王兆文， 張新華， 成曉北， 占臘民， 遲浩， 石書國

(1. 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2. 華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

·綜合評述·

內(nèi)燃機(jī)微波協(xié)助點火研究發(fā)展綜述

王兆文1， 張新華1， 成曉北1， 占臘民2， 遲浩1， 石書國1

(1. 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2. 華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

稀薄燃燒是能夠大幅度提高內(nèi)燃機(jī)熱效率和降低內(nèi)燃機(jī)排放的最有潛力的技術(shù)之一。針對稀薄燃燒面臨的點火困難、燃燒不穩(wěn)定等問題，綜述了一種新型內(nèi)燃機(jī)點火方式——微波協(xié)助點火技術(shù)，主要介紹了國內(nèi)外微波協(xié)助點火技術(shù)的發(fā)動機(jī)臺架試驗研究、定容彈試驗研究和點火機(jī)理等方面的研究，并指出微波協(xié)助點火這一技術(shù)能在無需改變內(nèi)燃機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下大幅提高內(nèi)燃機(jī)的燃燒稀限，對于改善汽油機(jī)或天然氣發(fā)動機(jī)的稀薄燃燒性能具有巨大的應(yīng)用潛力。

內(nèi)燃機(jī)； 稀薄燃燒； 微波協(xié)助點火(MAI)； 機(jī)理研究

日益嚴(yán)苛的環(huán)境法規(guī)以及嚴(yán)峻的石油資源消耗態(tài)勢，驅(qū)動著高效清潔汽車內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展[1]，如稀薄燃燒技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)、渦輪增壓技術(shù)以及汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)等[2-5]。然而部分技術(shù)會惡化內(nèi)燃機(jī)的點火性能以及初始火焰發(fā)展的穩(wěn)定性，因而限制了這些技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用[6]。

稀薄燃燒技術(shù)是指利用高空燃比和高壓縮比來提高燃油經(jīng)濟(jì)性并提高尾氣排放水平的新型技術(shù)。然而，高空燃比會導(dǎo)致汽油機(jī)或者天然氣發(fā)動機(jī)點火困難，點火火焰核心位置以及尺寸都有較大波動，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，在?nèi)燃機(jī)運行過程當(dāng)中容易造成失火等問題[7]。傳統(tǒng)解決辦法是提高火花塞點火能量并采用分層燃燒的方式，但效果并不明顯，而且點火能量過高會縮短火花塞使用壽命[8]，降低內(nèi)燃機(jī)的可靠性。

20世紀(jì)70年代以來，眾多研究者將低溫等離子體助燃技術(shù)應(yīng)用到稀薄燃燒技術(shù)的研究中去。他們利用激光[9-10]、納秒脈沖放電[11-12]、介質(zhì)阻擋放電[13-15]等技術(shù)產(chǎn)生低溫等離子體來點燃稀薄燃?xì)?，這些技術(shù)在一定程度上改善了稀薄燃?xì)獾闹鸷腿紵阅埽龠M(jìn)了內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)的發(fā)展，但因為制造成本高昂、裝置龐雜等原因而無法實際應(yīng)用在汽車發(fā)動機(jī)中。

近年來，國際上出現(xiàn)了利用微波點火或者微波協(xié)助點火的燃燒技術(shù)，具體可分為3類，即微波諧振炬點火(MTI，Microwave resonator Torch Ignition)[16-18]、微波輻射空間點火(MSI，Microwave radiation Space Ignition)[19]和微波協(xié)助點火(MAI, Microwave Assisted Ignition)[20-24]。清華大學(xué)的王志在2012年對上述3類微波點火技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了綜述[25]，并重點在定容彈中研究了MSI的點火性能[19]。

