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1.微波辅助点火增强模式及其转化研究
作者：吴慧珉;张毅 ;李荣杰;刘超辉;许景星;王兆文;成晓北
作者单位：华中科技大学;浙江吉利控股集团有限公司
关键词：微波辅助点火;辉光增强;炽光增强;等离子体
摘 要：基于微波辅助点火的定容弹台架，对当量比为 0.7 下的甲烷-空气混合物进行了微波增强的点火试验．采 用了功率诊断检测能量吸收，并以等离子体在各个方向的冲击量化评估点火核心增强效果．研究表明，随着微波 功率的提高，先后出现了两种表观特性截然不同的等离子体，即辉光和炽光等离子体，并分别对应不同的微波增 强模式．随后研究了气体参数(气体压力、气体组分)对两种增强模式以及转换过程的影响，研究表明，较高的压 力(0.4 MPa)能促进炽光等离子体的出现，并能使增强效果的负压效应失效．此外，甲烷能抑制炽光增强的发 生，这可能是因为其生成产物水和二氧化碳能削弱等离子体对微波能量的吸收．并且与氮气相比，氧气更能使炽 光增强的功率转变临界值提前．炽光增强模式下的能量吸收与入射功率间存在明显的线性关系，此时等离子体内 电子数密度相对稳定．
世界日益严峻的能源局势和严格的排放法规对 内燃机的热效率和性能提出了更高的要求[1] ．稀薄燃 烧技术以较低的当量比能使发动机压缩比得以加大 以提高热效率．但传统火花塞受点火能量不足的限 制难以稳定点燃稀薄混合气[2] ．相关研究[3] 表明，在 刘易斯数(热扩散系数与质量扩散系数之比)大于 1 的情况下，点火核心的传播速度会经历先变小再增大 的过程．此时若点火能量不足以使其在最小传播速 度时突破最小点火半径，火核就会消散．因此，在火 核发展时保证充足的能量供应是保证点火成功的关 键．为了应对上述挑战，研究者们采用了各种手段， 如介质阻挡放电、纳秒脉冲放电等对火焰发展初期的 火核进行增强[4-6] ，但它们却存在着装置复杂、成本较 高等问题．
传统火花塞的点火会经过预击穿、击穿和电弧放 电或辉光放电过程[7] ，各个过程的电学特性(如电流 大小，电子数密度等)有较大的差别．而在火花塞点 火过程中加入微波进行增强点火，就是微波辅助点火 (MAI)的概念[8-9] ．在此期间微波的加入会显著改变 点火产生的等离子体的电学特性，微波中的高频电场 能通过影响等离子体中的自由电子使其加速来沉积 能量[4] ．加速后的高能电子可以碰撞燃料分子使其裂 解并形成一些额外的自由基，如 OH[10] ，以增强点火 的链分支反应．同时产生的热效应也能进一步促进 点火的发生．由于 MAI 能与现有火花塞整合，具有 不过多改变发动机结构的优点，因此是一种具有应用 潜力的技术．
MAI 在国内外已有一定研究进展，主要集中在 发动机点火的宏观性能和定容弹的可视化研究．在 单缸发动机和汽油机上的相关试验[8-9,11] 表明，在稀 燃条件下，MAI 在降低指示平均有效压力(IMEP)循 环变动系数、稳定点火过程、扩大稀燃极限、加速点 火核传播等方面具有诸多优点．在定容弹试验方面， 改变气体参数，如增大压力或接近化学计量比的条件 会削弱 MAI 的增强效果[12] ，并分别将其解释为自由 程缩短和火核发展速度快导致的电子耦合微波能量 减少．但与气体参数相比，微波脉冲参数的影响则更 加复杂．Wolk 等[12] 采用定容燃烧室研究了微波脉冲 辐射延迟对 MAI 的影响，发现约 1.25 ms 的轻微延 迟时间有利于 MAI 性能的提升．然而，Hwang 等[13] 进行的类似研究却发现，提前 0.5 ms 的微波辐射对 MAI 性能更为有利．此外，微波脉冲频率也随着气体 组分的不同而对 MAI 产生不同的影响，如二氧化碳 的稀释会使高脉冲频率下的增强效果降低[14] ．
