微波点火技术及其在汽油机上的应用

玉环第二职业技术学校 金娇荣

1 传统火花塞点火方式的缺点

火花塞点火应用于汽油机已经有100多年的历史。点火虽然从一开始的单点点火发展到了目前的多点点火，但却依然是沿用火花塞点火技术，而火花塞点火技术的进步却掩盖不了火花塞点火系统存在的问题。

（1）火花塞点火方式造成的汽油机燃烧循环波动率要高于柴油机，且有研究表明燃烧循环波动率每增大1%，汽油机的指示热效率便降低1.5%。

（2）均质可燃混合气单点点火的燃烧模式易使汽油机发生爆震，限制了汽油机压缩比的增大，不利于汽油机热效率的提高。

（3）采用火花塞点火技术的汽油机，燃料的燃烧热能利用效率只有35%～40%，可燃混合气的不充分燃烧，既浪费了石油资源，又加剧了环境污染。

（4）稀薄燃烧虽然可以降低油耗，减少有毒有害气体的排放，但点火困难。采用火花塞点火方式，可燃混合气最多只可以稀薄到空燃比为20.1∶1。

稀薄燃烧是提高传统汽油机热效率的重要技术，是未来汽油机发展的重要方向。传统的火花塞点火方式是单点点火，在稀薄燃烧汽油机上使用，会导致汽油机冷起动困难、循环波动大、燃烧不稳定、燃烧不完全、燃烧速度慢、定容度低等问题，降低了汽油机的燃油经济性、动力性和排放净化性。为解决传统火花塞单点点火引起的问题，目前通常采用加大火花塞点火能量、安装双火花塞及激光点火等技术。采用高能点火可以提高击穿可燃混合气的能量，降低失火概率，提高燃烧稳定性，但其并未脱离传统单点点火模式，而且较高的点火能量会降低火花塞的使用寿命。因此采用多点点火方式是一种较为有效的改善传统汽油机热效率的手段。多点点火是指在燃烧室内的不同位置同时产生多个着火点并实现火焰传播的点火模式。这种方法可以减少火焰传播距离，从而有利于缩短燃烧持续期，降低散热损失，这将大大改善着火性能并有效提高汽油机的热效率。目前实现多点点火的方法主要有2种。一种是多火花塞点火，即在汽油机上安装多个火花塞进行同步或异步点火，这种多点点火装置简单易行，但多火花塞点火系统必然会增加汽油机的制造成本，由于汽油机上的安装尺寸非常有限，目前采用这种点火方式的汽油机还不多。另一种是激光诱导多点点火，即利用激光高能的特性，将激光入射路径上的燃料引燃。虽然这种点火方式能够实现空间大体积多点点火，但点火效率较低，成本昂贵，且需要在汽油机内部构建复杂的光学通路，限制了其在实际汽油机中的应用。

随着汽车工业的迅速发展，环境污染问题和石油资源枯竭制约了传统燃油汽车的发展，科技人员一直都在积极地寻找新型的汽油机燃烧方式，以提高汽油机的燃烧效率，降低燃油消耗，减少有害气体排放。微波点火技术的出现，打破了火花塞点火方式的统治地位。微波点火技术是一种通过辐射微波的形式对可燃混合气进行点火，可使燃烧室内的可燃混合气的燃烧更加快速，更加充分，可大大提升可燃混合气的燃烧效率，降低燃料消耗。德国MWI公司采用微波点火技术研发的微波点火装置，在汽油机上的试验数据显示，燃油消耗可降低30%，有害气体排放可降低80%，由此可见，汽油机采用微波点火方式，可以使可燃混合气燃烧更加充分，具有较好的节能减排效果，随着汽油机排放标准的不断加严，微波点火技术将会大放异彩。