MAI模式利用傳統(tǒng)火花塞放電擊穿稀薄混合氣(點火能未增加，故稀混合氣未被點燃)產(chǎn)生初始等離子體團(tuán)，隨后向該等離子體團(tuán)輻射微波，電子耦合微波能之后與其他粒子發(fā)生碰撞，擴(kuò)大等離子體團(tuán)并產(chǎn)生一些高活性基團(tuán)，繼而點燃稀薄燃?xì)鈁20]。這種模式同時結(jié)合了傳統(tǒng)火花塞點火與微波點火的優(yōu)點，規(guī)避了MTI和MSI模式下單靠微波諧振擊穿高壓混合氣難的問題，具有很強(qiáng)的實用性[16]。

2009年以來，MAI模式獲得了大量關(guān)注，并取得了較大進(jìn)展，故而本研究將從試驗研究方面詳細(xì)綜述其發(fā)展。

1 微波協(xié)助點火的試驗研究

在發(fā)動機(jī)工作過程中，缸內(nèi)混合氣狀態(tài)會有循環(huán)波動，尤其是火花塞附近的燃料、空氣、廢氣的混合情況更是復(fù)雜多變，從而導(dǎo)致火花點火過程的不穩(wěn)定，而且隨著空燃比增大，這種循環(huán)不穩(wěn)定性會加劇(見圖1)。

圖1 點火火焰核心波動導(dǎo)致早期燃燒火焰的循環(huán)變動

火花點火的早期火焰特性是整個燃燒循環(huán)能否穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此，要實現(xiàn)穩(wěn)定的稀薄燃燒，關(guān)鍵在于如何提高稀薄燃?xì)獾狞c火效率、加速初始火焰的發(fā)展以及火焰的平穩(wěn)傳播。2009年以來，研究人員以改善稀薄燃燒的點火性能為目的，圍繞MAI展開了大量的基于內(nèi)燃機(jī)臺架測試或定容彈測量的試驗研究。

1.1 基于內(nèi)燃機(jī)臺架測試的試驗研究

2009年，美國普林斯頓大學(xué)與日本Imagineering Inc.公司合作，率先提出微波協(xié)助點火的概念[7,26]。同年，Yuji Ikeda等人[20]利用自行研發(fā)的耦合火花塞(見圖2)成功在一臺試驗用四沖程4氣門水冷單缸機(jī)上點燃了甲烷-空氣的稀薄混合氣，內(nèi)燃機(jī)臺架試驗裝置示意見圖3。該耦合式火花塞將傳統(tǒng)火花塞和微波助燃裝置耦合在一起，無需進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)改造就可以直接安裝使用，是最有潛力的能直接應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)上的新型點火技術(shù)。

圖2 耦合火花塞(傳統(tǒng)火花塞與微波發(fā)生器的耦合)

圖3 試驗裝置示意

Yuji Ikeda的試驗結(jié)果表明，使用功率為700 W，持續(xù)期為6 μs, 頻率為2.45 GHz的微波輻射脈沖，在大氣環(huán)境下，點火過程中生成的羥基OH的數(shù)量是傳統(tǒng)火花塞點火過程的300倍。即使在2.0 MPa的環(huán)境壓力下，OH數(shù)量仍比在大氣環(huán)境下的傳統(tǒng)火花塞點火高出10倍以上。以當(dāng)量比計算，微波協(xié)助點火技術(shù)能拓寬稀燃極限20%～30%。試驗結(jié)果展現(xiàn)出了微波協(xié)助點火這一新型點火技術(shù)的巨大潛力，從而獲得廣泛關(guān)注。

