簡要介紹了微波點火技術(shù)，對四分之一波長同軸諧振腔點火器的發(fā)展進行了概述。采用三維電磁仿真軟件HFSS模擬了內(nèi)導(dǎo)體對稱環(huán)結(jié)構(gòu)的耦合方式。在輸入功率為400W 時，內(nèi)導(dǎo)體的頂部電場強度可達到2.3×107　V/m左右，滿足汽車發(fā)動機在高達1×106　Pa氣壓下激發(fā)等離子體火焰的門限條件—2.25×107　V/m。

　　全球石油資源的日益枯竭，對汽車工業(yè)的發(fā)展和人們的出行起到了限制作用，提升發(fā)動機的燃油利用效率是緩解石油資源枯竭的重要途徑之一。一直以來，汽車發(fā)動機都是采用火花塞點火方式，燃料的燃燒熱能利用效率大約只有35%～40%。混合燃氣的不充分燃燒，既浪費了石油資源，又加劇了環(huán)境污染。

　　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。德國MWI公司應(yīng)用一種新型點火方式———微波點火，研發(fā)了一套微波點火裝置，可使燃油消耗降低30%，尾氣排放降低80%�？梢�，微波點火相對于傳統(tǒng)的火花塞點火方式而言，它具有燃油利用效率高、有毒氣體排放低等優(yōu)點。

1、四分之一波長同軸諧振腔微波點火器的發(fā)展

　　微波點火大致可以分為3類：微波諧振矩點火、微波輻射空間點火、微波等離子體助燃。一種簡單的微波諧振矩點火器是四分之一波長同軸諧振腔(QWCCR)點火器(如圖1)，其理論基礎(chǔ)為QWCCR理論。微波能量從外界耦合到諧振腔內(nèi)部，在諧振腔的內(nèi)導(dǎo)體頂端形成足夠強的電場，產(chǎn)生等離子體火焰達到點火效果。汽車發(fā)動機的工作氣壓一般在1×10⁶Pa以下，對應(yīng)的最高擊穿電場為2.25×10⁷V/m。

圖1　QWCCR結(jié)構(gòu)圖

　　從1988年Nash研究了QWCCR，作為射頻功率處理元件開始，直到1992年Bonazza和VanVoorhies等提出QWCCR可以作為內(nèi)燃機點火器。Bonazza等提出QWCCR 在2GHz時可以替代火花塞，并且可以在106　Pa氣壓下工作。他們推測如果QWCCR的體積比傳統(tǒng)直流點火器的體積大，它在稀薄燃燒中將更有優(yōu)勢。Van　Voorhies等在理論上粗略分析了QWCCR在2GHz時的放電機制，他們認(rèn)為最大電場強度為30kV/cm 和電子密度為1023　m-3時，足以造成點火。

　　美國西弗吉尼亞大學(xué)對QWCCR做了一系列研究，2001年他們做出了諧振頻率為2.45GHz的QWCCR。實驗證明了在輸入功率35～200 W 和5.92×106　Pa氣壓下，形成了半徑2mm 的微波等離子體火焰。2009年，他們著重分析了QWCCR的幾何尺寸對諧振腔Q 值和內(nèi)導(dǎo)體尖端電場的影響，并加工了一種型號的點火器來驗證他們的理論分析。實驗測得的Q 值比理論分析要低，他們認(rèn)為是實物表面電阻加工帶來的誤差和氧化造成的。2011年，他們又對QWCCR點火與傳統(tǒng)的多點點火作了對比測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(rèn)為QWCCR 可以作為一種稀薄燃燒點火器。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　2.1、耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　諧振腔與外電路常用的耦合方式有探針耦合、環(huán)耦合、孔耦合。選擇一種合適的耦合方式，不僅要保證諧振腔的性能，還要考慮其方法的簡便性。本文采用環(huán)耦合方式，不同于傳統(tǒng)環(huán)耦合結(jié)構(gòu)。我們采用了兩邊對稱的四分之一圓環(huán)結(jié)構(gòu)(如圖2)，微波能量從腔體的底端中心饋入。這種耦合結(jié)構(gòu)不但保證了諧振腔的性能，而且便于一體化加工。

圖2　四分之一圓環(huán)對稱耦合結(jié)構(gòu)圖

　　2.2、腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　諧振腔的幾何尺寸，很大程度上決定了其Q 值的大小。Q 值反應(yīng)了諧振腔的貯能情況，原則上應(yīng)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(dǎo)體內(nèi)徑與內(nèi)導(dǎo)體外徑的比值約為3.6時，諧振腔的Q 值最大。但是當(dāng)諧振腔的尺寸過大時，同樣帶來了較大的腔體內(nèi)表面的歐姆阻抗損耗和頂端開口處的輻射損耗。而且當(dāng)諧振腔具有最大Q 值時，并不能使內(nèi)導(dǎo)體的尖端形成最大的電場，因為小直徑的內(nèi)導(dǎo)體更容易激發(fā)尖端強電場。

結(jié)論

　　本文簡要介紹了微波點火技術(shù)，對QWCCR點火器的發(fā)展進行了概述。采用三維電磁仿真軟件HFSS模擬了內(nèi)導(dǎo)體對稱環(huán)結(jié)構(gòu)的耦合方式，分析了腔體內(nèi)部電場分布對點火器性能的影響。腔內(nèi)的電場主要集中在內(nèi)導(dǎo)體表面，特別是在頂端處。當(dāng)輸入功率為1 W 時，內(nèi)導(dǎo)體的頂端處電場可達到106　V/m左右。隨著功率的增加，電場也隨之增強。當(dāng)輸入功率為400W 時，內(nèi)導(dǎo)體頂端表面就能達到106　Pa氣壓下的擊穿場強—2.25×107　V/m。隨著輸入功率的再次增加，擊穿區(qū)域也相應(yīng)變大�？梢栽谄�車燃燒室內(nèi)，形成等離子體火焰，達到點火效果。