另一方面，微波能量也是影响 MAI 增强效果的 一个重要参数，其影响探究对微波能量吸收等测量技 术提出了较高的要求．相关试验[15-16] 从等离子体吸 收能量的角度评判了微波参数对点火产生的作 用．结果表明，点火增强效果的好坏与吸收的能量大 小相关，并且微波辐射可以使等离子体内电子数增 加，进而导致吸收功率增大．另外，研究发现了由电 子数密度决定的不同能量吸收模式．高功率微波脉 冲会使等离子体电子数密度快速增加并达到“饱和 吸收模式”[16] ．但是，不同能量吸收模式对点火增强 的影响尚未得到详细讨论，并且影响不同吸收模式形 成的因素仍然未知．
因此，可针对以上提及的不同能量吸收模式和点 火增强之间的关系进行研究，并通过调整微波脉冲入 射功率来实现对能量吸收模式的控制．根据点火核 心中等离子体的表现形态和能量吸收情况的不同，将 微波脉冲对点火的增强分为辉光增强和炽光增强两 种，并对不同增强模式下的增强效果进行讨论．研究 了气体参数(即气体压力和气体组分)对这两种点火增 强模式及其转变的影响，并对其原因加以解释.
1 试验装置及方案
1.1 试验装置
图 1 为试验装置示意，试验台架的详细描述可参 照以往研究[16] ，在这里只做简单介绍．试验在 1.6 L 定容燃烧室(CVCC)中进行．点火系统由一个商用火 花塞和一个点火线圈组成．点火电路充电时间固定 为 3 ms．在点火过程中，点火电压和电流分别由高压 探头(Tektronix，P6015 A)和电流探头(Tektronix， TCP 312)测量．为了确定等离子体吸收的微波能量， 采用两个功率探测器(Eclipse MDI，EZM2040N)测量 入射功率和反射功率．相关数据由示波器记录以计 算点火能量．在所有试验条件下计算的火花点火能恒定在(33.1±3) mJ．自制的火花塞通过拉长中心 电极并正对自制微波天线以形成对针结构．两个电 极之间的距离为 1.0 mm，且尖端的锥角约为 20°．使 用固态微波源以产生 2.45 GHz 的微波，并通过同轴 电缆传递至天线最后馈入 CVCC 中．为了研究点火 核以及微波等离子体形态，使用了具有高速摄像机 (Photron ，Mini AX200) 和 显 微 镜 头 ( 尼 康 ，AF-S 105 mm) 的 直 线 型 纹 影 系 统 ，分 辨 率 可 达 到 0.012 5 mm/像素，记录速度为 12 万帧/s，曝光时间为 8.33 µs．摄像机在点火前 0.3 ms 触发以覆盖整个点 火过程．
每次试验前，定容燃烧弹加热并保持在(373± 5) K，并安装压电压力传感器(Kistler 6125 C)监测瞬 态压力．可燃混合气由纯空气、甲烷和额外的氮气/氧 气组成并在 12 L 预混罐中制备，然后充入 CVCC．本 文的甲烷-空气当量比固定为 0.7，在确保点火成功的 同时能凸显微波的增强效果．试验中额外的氮气或 氧气的添加比定义为额外气体与总气体的体积比．
图 2 显示了触发脉冲的时序同步．信号发生器 (Fastlaser Tech，TFG-VII)发出 3 个脉冲来触发摄像 机、微波源和点火线圈．在点火后，以 0.325 ms 的延 迟向点火核发射脉冲宽度为 0.2 ms 的单个微波脉冲.