2011年，美國加州大學(xué)伯克利分校的Anthony DeFilippo等人[21]利用Imagineering Inc.公司的耦合式火花塞，在一臺CFR發(fā)動機(jī)上研究了MAI模式對汽油機(jī)稀燃極限的影響。試驗樣機(jī)為一臺標(biāo)定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的單缸機(jī)，該機(jī)型相較Yuji Ikeda等人的試驗機(jī)型，能提供更小渦流的燃燒環(huán)境。試驗結(jié)果表明，中小負(fù)荷時稀燃極限有所拓展，當(dāng)量比可達(dá)0.67(過量空氣系數(shù)1.5)左右，但在大負(fù)荷時(濃混合氣情況)，微波助燃的效果不是很明顯；微波助燃后，內(nèi)燃機(jī)的NOx排放改善也非常明顯，達(dá)到5 g/(kW·h)，但該NOx原機(jī)排放距美國排放法規(guī)仍有一定距離，仍需要采用排氣后處理技術(shù)。

1.2 基于定容彈與光學(xué)系統(tǒng)的試驗研究

以上為MAI模式下天然氣發(fā)動機(jī)、汽油機(jī)的稀燃極限以及排放性能的內(nèi)燃機(jī)臺架試驗研究。這些研究表明，微波的饋入能有效改善稀薄混合氣的著火性能，并能有效地緩解內(nèi)燃機(jī)在稀薄燃燒情況下的失火以及緩燃問題。但以上內(nèi)燃機(jī)臺架試驗研究無法揭示微波協(xié)助點火對燃燒過程的具體影響，因此，很多研究者利用定容彈試驗來研究微波協(xié)助點火對燃燒過程的具體影響、影響條件以及作用機(jī)理。

2013年，加州Berkeley大學(xué)的Benjamin Wolk等人[22]利用容積為1.45 L的定容彈，對比研究了不同環(huán)境壓力、不同空燃比、不同微波饋入時刻以及不同饋入時長等條件下，MAI模式與傳統(tǒng)火花塞點火模式下甲烷-空氣的著火和燃燒特性，并首次通過采集紋影圖像的方法推想MAI模式的作用機(jī)理。

研究表明，與傳統(tǒng)電容性火花塞放電相比，微波協(xié)助火花塞點火在常溫下，環(huán)境壓力0.108～0.722 MPa范圍內(nèi)都能拓寬甲烷-空氣的稀燃著火極限和濃燃著火極限，稀燃極限值由當(dāng)量比0.6拓寬到當(dāng)量比0.5，濃燃極限值由當(dāng)量比1.4拓寬到當(dāng)量比1.75。同時，在所有測試當(dāng)量比工況下，微波的加入都能使FDT減小，并增大了初始火焰核心的尺寸，促進(jìn)了空間火焰稀燃速度的增加。研究者推想點火火核加強(qiáng)的主要原因有：在微波能量沉積的作用下，火焰前鋒的自由電子的非熱化學(xué)活性得到增強(qiáng)；在微波的激化下，不穩(wěn)定的等離子體誘發(fā)火焰起皺，增加了火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

此外，微波對火焰發(fā)展的促進(jìn)作用隨著當(dāng)量比的降低而逐步增大，隨著環(huán)境壓力的減小而逐漸增大。在當(dāng)量比φ大于0.75，或環(huán)境壓力超過0.5 MPa后，微波的促進(jìn)作用就不是很明顯。

研究中由紋影法觀測到的SI+MAI模式下火焰起皺現(xiàn)象(見圖4)非常明顯，Benjamin Wolk等認(rèn)為該現(xiàn)象的本質(zhì)是等離子體的振蕩雙流不穩(wěn)定性(oscillating two-stream instability，OTSI)。微波場中的等離子體運動表現(xiàn)出強(qiáng)烈的OTSI特性，這種不穩(wěn)定性可以在入射微波頻率低于電子等離子體頻率時出現(xiàn)[28-29]。

圖4 SI和SI+MAI模式不同當(dāng)量比下火核生長情況

Benjamin Wolk對MAI模式進(jìn)行了全面的探索，且引入等離子體物理學(xué)中的OTSI概念，從而為后面的研究提供了一種思路，即從微波與等離子體作用的物理過程來揭示MAI模式的機(jī)理。但文獻(xiàn)中仍有諸多未能解釋清楚的問題，如MAI模式對甲烷富燃極限的拓展明顯優(yōu)于稀燃極限、不同微波饋入時刻對點火的影響不同、MAI模式對不同燃料的影響有何不同等等。隨后的研究則選取各個側(cè)重點，深入地研究了MAI模式的多種影響因素。

