理。

2013年，加州Berkeley大学的Benjamin Wolk等人[22]利用容积为1.45 L的定容弹，对比研究了不同环境压力、不同空燃比、不同微波馈入时刻以及不同馈入时长等条件下，MAI模式与传统火花塞点火模式下甲烷-空气的着火和燃烧特性，并首次通过采集纹影图像的方法推想MAI模式的作用机理。

研究表明，与传统电容性火花塞放电相比，微波协助火花塞点火在常温下，环境压力0.108～0.722 MPa范围内都能拓宽甲烷-空气的稀燃着火极限和浓燃着火极限，稀燃极限值由当量比0.6拓宽到当量比0.5，浓燃极限值由当量比1.4拓宽到当量比1.75。同时，在所有测试当量比工况下，微波的加入都能使FDT减小，并增大了初始火焰核心的尺寸，促进了空间火焰稀燃速度的增加。研究者推想点火火核加强的主要原因有：在微波能量沉积的作用下，火焰前锋的自由电子的非热化学活性得到增强；在微波的激化下，不稳定的等离子体诱发火焰起皱，增加了火焰传播速度。

此外，微波对火焰发展的促进作用随着当量比的降低而逐步增大，随着环境压力的减小而逐渐增大。在当量比φ大于0.75，或环境压力超过0.5 MPa后，微波的促进作用就不是很明显。

研究中由纹影法观测到的SI+MAI模式下火焰起皱现象(见图4)非常明显，Benjamin Wolk等认为该现象的本质是等离子体的振荡双流不稳定性(oscillating two-stream instability，OTSI)。微波场中的等离子体运动表现出强烈的OTSI特性，这种不稳定性可以在入射微波频率低于电子等离子体频率时出现[28-29]。

图4 SI和SI+MAI模式不同当量比下火核生长情况

Benjamin Wolk对MAI模式进行了全面的探索，且引入等离子体物理学中的OTSI概念，从而为后面的研究提供了一种思路，即从微波与等离子体作用的物理过程来揭示MAI模式的机理。但文献中仍有诸多未能解释清楚的问题，如MAI模式对甲烷富燃极限的拓展明显优于稀燃极限、不同微波馈入时刻对点火的影响不同、MAI模式对不同燃料的影响有何不同等等。随后的研究则选取各个侧重点，深入地研究了MAI模式的多种影响因素。

2015年，日本东京大学的Xiaojing Gu等人[23]在定容弹中利用自制的微波火花塞系统，研究了甲烷-空气混合物在环境压力0.1～1.0 MPa，当量比0.51～0.60范围内，微波馈入参数对稀燃混合气点火性能的影响。

研究表明，点火性能受微波馈入时刻和微波脉冲频率的共同作用。当微波馈入时刻较火花塞点火触发时刻延迟200 μs，且微波脉冲频率为10 kHz时，点火稳定性指标达到最大。此外，在1～10 kHz范围内，随着微波脉冲频率的增大，点火成功率逐渐增大，但当微波的脉冲频率由10 kHz增大至20 kHz，点火稳定性指标反而下降。

Xiaojing Gu等人认为，等离子体物理学中的“中断效应”[30-32]是导致此现象的主要原因。该试验中，火花塞击穿等离子体中的电子密度大约为1017个/cm3，大于2.45 GHz微波所对应的“中断电子密度”7.41×1010个/cm3，故而对所有脉冲频率下的微波馈入都会发生中断效应。而20 kHz要比10 kHz时馈入时间少一半，在总馈入能量一定的情况下，单位时间内馈入的能量多一倍，这意味着单位时间被反射的微波能更多，故点火稳定性反而下降。

Xiaojing Gu的研究侧重点在于馈入微波的参数对MAI的影响，并以等离子体物理学中的“中断效应”解释了微波脉冲频率变化对点火效能的影响，但仍未能揭示低微波脉冲频率下点火效能峰值向微波馈入时刻推迟方向偏移的现象。

2016年，韩国先进科技研究院的Joonsik Hwang等人[24]利用体积为1.41 L的定容燃烧弹进行了微波协助等离子体点火对乙炔-空气混合气层流火焰发展影响的试验研究。研究显示微波对燃烧的促进效果在微波提前馈入的情况下较明显，随着微波馈入时刻的推迟，促进作用逐渐减弱。在富燃区，微波馈入时刻的影响被削弱，但当微波馈入时刻推后到250～500 μs时，微波促进燃烧的效果又得到了加强，但研究者未给出这一现象的解释。

此外，微波的促进效果在较低的初始环境压力下更明显，但在高环境压力下，更早的微波馈入方案仍能起到一定的促进燃烧效果。但研究者未给出解释，笔者猜想可能是微波的提前馈入能对乙炔空气混合物起到了一定程度的改质作用。