1.2 试验方案与数据处理
由于在之前的研究中，仅仅只是对馈入定容弹内 的 微 波 能 量 进 行 大 致 估 算 ，如 在 文 献 [17] 中 的 150 mJ，如此得到的等离子体能量吸收并不准确．因 此本文采用了功率诊断的方法，对等离子体吸收的微 波能量进行计算．试验中探测到的微波入射能量与 反射能量的差值主要包括两部分：CVCC 内部结构导 致的能量损失和点火核心吸收的能量，前一部分能量 损失只取决于 CVCC 的内部结构[16] ．因此，试验中 首先测量了未点火时的能量损失，得到未点火时的反 射功率与入射功率的关系，如式(1)所示，其置信度 为 97% ．之后再测量点火时的反射功率，两者的差即 为点火时火核总吸收能量，计算如(2)式所示．
式中：Eabs 为点火核吸收的能量；t1 和 t2 分别为微波 脉冲开始和结束的时间；Pin 和 Pre 分别为点火时的入 射功率和反射功率；Pavailable 为未点火时微波的可用 功率．图 2 展示了脉冲功率示意图，其中的条纹区域 即是点火核所吸收的能量．具体试验方案如表1所示.
不同于文献[12，14]中将火核面积或等效半径的 相对增长作为评判指标，为了评估火核的增强效果， 在考虑点火时微波等离子体射流方向性[14] 的情况下采用了改进后的增强指标以更好地突出微波在各个 方向上的点火增强．将火核沿顺时针方向均分为图 3 的 6 个部分，并用 Matlab 程序对图像进行处理．
具体的微波增强指数公式如式(3)所示．其表征 的意义是，将每个时刻下 6 个方向的微波增强与增强 之前进行比较并归一化，最后对每个时刻和方向的增 强进行积分整合．
式中：SMAI,i 为微波辅助点火时第 i 部分的点火核面 积；SSI,i为火花点火时第 i 部分的点火核面积．
2 结果与分析
2.1 微波辅助点火的不同增强模式
2.1.1 不同增强模式下的点火表现
图 4 展现了微波入射功率为 0～1 000 W 的情况 下，火核随时间发展的变化情况．可以看到在点火后 的 0.3 ms 内，火焰核心主要朝与电极垂直的方向发 展，此时微波还未馈入．因此该时间段内火核的发展 主要受到电极散热的限制，并主要限制了水平方向的 火焰发展．
当微波入射功率为 300 W 时，火核图像与功率 为 0 的情况并未体现出明显区别(未增强)．但是当 功率达到 400～750 W 时，微波馈入时间段内(如图 中 0.400 ms)出现了蓝紫色的辉光等离子体，但此时的等离子体体积较小，亮度较低．
而由于微波能量的 馈入，火核在水平方向得以继续发展，这说明微波的 加入在一定程度上可克服电极散热带来的影响．因 此当微波关闭后，水平方向的火核发展重新受到限 制，火核面积的增长主要体现在垂直方向．随着功率 继续增大(大于 800 W)时，电极间的等离子体性质发 生了显著变化．当入射功率为 800 W 时，与 750 W 相 比，等离子体颜色变成了蓝白色，其亮度和体积明显 变大，并且等离子体更加靠近天线侧．仅仅 50 W 的 功率增大却导致等离子体性质如此显著的区别，表明 这两种等离子体不能简单被归为一类．为了与辉光 等离子体区别开，将蓝白色的等离子体命名为炽光等 离子体．
随着火核持续传播，炽光等离子体依旧可以给火 核带来更加持久和明显的影响．较大的等离子体体 积甚至影响到了火核表面，给火焰锋面带去大量热量 的同时还传输了额外的自由基促进反应[10] ．因此即 便当微波关闭后，炽光等离子体带来的影响仍然持续 到了后期(4.000 ms)．与辉光等离子体相比，炽光等 离子体对火核锋面的冲击形成了附属点火核，对火核的水平方向造成显著增强．为了具体量化等离子体 对点火核心的增强效果，将增强指数 IEI 与微波入射 功率的关系绘制如图 5 所示．