2 微波及其特点

微波属于电磁波的一种，是一种频率非常高或波长非常短的电磁波，一般地，其频率为300 MHz～300 GHz，对应的波长为1 m～1 mm，其与机械波的最大区别在于能在真空中传播，不需要任何介质。微波在整个微波波段内又可以划分为更细小的波段（表1）。不同波段的电磁波具有不同的性质。微波是电磁波，因此它具有电磁波诸如反射、投射、干涉、衍射、偏振及伴随着电磁波进行能量传输等波动特性，这也就决定了微波的产生、传输放大、辐射等问题都不同于普通的无线电、交流电，在微波系统中没有导线式的电路，在微波领域，通常应用所谓“场”的概念来分析系统内电磁波的结构，并采用功率、频率、阻抗、驻波等作为微波测量的基本量。微波的传播速度为光速，在传输过程中遇金属会反射，微波在多次反射后会形成漫反射，同时如果入射波与反射波叠加，会形成驻波。在微波波导或谐振腔中，微波电磁场的驻波分布现象很常见，微波炉腔体内加热就是通过驻波的方式进行的。微波传输过程中，在10个波长以上的空间内有明显的方向性，微波经墙壁的多次反射形成漫反射，漫反射的微波是大容积微波均匀加热的主要途径；而微波在10个波长以内，特别是小于5个波长的情况下，方向性不明显，在此情况下，微波在腔体内形成谐振状态。

相对于低频无线电波而言，微波具有高频率、强穿透、短波长、量子特性和散射特性等，这些特性可广泛应用与工农业生产、军事、科技生活等领域，譬如，在第二次世界大战的早期，人们利用微波的反射和定向特性，发明了雷达，雷达除了在军事领域应用之外，车载防撞雷达、气象雷达、导航雷达等也已经被广泛应用。再如，科技人员利用微波在大气层中的强穿透力特性，实现了全球卫星通信、全球电视直播等等，微波炉也已经成为了人们必备的厨房家电。

表1 微波细小波段的划分

2 微波点火技术

2.1 微波点火技术在汽油机上的研究和应用历程

汽车诞生以来的100多年，火花塞点火方式一直占据着汽油机点火的统治地位。20世纪70年代，Ward May等人研究发现采用微波等离子体辅助点火方式可有效促进燃烧。1988年，Nash研究出了1/4波长同轴谐振腔（QWCCR，Quarter Wave Coaxial Cavity Resonator），将微波能量从外界耦合到该谐振腔内部，在谐振腔的内导体顶端会形成足够强的电场，击穿气体而产生等离子体火焰，从而达到点火效果。1992年，Van Voorhies和Bonazza等人初次建议可以将QWCCR作为一种内燃机点火器，提出QWCCR在2 GHz时可以替代火花塞，并可以在106 Pa气压下工作。2001年，美国西弗吉尼亚大学成功制作出谐振频率为2.45 GHz的QWCCR，实验证明在600 kPa的大气压下，在输入功率为35 W～200 W时，QWCCR产生的等离子体火焰的半径达到了2 mm。2006年，Maurice Kettner等人将QWCCR安装在一台可视化的宝马F650汽油机上进行点火试验，结果发现单个微波脉冲波的持续周期为1 μs的多脉冲波，可得到稳定的点火性能。2009年，德国微波点火公司（MWI，Micro Wave Ignition AG）成功地将微波辐射到汽油机燃烧室内，实现了微波点火，结果发现微波点火能够极大地降低油耗，减少有害气体排放，从此微波点火技术开始引起了汽车科技人员的高度重视。2011年美国西弗吉尼亚大学成又对QWCCR微波点火与传统多点点火进行了对比测试，发现QWCCR微波点火对乙烯和乙烷的稀薄混合物燃烧效果有显著提高，认为QWCCR可以作为一种稀薄燃烧点火器。采用火花塞点火方式，可燃混合气最多可以稀薄到空燃比为20.1，而采用微波点火技术，即使可燃混合气的空燃比为22.35～26.8，依然可以有效点燃，这对降低汽车尾气排放大有益处。

2.2 微波点火的基本原理和点火方式

微波点火技术利用特定频率的微波谐振形成强电磁场，击穿燃烧室内大范围的可燃混合气，使等离子体（等离子体又叫做电浆，由电子、离子等带电粒子及中性粒子组成，宏观上呈现准中性，且具有集体效应的混合气体。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态）数量增加，形成空间多点点火，突破了传统火花塞单点点火的限制，具有点火可靠、燃烧稳定、燃烧速度快和热效率高等优点，且无需改变汽油机结构，是一种具有应用潜力的新型汽油机点火模式。根据目前的报道和文献，可将微波点火方式归纳为微波谐振炬点火（MTI，Microwave resonator Torch Ignition）、微波辐射空间点火（MSI，Microwave radiation Space Ignition）和微波等离子体助燃点火（MAI，Microwave plasma Assisted Ignition）等3种。

