彭志偉

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

隨著全球溫室效應(yīng)的日益增加，節(jié)能減排的呼聲越來(lái)越高，提升內(nèi)燃機(jī)的燃油利用效率是節(jié)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(diǎn)火困難[1]。2011年美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)對(duì)四分之一波長(zhǎng)（QW CCR）同軸線諧振腔微波點(diǎn)火器與傳統(tǒng)的多點(diǎn)點(diǎn)火作了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)QWCCR微波點(diǎn)火器，在對(duì)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(diǎn)火器[2]。微波點(diǎn)火相對(duì)于傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火方式而言，它具有點(diǎn)火能量高、燃油利用效率高、有毒氣體排放低等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

一種簡(jiǎn)單的微波點(diǎn)火器是四分之一波長(zhǎng)同軸線諧振腔微波點(diǎn)火器，其理論基礎(chǔ)為四分之一波長(zhǎng)同軸諧振腔理論。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)體頂部形成足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，產(chǎn)生等離子體火焰達(dá)到點(diǎn)火效果。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作氣壓一般在1×106Pa以下，對(duì)應(yīng)的最高擊穿電場(chǎng)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(diǎn)火器，其工作頻率為2.45 GHz，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。內(nèi)導(dǎo)體的階梯結(jié)構(gòu)，使得頂端處的電場(chǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)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(chǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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[6]。文中采用倒L型環(huán)耦合方式（如圖1所標(biāo)），這種耦合結(jié)構(gòu)不但保證了諧振腔的性能，而且簡(jiǎn)單便于加工。

圖1 仿真模型圖Fig.1 Simulationmodel diagram

1.2 腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(yīng)了諧振腔的貯能情況，原則上我們應(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(shí)，諧振腔的Q值最大。但是當(dāng)諧振腔的尺寸過大時(shí)，同樣帶來(lái)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(shí)，并不能使內(nèi)導(dǎo)體的尖端形成最大的電場(chǎng)，因?yàn)樾≈睆降膬?nèi)導(dǎo)體更容易激發(fā)尖端強(qiáng)電場(chǎng)[4]。綜合以上各種因數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的諧振腔腔體仿真模型如圖2，結(jié)構(gòu)如圖 3，參數(shù)如表1。

圖2 點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 diagram of ignition

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

2 腔體仿真結(jié)果與分析

圖3 內(nèi)導(dǎo)體尖端處電場(chǎng)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(duì)所提出的模型進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)：1）內(nèi)導(dǎo)體的階梯結(jié)構(gòu)對(duì)尖端的電場(chǎng)作用很大，如圖3（a）可以看到電場(chǎng)在1.1×106 v/m左右;在同樣的耦合情況下對(duì)內(nèi)導(dǎo)體沒有階梯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真:如圖3（b）是內(nèi)導(dǎo)體直徑為D時(shí)，尖端處的電場(chǎng)分布，可以看到電場(chǎng)在3.4×104 v/m左右；如圖3（c）是內(nèi)導(dǎo)體直徑為d時(shí)，尖端處的電場(chǎng)，大致在5.5×104 v/m左右；2）電場(chǎng)主要集中在內(nèi)導(dǎo)體周圍,在耦合結(jié)構(gòu)處的電場(chǎng)較低（如圖4），當(dāng)微波能量耦合到諧振腔內(nèi)部時(shí)，接口處不會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)擊穿。

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

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣擊穿的電場(chǎng)為3×106v/m。隨著氣壓的增加，擊穿電場(chǎng)也隨之增強(qiáng)[4]。圖3到圖4的電場(chǎng)分布圖，都是在輸入功率為1W時(shí)得到的。隨著功率的增加，電場(chǎng)也隨之增強(qiáng)。當(dāng)輸入功率為500W時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體頂端電場(chǎng)達(dá)到2.4×107v/m，但是只集中在其表面，區(qū)域較小。再加大輸入功率到600W時(shí)，點(diǎn)火區(qū)域變大（如圖5）。

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

3 結(jié)論

文中提出了一種新型的同軸線諧振腔微波點(diǎn)火器，其工作頻率為2.45 GHz,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)。通過HFSS軟件對(duì)所提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究，腔內(nèi)的電場(chǎng)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1W時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體的頂端處電場(chǎng)可達(dá)到1.1×106v/m左右。隨著功率的增加，電場(chǎng)也隨之增強(qiáng)。當(dāng)輸入功率為500W時(shí)，內(nèi)導(dǎo)體頂端表面就能達(dá)到10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)—2.25×107v/m，達(dá)到點(diǎn)火效果。隨著輸入功率的再次增加，點(diǎn)火區(qū)域也相應(yīng)變大。

[1]于京諾，陳燕，王昕彥.汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)[J].交通標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)燃機(jī)微波點(diǎn)火研究進(jìn)展綜述[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，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(xué).一種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用折疊同軸腔微波點(diǎn)火器:中國(guó),201120075294.6[P].2011-11-16[2013-5-13].

[6]廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1994.