图 5 直观地显示出了微波增强点火过程中增强 效果随功率变化的 3 个阶段．在未增强区(0～ 370 W)，增强指数均小于 1，意味着较小的微波功率 并没有带来明显的增强效果，这与图 4 中未增强区点 火核发展图像相互吻合．而在辉光增强区(370～ 650 W)，增强指数与入射功率之间近似呈现线性关 系．当微波功率进入炽光增强区(大于 650 W)时，数 据点的离散程度变大，并且增强指数差异较大．从点 A 的 7.43 到点 B 的 2.53，表明了炽光增强带来的增 强效果并不稳定，这与等离子体产生的空间分布随机 性有关．但是即便如此，炽光增强的增强指数平均值 依然达到了 4.56，高于辉光增强的增强指数值．值得 注意的是，图 5 中两种等离子体的数据点是根据入射 功率与反射功率之差，即吸收功率曲线特征以及等离 子体特征来区分，而非仅仅是入射功率，如图 6 及 2.12 节分析所示．因此不同增强区间里的数据点会 有所交叉，但图 5 中点 B 和点 C 增强指数的表现异 常也表明了影响点火增强模式的因素可能不仅仅是 入射功率．
2.1.2 不同增强模式下的能量分析
图 6 显示了微波脉冲期间探测功率随时间的变 化情况，可以看到不同吸收功率下的等离子体表现有 所不同．在微波馈入的 0.056 ms 内，等离子体吸收的 能量不断上升，而在此期间内辉光等离子体得以产 生．在 0.056 ms 后，等离子体的吸收功率基本维持在 35 W，即“饱和吸收”[16] ，辉光等离子体也随之转变 为炽光等离子体．这种等离子体性质变化与能量吸 收变化之间体现出的时间一致性也说明了炽光等离 子体的出现与能量吸收的多少有关．
为了进一步说明这一点，图 7 给出了等离子体能 量吸收与入射功率之间的关系．在图中可见，不同增强阶段内的能量吸收情况有明显差异．
在未增强区 域，等离子体吸收的微波能量大约在 0.5 mJ，与点火 能量(33.1 mJ)相比相差了两个数量级，这显然并不 会对点火核造成明显的影响．在辉光增强区域，能量 吸收随入射功率的增大而增大．相关文献指出[18-20] ， 等离子体对微波能量的吸收与等离子体性质(如电子 密度，体积大小等)和入射功率有关，其中吸收功率 Pab与入射功率 Pin近似呈线性关系，如(4)式所示．
式中：A 可设为 1；e 为元电荷；μe 为电子迁移率；ne 为电子数密度；V 为等离子体体积．后三者可表征等 离子体性质．考虑到在图 7 中，入射功率 Pin 是线性 增加的，因此，图中所示的近二次方关系表明辉光等 离子体性质随能量吸收的增大而变化．而当入射功 率进一步增大至炽光增强区域时，能量吸收值从 4.0 mJ 迅速上升至 7.0 mJ．根据式(4)，说明等离子体 性质也发生了突变，这也印证了并不能简单将两种等 离子体归为一类．
综上所述，微波功率可影响点火时等离子体的生 成，根据微波辅助点火过程中等离子体的特性变化和 能量吸收情况，将其增强模式分为未增强、辉光和炽 光增强 3 个阶段．在未增强区，由于等离子体极少的 能量吸收，对点火几乎没有增强．对辉光增强而言，在微波馈入时，等离子体对微波能量的吸收随功率增 大而增大，但等离子体并未对火焰锋面造成冲击．在 某一功率点处，微波能量的吸收发生跃迁，产生了炽 光等离子体得以冲击火核锋面．将此时的点火增强 效果称为炽光增强，该阶段对火核有更显著的增强表 现，但效果并不稳定．
2.2 气体参数对增强模式转变的影响
2.2.1 气体压力的影响