2.3 微波谐振炬点火（MTI， Microwave resonator Torch Ignition）

振腔。由于谐振腔开路端可等效为阻抗无穷大，在谐振状态下在开路端能形成电场波腹，从而得到很大的电场强度，从而击穿可燃混合气进而实现微波点火。基于1/4波长同轴谐振腔（QWCCR）的微波谐振炬点火方式的原理是：向谐振腔中馈入特定频率的微波能量，可在中心电极端部附近产生一个足以击穿中心电极周围气体介质的强电磁场，从而产生可用于点火的微波等离子体而实现点火。

当微波在谐振腔内发生谐振时，电磁场的叠加会使得谐振腔内的电场强度幅值达到最大。当电场强度达到一定程度时，该区域产生微波等离子体火焰，会发生类似于火花塞点火的击穿放电现象，从而点燃周边大体积的可燃混合气。所谓微波谐振炬点火，就是利用耦合装置将特定频率的微波能量馈入到谐振腔内（类似于汽油机的燃烧室），使其发生谐振，当微波发生谐振时，产生微波等离子体火焰，点燃燃烧室中的可燃混合气来实现点火。微波谐振炬点火具有点火能量高、容易实现的优点。

2.3.1 基于1/4波长同轴谐振腔的微波谐振炬点火

微波谐振炬点火模式中最典型的是使用1/4波长同轴谐振腔（QWCCR，Quarter Wave Coaxial Cavity Resonator）作为点火器。QWCCR是一种结构简单的微波等离子体发生装置，其基本结构如图1所示，由谐振腔腔体和耦合器组成，谐振腔是由一端短路，另一端开路，长度为1/4波长的同轴线组成的半封闭谐振腔，是一种传输线型微波谐

图1 QWCCR的结构

试验结果表明，QWCCR的最低点火能量与传统火花塞基本接近，但在解决了微波能量传输效率和等离子体导致的阻抗失配问题后，其点火性能可以超过传统火花塞。QWCCR相比传统火花塞点火的另一优点是没有突出燃烧室内的电极，从而根除了电极被喷雾润湿的问题，非常适合喷雾引导的稀薄燃烧缸内直喷（GDI，Gasoline Direct Injection）汽油机，并且，由于其伸入燃烧室的尺寸比传统火花塞短很多，也就根除了大负荷时火花塞电极过热引起汽油机早燃的问题。采用QWCCR微波谐振炬点火无需对汽油机进行任何改造，且在拓宽稀薄燃烧极限方面具有一定的优势，但其缺点与传统火花塞点火方式一样，并未突破单点点火的传统模式。

2.3.2 基于圆柱形谐振腔的微波谐振炬点火

采用1/4波长同轴谐振腔（QWCCR）作为点火装置，点火效果较差，汽车科技人员又提出了基于圆柱形谐振腔（由上下两端金属封闭的圆柱形波导构成）的微波谐振炬点火方法。

理论上来说，任何封闭的金属空腔均可作为谐振腔。圆柱形谐振腔是与汽油机燃烧室最为相似的谐振腔。基于圆柱形谐振腔的微波谐振炬点火的基本原理与QWCCR相似，都是利用谐振腔内的微波谐振，使得空间中部分区域电场发生叠加，产生高场强区域，从而击穿气体介质而实现点火效果。不同的是，基于圆柱形谐振腔的微波谐振炬点火是将整个汽油机的燃烧室作为谐振腔，这样在谐振腔内部形成的高场强区域较大，容易形成大体积点火甚至空间多点点火。但为了满足谐振要求，需要对汽油机的燃烧室进行一定的改造。

圆柱形谐振腔的点火效果取决于谐振腔内部的电磁场分布。圆柱形谐振腔有几种典型的谐振模式，如横电振荡（TE111）、横磁振荡（TM010）等。TE111谐振模式的谐振与谐振腔的高度和半径有关。活塞在往复运动过程中，谐振腔高度达到某一高度时即可发生谐振，从而激发微波等离子体进行点火。在点火过程中，可向谐振腔内馈入持续的微波能量，从而能够充分利用微波助燃的特性，提高后续燃烧过程的燃烧效率。而TM010谐振模式的电场存在方式较为简单，只存在轴向方向的电场，且电场强度的分布只与径向半径有关，而与谐振腔的高度无关，对谐振腔的尺寸精度要求不太苛刻。当活塞运行到特定位置（上止点）时，馈入脉冲式微波能量即可激发微波等离子体进行点火。因此，和TE111谐振模式相比，TM010谐振模式的谐振腔体积较小，且对谐振腔的尺寸精度要求不高，能在较低微波能量下得到较高的电场强度。