该文献还显示，与传统火花塞点火相比，微波的馈入能提前燃烧着火时刻，在环境压力为0.1 MPa的条件下能拓展稀燃极限到当量比为0.5。

Joonsik Hwang选择了燃料乙炔来进行MAI的研究，由于乙炔的激发能远低于甲烷，正常情况下乙炔的燃烧速度明显快于甲烷，所以微波加强点火的效能无法明显显示出来。而选择乙炔的意义在于，提供了一种微波作用于化学反应物的研究思路，即从燃料改质、化学动力学方面探究MAI模式。

2016年，Srinivas Padala等人利用屋脊形定容弹模仿内燃机燃烧室形状，试验研究了微波对预混丙烷空气等离子体点火火焰的加强作用[26]。该研究引入了“最小火核尺寸”的概念，认为火花点火的火焰核心必须达到这个尺寸，否则将无法维持火焰并成功着火。

试验测算出的最小火核尺寸随当量比的增加而变小，而且增加微波能，可以增加相同点火能量下的初始火焰速度，并且增大初始火核尺寸，缩短火焰达到关键尺寸的时间。

研究者把火焰发展的过程分为点火阶段、过渡阶段以及稳定传播阶段3个时段，并认为在火焰传播的不同时段存在不同机制。在点火阶段，火核发展的动力主要依靠初始点火能量，由于火核的膨胀、火焰向电极散热等因素的影响，火焰锋面传播速度逐渐变慢，只有当点火能量大到能克服能量的耗散，并且火核尺寸大于关键尺寸，火焰发展才能进入到过渡阶段。过渡阶段火焰发展的能量主要来自燃料反应，此时点火能量的效能已经减弱，随着燃料脱氢加氧反应的加剧，能量释放的速率加大，火焰速度逐步增大。当燃料燃烧释放与消耗能量的速率达到动态平衡时，火焰发展进入稳定传播阶段。微波的加入能大幅提高火焰核心处的火焰传播速度，并且随着馈入微波能的增大，过渡阶段几乎被跳过，这表明在微波的作用下点火火核向火焰传播的转变过程并不只依靠燃料反应产生的活性基团，同时也依靠被微波激发的电子碰撞和激发态自由基。而在进入火焰稳定传播阶段后，无论馈入多大的微波能量，所有试验条件下的火焰速度都趋于同一数值，这说明点火阶段馈入的额外微波能量并不会影响燃烧的主燃期过程。

为了研究微波对等离子体尺寸的物理影响，还试验探索了在纯空气条件下的微波对火花塞放电等离子体尺寸(火花内核尺寸)影响。图5示出了不同微波馈入能量，在非反应条件下的火花塞放电等离子体的尺寸变化规律。由图可知，随着馈入微波能量的增加，等离子体尺寸在逐步增大。微波馈入持续0.1 ms时，等离子体尺寸小于0.2 cm。微波馈入时间为0.3 ms时，等离子体尺寸也刚超过0.2 cm。这两个工况下等离子体尺寸较小，不足以驱使点火向稳定火焰传播的转变。而微波馈入持续0.7 ms及以上时，测量获得的等离子体尺寸重合，该等离子体尺寸是馈入时间为0.3 ms时的2倍。但由于测量方向为垂直方向，大馈入时间下等离体子尺寸发展受到火花塞地极金属散热的影响，使得0.7 ms以后等离子体尺寸停止增长。

图5 非反应条件下等离子体尺寸规律

Srinivas Padala的研究提供了一种利用纹影图像分析等离子体尺寸的方法，即分析纹影图像中火焰核心的尺寸变化，把火焰核心尺寸发生明显梯度变化的点作为由等离子体扩散转为热气体扩散的界限。这种方法能大致估算出点火等离子体的尺寸，具有一定的借鉴意义，但仍有进一步完善的可能。

以上是自2009年提出MAI概念以来主要的MAI模式的试验研究，探究的影响因素从环境压力、温度、当量比到一系列的微波脉冲参数，逐步揭示了MAI模式的作用过程与作用机理。但这些研究大多是基于宏观参数的研究，用现象来描述作用过程，而少有深入到微观粒子作用的层面，这就导致关于MAI模式研究的创新点似乎只在燃料的变换层面上，使相关研究陷入被动。

国内至今仍没有关于MAI模式的研究，相近的研究只有清华大学王志等人提出的微波谐振腔等离子体点火(MRPI)，但该模式与MAI模式有所不同。

当然，关于MAI模式机理的研究可以借鉴国内已经进行的相关低温等离子体助燃的研究成果。

总体而言，目前针对MAI模式的研究还不全面，无论是微观上还是宏观上都存在很多无法合理解释的问题。但MAI模式已经展现出能改善稀薄燃烧的着火能力，并具有实际运用的巨大潜力。所以MAI研究还有很大的发展空间。