2015年，日本東京大學(xué)的Xiaojing Gu等人[23]在定容彈中利用自制的微波火花塞系統(tǒng)，研究了甲烷-空氣混合物在環(huán)境壓力0.1～1.0 MPa，當(dāng)量比0.51～0.60范圍內(nèi)，微波饋入?yún)?shù)對稀燃混合氣點火性能的影響。

研究表明，點火性能受微波饋入時刻和微波脈沖頻率的共同作用。當(dāng)微波饋入時刻較火花塞點火觸發(fā)時刻延遲200 μs，且微波脈沖頻率為10 kHz時，點火穩(wěn)定性指標(biāo)達(dá)到最大。此外，在1～10 kHz范圍內(nèi)，隨著微波脈沖頻率的增大，點火成功率逐漸增大，但當(dāng)微波的脈沖頻率由10 kHz增大至20 kHz，點火穩(wěn)定性指標(biāo)反而下降。

Xiaojing Gu等人認(rèn)為，等離子體物理學(xué)中的“中斷效應(yīng)”[30-32]是導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因。該試驗中，火花塞擊穿等離子體中的電子密度大約為1017個/cm3，大于2.45 GHz微波所對應(yīng)的“中斷電子密度”7.41×1010個/cm3，故而對所有脈沖頻率下的微波饋入都會發(fā)生中斷效應(yīng)。而20 kHz要比10 kHz時饋入時間少一半，在總饋入能量一定的情況下，單位時間內(nèi)饋入的能量多一倍，這意味著單位時間被反射的微波能更多，故點火穩(wěn)定性反而下降。

Xiaojing Gu的研究側(cè)重點在于饋入微波的參數(shù)對MAI的影響，并以等離子體物理學(xué)中的“中斷效應(yīng)”解釋了微波脈沖頻率變化對點火效能的影響，但仍未能揭示低微波脈沖頻率下點火效能峰值向微波饋入時刻推遲方向偏移的現(xiàn)象。

2016年，韓國先進(jìn)科技研究院的Joonsik Hwang等人[24]利用體積為1.41 L的定容燃燒彈進(jìn)行了微波協(xié)助等離子體點火對乙炔-空氣混合氣層流火焰發(fā)展影響的試驗研究。研究顯示微波對燃燒的促進(jìn)效果在微波提前饋入的情況下較明顯，隨著微波饋入時刻的推遲，促進(jìn)作用逐漸減弱。在富燃區(qū)，微波饋入時刻的影響被削弱，但當(dāng)微波饋入時刻推后到250～500 μs時，微波促進(jìn)燃燒的效果又得到了加強(qiáng)，但研究者未給出這一現(xiàn)象的解釋。

此外，微波的促進(jìn)效果在較低的初始環(huán)境壓力下更明顯，但在高環(huán)境壓力下，更早的微波饋入方案仍能起到一定的促進(jìn)燃燒效果。但研究者未給出解釋，筆者猜想可能是微波的提前饋入能對乙炔空氣混合物起到了一定程度的改質(zhì)作用。

該文獻(xiàn)還顯示，與傳統(tǒng)火花塞點火相比，微波的饋入能提前燃燒著火時刻，在環(huán)境壓力為0.1 MPa的條件下能拓展稀燃極限到當(dāng)量比為0.5。

Joonsik Hwang選擇了燃料乙炔來進(jìn)行MAI的研究，由于乙炔的激發(fā)能遠(yuǎn)低于甲烷，正常情況下乙炔的燃燒速度明顯快于甲烷，所以微波加強(qiáng)點火的效能無法明顯顯示出來。而選擇乙炔的意義在于，提供了一種微波作用于化學(xué)反應(yīng)物的研究思路，即從燃料改質(zhì)、化學(xué)動力學(xué)方面探究MAI模式。

