一種新型的汽車發動機微波點火器

彭志偉

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

隨著全球溫室效應的日益增加，節能減排的呼聲越來越高，提升內燃機的燃油利用效率是節能減排的重要途徑之一。稀薄燃燒可以降低油耗，減少有毒有害氣體的排放，但點火困難[1]。2011年美國西弗吉尼亞大學對四分之一波長（QW CCR）同軸線諧振腔微波點火器與傳統的多點點火作了對比測試，結果發現QWCCR微波點火器，在對乙烯和乙烷的稀薄混合物的燃燒有顯著的提高，認為QWCCR可以作為一種稀薄燃燒點火器[2]。微波點火相對于傳統的火花塞點火方式而言，它具有點火能量高、燃油利用效率高、有毒氣體排放低等優點[3-4]。

一種簡單的微波點火器是四分之一波長同軸線諧振腔微波點火器，其理論基礎為四分之一波長同軸諧振腔理論。微波能量從外界耦合到諧振腔內部，在諧振腔的內導體頂部形成足夠強的電場，產生等離子體火焰達到點火效果。汽車發動機的工作氣壓一般在1×106Pa以下，對應的最高擊穿電場為 2.25×107V/m[5]。

文中提出了一種新型的同軸線諧振腔微波點火器，其工作頻率為2.45 GHz，結構簡單。內導體的階梯結構，使得頂端處的電場達到設計要求。倒L型耦合器，保證了能量的利用效率、諧振腔的性能，并且易于加工批量生產。

1 結構設計

1.1 耦合結構設計

諧振腔與外電路常用的耦合方式有：探針耦合、環耦合、孔耦合[6]。文中采用倒L型環耦合方式（如圖1所標），這種耦合結構不但保證了諧振腔的性能，而且簡單便于加工。

圖1 仿真模型圖Fig.1 Simulationmodel diagram

1.2 腔體結構設計

諧振腔的幾何尺寸，很大程度上就決定了其Q值的大小。Q值則反應了諧振腔的貯能情況，原則上我們應該使諧振腔的Q值越大越好。在不考慮開口處輻射損耗的情況下，外導體內徑與內導體外徑的比值約為3.6時，諧振腔的Q值最大。但是當諧振腔的尺寸過大時，同樣帶來了較大的腔體內表面的歐姆阻抗損耗和頂端開口處的輻射損耗。而且當諧振腔具有最大Q值時，并不能使內導體的尖端形成最大的電場，因為小直徑的內導體更容易激發尖端強電場[4]。綜合以上各種因數，我們設計出來的諧振腔腔體仿真模型如圖2，結構如圖 3，參數如表1。

圖2 點火器結構示意圖Fig.2 diagram of ignition

表1 同軸線諧振腔參數Tab.1 Coaxial resonator parameters

2 腔體仿真結果與分析

圖3 內導體尖端處電場分布(1W)Fig.3 Disribution of electric field at the tip of the inner conductor

采用三維電磁仿真軟件HFSS對所提出的模型進行仿真發現：1）內導體的階梯結構對尖端的電場作用很大，如圖3（a）可以看到電場在1.1×106 v/m左右;在同樣的耦合情況下對內導體沒有階梯的結構進行了仿真:如圖3（b）是內導體直徑為D時，尖端處的電場分布，可以看到電場在3.4×104 v/m左右；如圖3（c）是內導體直徑為d時，尖端處的電場，大致在5.5×104 v/m左右；2）電場主要集中在內導體周圍,在耦合結構處的電場較低（如圖4），當微波能量耦合到諧振腔內部時，接口處不會被強電場擊穿。

圖4 電場整體分布圖Fig.4 The overall disribution of the electic field

在標準大氣壓下，空氣擊穿的電場為3×106v/m。隨著氣壓的增加，擊穿電場也隨之增強[4]。圖3到圖4的電場分布圖，都是在輸入功率為1W時得到的。隨著功率的增加，電場也隨之增強。當輸入功率為500W時，內導體頂端電場達到2.4×107v/m，但是只集中在其表面，區域較小。再加大輸入功率到600W時，點火區域變大（如圖5）。

圖5 尖端電場分布（600W）Fig.5 Sophisticated electric field distribion

3 結論

文中提出了一種新型的同軸線諧振腔微波點火器，其工作頻率為2.45 GHz,結構簡單，易于批量生產。通過HFSS軟件對所提出的結構進行了仿真研究，腔內的電場主要集中在內導體表面，特別是在頂端處。當輸入功率為1W時，內導體的頂端處電場可達到1.1×106v/m左右。隨著功率的增加，電場也隨之增強。當輸入功率為500W時，內導體頂端表面就能達到10個標準大氣壓下的擊穿場強—2.25×107v/m，達到點火效果。隨著輸入功率的再次增加，點火區域也相應變大。

[1]于京諾，陳燕，王昕彥.汽油機稀薄燃燒技術[J].交通標準化，2004(10):79-80.YU Jing-nuo,CHEN Yan,WANG Xin-yan.Gasoline lean combustion technology[J].Communications Standardization，2004(10):79-80.

[2]Stevens,Pertl C A,Hoke F A,J.L,et al.Comparative testing of a novelmicrowave ignition source,the quarter wave coaxial cavity igniter [J].Journal of Automobile Engineering,2011,225(12)：1633-1634.

[3]蘭光，王志.內燃機微波點火研究進展綜述[J].車用發動機，2012（3）:1-2.LAN Guang,WANG Zhi.Research development microwave ignition internal combustion engines [J].Vehicle Engine,2012(3):1-2.

[4]Pertl F A,Smith J E.Electromagnetic design of a novel microwave internal combustion Engine ignition source[J].JournalofAutomobile Engineering,2009,223(11)：1405-1411.

[5]電子科技大學.一種汽車發動機用折疊同軸腔微波點火器:中國,201120075294.6[P].2011-11-16[2013-5-13].

[6]廖承恩.微波技術基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社,1994.