环境压力会影响电子数密度和等离子体体积，根 据式(4)，这会改变火核对微波能量吸收，因此需要 研究气体压力对两种增强及其转变的影响．图 8 展 示了不同气体压力下能量吸收随微波功率的变 化．在所有压力工况下未增强区的能量吸收并未显 示出明显区别．但辉光增强(除 0.4 MPa 外)时的能量 吸收随压力的增大而减少，这与已有的相关研究[8] 中 所提到的负压效应一致．然而不同压力下微波增强 模式的转变情况却有所差异．压力较大的工况下的 辉光增强会更先一步转变至炽光增强，对应入射功率 的临界值有所提前，例如 0.15 MPa 下的 640.1 W 和 0.2 MPa 下的 612.4 W．随着压力进一步提升至 0.4 MPa，辉光增强被直接跳过，等离子体在入射功率 为 416.5 W 的情况下直接转变成炽光等离子体．相比 起未增强情况，能量吸收有大约 1.5 mJ 的突变．因 此，在 400～600 W 的区间内，能量吸收的负压效应 出现了异常情况，在较高压力 0.4 MPa 情况下等离子 体吸收了更多能量．而在炽光增强区域，不同压力下 的能量吸收与入射功率之间呈现出线性关系，这似乎 也表明了炽光增强模式下的能量饱和吸收与环境压 力无关．由于微波主要影响等离子体中的自由电子， 当入射功率足够大时，因气体压力引起的初始等离子 体内的电子数量差异带来的影响相对减弱．此时电 子数在微波能量入射的影响下在微波辐射时间内最 终都会达到“饱和吸收模式”，即电子数密度相对稳 定的状态[16] ，这时能量吸收主要由入射功率决定．产 生这种电子数密度稳定状态的原因在于：微波作用于 等离子体所具有的截止效应[12, 21] ，即当微波频率小 于等离子体特征频率 ωp 时，微波将不能穿过并作用 于等离子体．而等离子体特征频率主要取决于电子 数密度 ne．因此当微波能量的馈入使得等离子体性 质，如电子数密度(见式(4))增大时，等离子体特征 频率变大并逐渐达到微波频率 2.45 GHz．此时 ωp 若 大于 2.45 GHz，截止效应发生．反之，微波能量的馈 入使其继续增长并因此达到动态平衡，即电子数密度 保持稳定．这种现象在相似装置[16] 中通过测量电流 电压的方法得以证实．
从微波增强指数的角度看，如图 9(a)所示，当微 波功率在 400 W 以下时，各个压力下的增强指数并 没有显示出较大区别，增强指数均小于 1 表明点火均 未得到增强．当入射功率逐渐增大，压力增大带来的 增强效果减弱逐渐显现．当压力低于 0.2 MPa 时，增 强指数显示出了与能量吸收相似的负压效应．如功 率 550 W 情况下，0.1 MPa 和 0.2 MPa 的增强指数逐 渐减小，但 0.4 MPa 下的增强指数却直接大于其他低 压情况．这与能量吸收所表现出的趋势相一致．而当 所有工况进入炽光增强区时，增强指数的分布逐渐分 散，这表明炽光增强带来的火核发展的空间随机性增加．
为了直观显示压力对炽光增强的影响，将炽光增 强区各个压力下的增强指数取平均，并在图 9(b)中 表示．此时可以见到 0.1～0.2 MPa 内的压力对增强 指数的影响趋势与辉光增强类似．这是因为能量吸 收分析中所提到的，不同压力导致的能量吸收趋于相 同(图 8 中的线性关系)，因此负压效应带来的影响得 以体现．而此时图中 0.4 MPa 的反常表现表明了较高 的压力可以使得炽光等离子体对火核的增强突破负 压效应．同时，由 0.1～0.2 MPa 的增强指数下降幅度 不断减弱可以推测，压力增大能使得电极附近燃料浓 度上升，点火产生的热效应得以加大以不断抵消负压 效应的影响．
2.2.2 气体组分的影响
为了区分主导以上增强模式转变的气体，同时验 证关于线性关系解释的正确性，除了气体压力外，还 研究了气体组分对微波增强转变的影响．图 10 是不 同气体组分下的微波能量吸收．不同组分的气体在 未增强区与辉光增强区的表现相同，能量吸收均保持 在低水平．而不同空气组分所带来的影响主要体现 在从辉光增强到炽光增强转变的入射功率临界值不 同．此外，炽光增强时能量吸收与入射功率之间表现 出与 2.2.1 节相似的线性关系，如图中所示，两者间 的差异仅为 7.5% ．因此也验证了炽光增强所表现的 稳定电子数密度与气体的属性无关．