基于圆柱形谐振腔的微波谐振炬点火采用矩形波导传输微波能量，利用孔耦合将微波能量馈入谐振腔。经过理论计算，当谐振腔高度为138 mm时即可发生谐振，而实际汽油机燃烧室的高度只有10多mm，因此若将整个谐振腔作为燃烧室显然不合理。图2所示为一种基于圆柱形谐振腔的微波谐振炬点火模型，利用石英玻璃将谐振腔分为2个部分，一部分为空气腔（约为100 mm），另一部分作为燃烧室，燃烧室的高度由短路活塞控制，通过调节燃烧室的高度即可控制谐振腔是否发生谐振。

而为产生多点点火，需要在谐振腔内形成多个电场强度高于击穿场强的区域，可以在谐振腔内部植入多个（譬如3个）金属尖端（图3）。在电场中的金属尖端会使得空间中的电场发生畸变，且曲率半径越大，场强畸变越明显，场强畸变会极大地增加金属尖端附近的电场强度，这有利于在多个金属尖端附近发生击穿放电现象，形成多个着火点，实现多点点火。

2.3.3 谐振腔腔体耦合结构

实际应用的谐振腔都不是孤立的，孤立的腔体不可能存在电磁能量，谐振腔必须与外电路连接作为微波系统的一个部件才能工作，即谐振腔必须通过耦合装置（图4）与外电路之间发生耦合，由外电路引进微波信号才能在腔体内激励起所需模式的电磁振荡。

图2 基于圆柱形谐振腔的微波谐振炬点火模型

图3 谐振腔内部植入多个金属尖端

图4 谐振腔的耦合

不同的谐振腔系统通常存在不同的耦合方式，从电场与磁场的作用上看，大体上可以分为电耦合（谐振腔与外电路通过电场而耦合）、磁耦合（谐振腔与外电路的耦合通过磁场相互作用来实现）和电磁耦合（通过电场耦合和磁场耦合一起作用，即谐振腔与外部电路通过电场与磁场相耦合）等3种耦合方式。而从耦合结构上看，如图5所示，大体上可以分为探针耦合、环耦合、孔耦合等3种方式。

图5 谐振腔的耦合结构

（1）电耦合（探针耦合）

探针耦合（图5a）属于一种电耦合，一般用于同轴线传输与谐振腔之间的耦合，是利用插入谐振腔的一根金属探针通过电场的作用来达到耦合目的的。若要在谐振腔中激励起某一谐振模式，则要求金属探针插入方向平行于金属探针处原来的腔内电力线方向。一般情况下，探针的位置处于腔体要被激励电场的最强位置，耦合度的强弱取决于探针插入的深度、大小等。

（2）磁耦合（环耦合）

磁耦合式是利用通过谐振腔壁的小孔而引入的耦合环以磁场耦合的方式来实现的，因此也称为环耦合。在同轴线传输与谐振腔之间进行能量馈入时，通常采用环耦合（图5b）方式。它是通过耦合装置与腔体内壁形成闭合环路来实现两种结构之间能量的耦合的。把同轴线的内导体深入腔体内部，弯成小环形状，一端与腔体内部连接在一起，形成闭合回路。若要在谐振腔中激励起某一种谐振模式，耦合环平面的法线应与腔中磁力线平行，或者让磁力线穿过耦合环。耦合环一般置于腔体内要被激励磁场最强的地方，环面与磁力线垂直。环的大小、位置等都影响耦合强度。

（3）孔耦合（图5c）是利用电磁波的绕射特性，把电磁场通过小孔耦合进谐振腔内来实现的，一般用在波导与谐振腔之间的耦合。若要在谐振腔中激励起某一种谐振模式，则要求耦合孔放在谐振腔内的电力线或磁力线（或者同时存在）与波导传输的同类力线相一致的地方。孔耦合存在不同的耦合方式，有电耦合，有磁耦合，也可能两者都有。耦合孔的位置及大小和形状对耦合度有影响。

2.4 微波辐射空间点火（MSI，Microwave radiation Space Ignition）

所谓微波辐射空间点火，就是在整个燃烧室内形成强电场击穿可燃混合气，形成空间多点点火效果（图6）。空间辐射微波点火的优点是能够实现空间多点点火，但是其缺点是实施点火比较困难。