1.3 MAI模式的数值模拟研究

除试验探究以外，也有少量MAI模式的数值模拟研究。2009年Y. Ikeda等人[7]利用数值模拟软件模拟了微波场中的场强分布，结果见图6，微波场强度随着与电极距离的加大以三次方递减。这从侧面解释了火焰锋面远离电极之后受到的微波作用减弱的现象。

图6 微波场模拟结果

2011年A. DeFilippo等人[34]关于MAI模式的数值模拟研究也发现，随着压力的升高，微波协助点火的加强作用显著降低。随后的试验研究也验证了这一点[21-22]。

但这些文献中，微波协助点火的机理都不明确，其数值模拟部分的内容都很少。直到2015年，DeFilippo[35]等人基于数值模拟计算提出了详细的适用于MAI模式的化学反应机理，该机理囊括了振动及电子激发态的物质分离再复合反应、三体复合反应、电荷转移反应以及能量弛豫反应等。该机理的敏感性分析强调了自由电荷平衡以及氮的振动激发反应的重要性。

以上研究为今后进一步研究MAI提供了台架试验技术和数值模拟方法的支持。

2 微波协助点火机理讨论

微波协助点火(MAI)模式是首先利用常规火花塞放电击穿混合气产生等离子体团，再向等离子体团中馈入微波能，高频微波加速等离子体团中的带电粒子的运动。由于电子与离子巨大的质量差，电子更易被加速而获得高能量，高速电子与其他带电或中性粒子碰撞，发生分解、电离等反应，产生一些活性基团如羟基等，从而加速点火过程[7,20]。

目前，基于MAI模式机理探究主要分为微波等离子体物理机理和等离子体化学机理[28-31,36-37]两大类。

在微波等离子体物理机理方面，2013年Benjamin Wolk等人提出，在点火阶段微波引起等离子体扰动的振荡双流不稳定性，使得火焰起皱从而加强点火过程。2015年，Xiaojing Gu等人提出的“等离子体中断效应”，制约着微波脉冲的频率选择。物理学上的这些等离子体在高频电磁场中的运动以及作用特征为分析微波作用的宏观现象提供了理论依据。

而微波对化学反应的影响主要在两个方面，一是微波影响了有效碰撞的频率，二是微波影响了电子转动能级间的跃迁[38]。2014年，美国密西西比州立大学的Chuji Wang和Wei Wu[39]利用光谱分析了等离子体在协助燃烧过程中的作用，发现微波协助点火过程中起主要作用的是电子激发态的OH(A),而在燃烧过程中起主要作用的是电子基态的OH(X)。

关于微波等离子体作用的量子化学层面的机理研究，多是聚焦在点火燃烧不同时段的不同激发态微观粒子上，这些研究也为宏观上改进点火燃烧效率提供了理论指导。

由于微波协助点火是个新的研究方向，后续对MAI模式化学机理的探究可以借鉴以往已有的非平衡等离子体对燃烧过程的影响机理。但总的来说，目前对于MAI模式机理的研究相对较少较浅，还有很多方面值得探究。

3 总结与展望

a) MAI模式结合了传统火花塞以及微波点火的优点，无需改造内燃机的结构，能拓展天然气/汽油内燃机的稀燃极限，具有很强的实用性;

b) 目前,MAI模式能将天然气发动机的最大稀燃极限扩大到当量比0.52左右，如何进一步拓展MAI模式下的稀燃极限，是以后试验研究的方向之一;

c) MAI模式能通过稀薄燃烧大幅降低汽油机的NOx排放，但目前单独的原机排放仍不能满足美国法规要求，仍需要进行排气后处理来满足排放法规;

d) 已有的MAI模式的研究多限于宏观层面，而关于微波作用等离子体的微观过程研究则很少，对MAI模式的作用机理研究还不完善，仍需更深入的探索。

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[编辑： 姜晓博]

Research Progress of Microwave Assisted Ignition for Internal Combustion Engine

WANG Zhaowen1， ZHANG Xinhua1， CHENG Xiaobei1， ZHAN Lamin2， CHI Hao1， SHI Shuguo1

(1. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China；2. School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Lean burn is one of the most potential technologies that can improve thermal efficiency and reduce emissions of internal combustion engine. For the ignition difficulty and combustion instability of lean burn，a new ignition method named microwave assisted ignition(MAI) was introduced and the home and abroad research progress including engine test, optical study in constant volume chamber and ignition mechanism research was described. Moreover, it was indicated that MAI could greatly improve the lean limit without changing the structure of conventional engine, which therefore had a great potential for improving the lean burn performance of gasoline or natural gas engine.

ICE; lean burn; microwave assisted ignition(MAI); mechanism research

2016-08-12；

2016-09-14

国家自然科学基金项目(51576083)

王兆文(1978—)，男，讲师，博士，主要研究方向为内燃机性能、流动、燃烧和排放控制；wangzhaowen1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.001

TK411.24

A

1001-2222(2016)06-0001-07