关于不同增强模式的转变临界值不同，其原因在 于，甲烷的加入抑制了炽光等离子体的产生．在未添 加额外气体与其他气体组分，特别是与纯空气的比较 中，可以看见后者的炽光增强转变临界值大幅延 后．而与添加额外氮气或氧气的情况相比，甲烷的相 对含量减少，因此其转变临界值更接近纯空气．在甲 烷点火燃烧的过程中，二氧化碳和水在电极之间生 成，对微波辐射以及等离子体中的电子数造成了影 响．一方面，二氧化碳能加快气体放电过程中自由电 子的衰减率[14] ，导致等离子体中的电子数减少，微波 在相同功率情况下难以在特定时间内促进自由电子 达到饱和吸收模式下的所需数目．另一方面，燃烧生 成的水分子的共振频率与 2.45 GHz 的微波相近[22] ， 微波能量更多地被水分子的共振加热吸收．在这样 的情况下，微波需要更高的入射功率才能使等离子体 的增强模式发生转变．值得注意的是，氧气作为电负 性气体，与氮气相比本应更容易吸附自由电子，从而 对气体放电起抑制作用．然而额外添加氧气的工况 却比添加氮气的工况的临界转变值低．一种解释为， 微波的加入使得自由电子加速至更高速并具备足够 动能，氧气分子与电子之间的碰撞不再产生吸附反应 而是直接进行电离反应．此外，与氮气(15.58 eV)相 比，氧气的电离能(12.06 eV)更低[23] ，上述的电离反 应更容易发生．因此在加入微波的情况下，氧气的添 加与氮气相比更能在一定程度上促进等离子体的发 展，造成临界功率值的提前，如图中添加比为 20% 时 功率临界值提前 80 W．
图 11(a)所示为不同气体组分下增强指数随入射 功率变化．在较小功率的微波影响下，添加了氧气或 氮气工况的增强指数有略微提升，其原因便是甲烷的 相对含量降低，但仍然不具有明显的增强效果．
随着微波能量的逐渐加大，率先达到炽光增强的气体，如 20% 氧气，其增强指数明显大于还在辉光增强区域气 体的增强指数．未达到炽光区的 10% 氮气增强指数 大于未添加情况，这与能量吸收的表现相符合．然 而，当功率持续加大至所有气体均出现炽光等离子 体，数据点之间的离散程度增加，特别是添加了额外 气体的情况．原因除了等离子体发展的随机性外，还 有额外气体带来的稀释作用．额外气体的含量越多， 甲烷被稀释的程度越大，点火也愈加不稳定，正如图 中的 20% 氮气和 20% 氧气，火核发展的随机性显著 强于其他工况．图 11(b)展示了所有工况气体炽光增 强模式下的增强指数平均值．可见未添加额外气体 的情况增强指数最低，而其他情况的增强指数随添加 比例增加而变大．这是因为增强指数表征微波对火 花点火的增强幅度．在有添加气的情况下，原混合气 得到不同程度的稀释．在不馈入微波进行增强的情 况下，火核发展缓慢，增强后微波等离子体对火核的 促进效果明显，而在未稀释情况下，火核本身发展较 快，等离子体对火核的冲击效果减弱，增强效果变 差[24] ．因此显示出如图 11(b)所示的变化趋势．
综上所述，气体参数对微波增强模式的转变过程 影响比较复杂．首先，压力增大至一定程度前，负压 效应仍然存在．但压力足够大时，微波的增强效果变 得显著．其次，甲烷的加入会使得炽光等离子体的出 现延后，而氧气相较于氮气更能使微波的促进效果增 强．但无论气体参数如何，微波功率增大到较大值时 等离子体的能量吸收趋于一致，这与电子数密度达到 相对稳定状态有关．
3 结 论
(1)在微波增强点火的过程中，存在两种点火增 强模式，对应着两种能量吸收规律和表观特性都不同 的点火等离子体．与辉光增强相比，炽光增强能吸收 更多的微波能量，但增强指数的波动也随之变大．
(2)较高的环境压力(0.4 MPa)下炽光等离子体 出现的功率临界值提前至 416.5 W，并能使负压效应 失效．甲烷比例的增加能抑制炽光等离子体的产生， 这与其生成产物水和二氧化碳能削弱等离子体对微 波能量的吸收有关．在同等添加比下，氧气相比于氮 气能使炽光等离子体产生的功率临界值提前，如 20% 的添加比可将功率临界值提前 80 W．
(3)炽光增强模式的能量吸收与入射功率间存在 明显的线性关系而与气体属性无关，此时等离子体内 电子数密度相对稳定．