图6 微波辐射空间点火效果

图7 传统点火和微波辐射空间点火（MSI）的对比

微波辐射空间点火模式中，最具有代表性的是德国微波点火公司（MWI，Micro Wave Ignition AG）的MWI燃烧，即将特定频率的微波脉冲入射至燃烧室内，微波在燃烧室内来回反射，燃料中质量约为3%的特定碳氢分子首先被裂解，产生活性基团，启动了热链式反应，在燃烧室内多处产生微波等离子体，实现了空间均匀分布、多点同时着火的燃烧过程（图7）。该技术有利于改善循环波动、提高燃烧速度和燃烧效率。MWI燃烧相比于传统火花塞点火，缩短甚至消除了从火花塞跳火至火核生成的层流燃烧过程，直接跨入湍流燃烧阶段（图8），从而大大加速了燃烧。

图8 MWI多点点火湍流燃烧

微波辐射空间点火（MSI）也利用了微波谐振腔原理，但MSI是将谐振腔和燃烧室有机结合起来，整个燃烧室都作为谐振腔，可以实现整个燃烧室内的空间多点大面积着火，且这种多点着火又区别于空间同时着火，极大地拓展了稀薄燃烧极限，MWI燃烧甚至可使汽油机稀薄燃烧极限从空燃比20.1提高到44.7，燃烧温度低，排放低，减少了对冷却系统、排放后处理催化器和微粒捕集器的依赖，可使燃油消耗降低30%，CO2降低30%，CO、NOx、HC等有害排放物减少80%。

2.5 微波等离子体助燃点火（MAI，Microwave plasma Assisted Ignition）

所谓微波等离子体助燃点火（MAI，Microwave plasma Assisted Ignition），就是首先通过传统火花塞点火形成直流等离子体源，然后微波辐射直流等离子体源，使之吸收能量迅速扩展，从而达到点火效果。微波等离子体助燃点火的优缺点和微波谐振炬点火相似。

早在1814年，Rrande就发现了等离子体与火焰的相互作用，Rrande将电场加注到不同的火焰，发现火焰会靠向电极，由此得出电场影响火焰传播的理论。早在1904年，Haselfoot和Kirkby就观察到了等离子体能强化点火，Haselfoot和Kirkby发现，放电可点燃通常情况下不能燃烧的低压混合物。2009年，日本Imagineering Inc公司的Yuji Ikeda等人将等离子体助燃与传统火花塞点火相结合研发了一种新型微波诱导等离子体点火系统（Microwave Plasma Ignition System），该点火系统集成了传统火花塞、微波传输系统与微波控制系统，其原理为首先火花塞放电产生等离子体源，集成在火花塞上的微波发射天线发出微波脉冲，等离子体源吸收微波辐射能量后迅速向四周扩展，实现微波辅助燃烧（图9）。研究表明，采用微波等离子体辅助点火系统可以有效扩展汽油机稀薄燃烧极限（从空燃比19.3拓展至24.1），显著提高着火稳定性，汽油机中小负荷下的燃油消耗、排放和循环波动大幅降低（和火花塞点火理论空燃比附近的燃烧相比，CO2和CO排放降低30%以上，NOx降低70%以上）。

图9 微波等离子体助燃点火（MAI）

微波等离子体助燃点火（MAI）避开了微波难以击穿高压可燃混合气的难题，通过火花塞点火率先击穿可燃混合气形成等离子体，然后馈入少量的微波能量，形成的电磁场即可达到增强等离子体核的目的。等离子体和传统火花塞点火相结合的这种复合点火方式，既可用于汽油机中小负荷，也可用于大负荷加快初期火焰传播速度，抑制爆震，具有良好的应用前景，但该点火方式仍然属于单点点火，节能效果有限。

3 其他微波点火技术

为了提高微波辐射空间点火（MSI）技术的实用性，清华大学的兰光等人提出了微波谐振空间着火技术，在常温条件下，使用功率为300 W的微波，可击穿压力为1 MPa的可燃混合气，实现了可燃混合气的空间多点着火，证明了微波点火技术在汽油机上应用的可行性。另外，苏格兰格拉斯哥大学的李坛等人还提出了均质预混微波着火（HCMI，Homogeneous Charge Microwave Ignition），即通过微波在燃烧室内形成的电磁场来实现均质预混压燃（HCCI，Homogeneous Charge Compresion Ignition），且能保证实现多点着火。