2016年，Srinivas Padala等人利用屋脊形定容彈模仿內(nèi)燃機(jī)燃燒室形狀，試驗研究了微波對預(yù)混丙烷空氣等離子體點火火焰的加強(qiáng)作用[26]。該研究引入了“最小火核尺寸”的概念，認(rèn)為火花點火的火焰核心必須達(dá)到這個尺寸，否則將無法維持火焰并成功著火。

試驗測算出的最小火核尺寸隨當(dāng)量比的增加而變小，而且增加微波能，可以增加相同點火能量下的初始火焰速度，并且增大初始火核尺寸，縮短火焰達(dá)到關(guān)鍵尺寸的時間。

研究者把火焰發(fā)展的過程分為點火階段、過渡階段以及穩(wěn)定傳播階段3個時段，并認(rèn)為在火焰?zhèn)鞑サ牟煌瑫r段存在不同機(jī)制。在點火階段，火核發(fā)展的動力主要依靠初始點火能量，由于火核的膨脹、火焰向電極散熱等因素的影響，火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣戎饾u變慢，只有當(dāng)點火能量大到能克服能量的耗散，并且火核尺寸大于關(guān)鍵尺寸，火焰發(fā)展才能進(jìn)入到過渡階段。過渡階段火焰發(fā)展的能量主要來自燃料反應(yīng)，此時點火能量的效能已經(jīng)減弱，隨著燃料脫氫加氧反應(yīng)的加劇，能量釋放的速率加大，火焰速度逐步增大。當(dāng)燃料燃燒釋放與消耗能量的速率達(dá)到動態(tài)平衡時，火焰發(fā)展進(jìn)入穩(wěn)定傳播階段。微波的加入能大幅提高火焰核心處的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⑶译S著饋入微波能的增大，過渡階段幾乎被跳過，這表明在微波的作用下點火火核向火焰?zhèn)鞑サ霓D(zhuǎn)變過程并不只依靠燃料反應(yīng)產(chǎn)生的活性基團(tuán)，同時也依靠被微波激發(fā)的電子碰撞和激發(fā)態(tài)自由基。而在進(jìn)入火焰穩(wěn)定傳播階段后，無論饋入多大的微波能量，所有試驗條件下的火焰速度都趨于同一數(shù)值，這說明點火階段饋入的額外微波能量并不會影響燃燒的主燃期過程。

為了研究微波對等離子體尺寸的物理影響，還試驗探索了在純空氣條件下的微波對火花塞放電等離子體尺寸(火花內(nèi)核尺寸)影響。圖5示出了不同微波饋入能量，在非反應(yīng)條件下的火花塞放電等離子體的尺寸變化規(guī)律。由圖可知，隨著饋入微波能量的增加，等離子體尺寸在逐步增大。微波饋入持續(xù)0.1 ms時，等離子體尺寸小于0.2 cm。微波饋入時間為0.3 ms時，等離子體尺寸也剛超過0.2 cm。這兩個工況下等離子體尺寸較小，不足以驅(qū)使點火向穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑サ霓D(zhuǎn)變。而微波饋入持續(xù)0.7 ms及以上時，測量獲得的等離子體尺寸重合，該等離子體尺寸是饋入時間為0.3 ms時的2倍。但由于測量方向為垂直方向，大饋入時間下等離體子尺寸發(fā)展受到火花塞地極金屬散熱的影響，使得0.7 ms以后等離子體尺寸停止增長。

圖5 非反應(yīng)條件下等離子體尺寸規(guī)律

Srinivas Padala的研究提供了一種利用紋影圖像分析等離子體尺寸的方法，即分析紋影圖像中火焰核心的尺寸變化，把火焰核心尺寸發(fā)生明顯梯度變化的點作為由等離子體擴(kuò)散轉(zhuǎn)為熱氣體擴(kuò)散的界限。這種方法能大致估算出點火等離子體的尺寸，具有一定的借鑒意義，但仍有進(jìn)一步完善的可能。

以上是自2009年提出MAI概念以來主要的MAI模式的試驗研究，探究的影響因素從環(huán)境壓力、溫度、當(dāng)量比到一系列的微波脈沖參數(shù)，逐步揭示了MAI模式的作用過程與作用機(jī)理。但這些研究大多是基于宏觀參數(shù)的研究，用現(xiàn)象來描述作用過程，而少有深入到微觀粒子作用的層面，這就導(dǎo)致關(guān)于MAI模式研究的創(chuàng)新點似乎只在燃料的變換層面上，使相關(guān)研究陷入被動。

國內(nèi)至今仍沒有關(guān)于MAI模式的研究，相近的研究只有清華大學(xué)王志等人提出的微波諧振腔等離子體點火(MRPI)，但該模式與MAI模式有所不同。

當(dāng)然，關(guān)于MAI模式機(jī)理的研究可以借鑒國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行的相關(guān)低溫等離子體助燃的研究成果。

總體而言，目前針對MAI模式的研究還不全面，無論是微觀上還是宏觀上都存在很多無法合理解釋的問題。但MAI模式已經(jīng)展現(xiàn)出能改善稀薄燃燒的著火能力，并具有實際運用的巨大潛力。所以MAI研究還有很大的發(fā)展空間。

1.3 MAI模式的數(shù)值模擬研究

除試驗探究以外，也有少量MAI模式的數(shù)值模擬研究。2009年Y. Ikeda等人[7]利用數(shù)值模擬軟件模擬了微波場中的場強(qiáng)分布，結(jié)果見圖6，微波場強(qiáng)度隨著與電極距離的加大以三次方遞減。這從側(cè)面解釋了火焰鋒面遠(yuǎn)離電極之后受到的微波作用減弱的現(xiàn)象。

圖6 微波場模擬結(jié)果

2011年A. DeFilippo等人[34]關(guān)于MAI模式的數(shù)值模擬研究也發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的升高，微波協(xié)助點火的加強(qiáng)作用顯著降低。隨后的試驗研究也驗證了這一點[21-22]。

但這些文獻(xiàn)中，微波協(xié)助點火的機(jī)理都不明確，其數(shù)值模擬部分的內(nèi)容都很少。直到2015年，DeFilippo[35]等人基于數(shù)值模擬計算提出了詳細(xì)的適用于MAI模式的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，該機(jī)理囊括了振動及電子激發(fā)態(tài)的物質(zhì)分離再復(fù)合反應(yīng)、三體復(fù)合反應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)以及能量弛豫反應(yīng)等。該機(jī)理的敏感性分析強(qiáng)調(diào)了自由電荷平衡以及氮的振動激發(fā)反應(yīng)的重要性。

以上研究為今后進(jìn)一步研究MAI提供了臺架試驗技術(shù)和數(shù)值模擬方法的支持。

2 微波協(xié)助點火機(jī)理討論

微波協(xié)助點火(MAI)模式是首先利用常規(guī)火花塞放電擊穿混合氣產(chǎn)生等離子體團(tuán)，再向等離子體團(tuán)中饋入微波能，高頻微波加速等離子體團(tuán)中的帶電粒子的運動。由于電子與離子巨大的質(zhì)量差，電子更易被加速而獲得高能量，高速電子與其他帶電或中性粒子碰撞，發(fā)生分解、電離等反應(yīng)，產(chǎn)生一些活性基團(tuán)如羥基等，從而加速點火過程[7,20]。

目前，基于MAI模式機(jī)理探究主要分為微波等離子體物理機(jī)理和等離子體化學(xué)機(jī)理[28-31,36-37]兩大類。

在微波等離子體物理機(jī)理方面，2013年Benjamin Wolk等人提出，在點火階段微波引起等離子體擾動的振蕩雙流不穩(wěn)定性，使得火焰起皺從而加強(qiáng)點火過程。2015年，Xiaojing Gu等人提出的“等離子體中斷效應(yīng)”，制約著微波脈沖的頻率選擇。物理學(xué)上的這些等離子體在高頻電磁場中的運動以及作用特征為分析微波作用的宏觀現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。

而微波對化學(xué)反應(yīng)的影響主要在兩個方面，一是微波影響了有效碰撞的頻率，二是微波影響了電子轉(zhuǎn)動能級間的躍遷[38]。2014年，美國密西西比州立大學(xué)的Chuji Wang和Wei Wu[39]利用光譜分析了等離子體在協(xié)助燃燒過程中的作用，發(fā)現(xiàn)微波協(xié)助點火過程中起主要作用的是電子激發(fā)態(tài)的OH(A),而在燃燒過程中起主要作用的是電子基態(tài)的OH(X)。

關(guān)于微波等離子體作用的量子化學(xué)層面的機(jī)理研究，多是聚焦在點火燃燒不同時段的不同激發(fā)態(tài)微觀粒子上，這些研究也為宏觀上改進(jìn)點火燃燒效率提供了理論指導(dǎo)。

由于微波協(xié)助點火是個新的研究方向，后續(xù)對MAI模式化學(xué)機(jī)理的探究可以借鑒以往已有的非平衡等離子體對燃燒過程的影響機(jī)理。但總的來說，目前對于MAI模式機(jī)理的研究相對較少較淺，還有很多方面值得探究。

3 總結(jié)與展望

a) MAI模式結(jié)合了傳統(tǒng)火花塞以及微波點火的優(yōu)點，無需改造內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)，能拓展天然氣/汽油內(nèi)燃機(jī)的稀燃極限，具有很強(qiáng)的實用性;

b) 目前,MAI模式能將天然氣發(fā)動機(jī)的最大稀燃極限擴(kuò)大到當(dāng)量比0.52左右，如何進(jìn)一步拓展MAI模式下的稀燃極限，是以后試驗研究的方向之一;

c) MAI模式能通過稀薄燃燒大幅降低汽油機(jī)的NOx排放，但目前單獨的原機(jī)排放仍不能滿足美國法規(guī)要求，仍需要進(jìn)行排氣后處理來滿足排放法規(guī);

d) 已有的MAI模式的研究多限于宏觀層面，而關(guān)于微波作用等離子體的微觀過程研究則很少，對MAI模式的作用機(jī)理研究還不完善，仍需更深入的探索。

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[編輯： 姜曉博]

Research Progress of Microwave Assisted Ignition for Internal Combustion Engine

WANG Zhaowen1， ZHANG Xinhua1， CHENG Xiaobei1， ZHAN Lamin2， CHI Hao1， SHI Shuguo1

(1. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China；2. School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Lean burn is one of the most potential technologies that can improve thermal efficiency and reduce emissions of internal combustion engine. For the ignition difficulty and combustion instability of lean burn，a new ignition method named microwave assisted ignition(MAI) was introduced and the home and abroad research progress including engine test, optical study in constant volume chamber and ignition mechanism research was described. Moreover, it was indicated that MAI could greatly improve the lean limit without changing the structure of conventional engine, which therefore had a great potential for improving the lean burn performance of gasoline or natural gas engine.

ICE; lean burn; microwave assisted ignition(MAI); mechanism research

2016-08-12；

2016-09-14

國家自然科學(xué)基金項目(51576083)

王兆文(1978—)，男，講師，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)性能、流動、燃燒和排放控制；wangzhaowen1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.001

TK411.24

A

1001-2222(2016)06-0001-07