吳慧珉 ，王兆文 ，張新華，劉超輝，成曉北，王 志

(1. 華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074； 2. 清華大學 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

通過采用稀薄燃燒技術(shù)[1-2]，內(nèi)燃機可以使用較高的空燃比和壓縮比，進而獲得較高的經(jīng)濟性能和排放性能．這些優(yōu)點使稀薄燃燒技術(shù)逐步成為提高內(nèi)燃機熱效率的熱點技術(shù)之一[3-5]．但稀薄燃燒也帶來了燃燒不穩(wěn)定、點火困難和循環(huán)波動大等一系列問題．為實現(xiàn)稀薄燃燒，一般采用高能火花塞點火[6]，但過高的點火能量會極大損耗火花塞壽命[7]，導(dǎo)致內(nèi)燃機可靠性降低．近年來，等離子體輔助燃燒技術(shù)受到了廣泛關(guān)注[8-10]．一些研究者利用微波[11]、納秒脈沖放電[12-14]和激光等[15-16]產(chǎn)生等離子體，進行等離子體輔助燃燒研究，研究表明，等離子體可以有效改善燃燒過程[15,17]．隨后，研究者采用微波技術(shù)來增強點火和燃燒性能[18-19]，其中，微波輔助點火技術(shù)(MAI)對傳統(tǒng)火花塞具有良好的結(jié)構(gòu)整合和性能提升潛 力[20-21]，受到了廣泛關(guān)注[22-23]．微波輔助點火技術(shù)中，火花塞放電后會形成一個放電等離子體通道，通過微波天線向該通道中饋入微波能量，等離子體吸收微波能量后迅速膨脹，提高了可燃混合氣的著火能力并加速其燃燒進程，從而提高了燃燒速度和燃燒品質(zhì)．Ikeda等[24]研究表明，微波輔助點火技術(shù)能大幅提高點火過程中的OH濃度．DeFilippo等[25]試驗表明，微波輔助點火模式可以把汽油機的稀燃極限降到當量比為0.67左右；同時在當量比為1.25工況下汽油機循環(huán)變動率減小10%．Wolk等[26]研究表明，微波的饋入能夠增加點火核心表面褶皺，稀薄燃燒條件下褶皺尤為明顯，并認為該褶皺能加速火焰的傳播．Gu等[27]試驗表明，即使饋入的微波能量相同，不同的微波參數(shù)會影響點火的成功率．Padala等[28]利 用“最小點火火核半徑”概念，從宏觀上解釋了微波輔助點火擴大燃燒極限、增強點火的原因．

以上研究都體現(xiàn)了微波輔助點火技術(shù)增強點火、優(yōu)化燃燒的優(yōu)越性能，但也凸顯出微波輔助點火技術(shù)存在的一些問題，如Wolk研究[26]表明，高環(huán)境壓力下微波輔助點火的增強效果微乎其微．在實際運行過程中，點火時刻點燃式內(nèi)燃機缸內(nèi)環(huán)境壓力都較高，這就限制了微波輔助點火技術(shù)在點燃式內(nèi)燃機中的運用．因而需要深入研究微波輔助點火技術(shù)的規(guī)律和機理，以克服微波輔助點火技術(shù)發(fā)展瓶頸．此外，以上研究主要集中在火核半徑和早期火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊确矫妫⒉▽鹧婧诵牡男蚊灿绊懷芯肯鄬^少，導(dǎo)致微波特性對初始火核表面褶皺增加的規(guī)律以及內(nèi)在機制還不清晰．另外，以往關(guān)于微波參數(shù)對微波輔助點火的研究影響中，不同研究者們報道的試驗現(xiàn)象也存在一定差異．Gu等[27]研究了1～20kHz微波脈沖頻率對微波輔助點火的增強效果，發(fā)現(xiàn)10kHz對點火增強效果最好；而張新華等[29]也研究了1～20kHz脈沖頻率的影響，發(fā)現(xiàn)1kHz下輔助點火效果最強．以上兩者認為電子數(shù)密度決定了微波的增強效果，但對中斷效應(yīng)影響的理解存在差異；同時兩者研究范圍都過于狹窄，不具有全面性，并且研究不系統(tǒng)、不完全．

為全面分析微波參數(shù)對火核的增強效果，并深入分析微波和點火等離子體的耦合作用，筆者采用因素解耦的思路，通過純放電試驗，排除了燃燒放熱對點火等離子體團發(fā)展的影響，顯現(xiàn)微波和放電等離子體的耦合機制．具體地，采用定容燃燒彈系統(tǒng)，通過高速陰影法，系統(tǒng)研究了更大范圍的微波脈沖頻率和微波峰值功率對微波輔助放電/點火核心半徑和核心形貌褶皺等特征的影響規(guī)律，探究了不同微波參數(shù)對等離子體和微波的耦合機制，如微波脈沖頻率對等離子體吸收微波效率的影響機制、不同微波峰值功率導(dǎo)致增強效果兩段性的內(nèi)在機理以及微波饋入導(dǎo)致放電/點火核心表面出現(xiàn)不同褶皺形態(tài)的內(nèi)在原因．

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

圖1為定容燃燒彈試驗系統(tǒng)示意．試驗系統(tǒng)由定容燃燒彈本體、點火系統(tǒng)、微波產(chǎn)生和傳輸系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)、時序控制系統(tǒng)及環(huán)境氣體配置系統(tǒng)等組成．定容燃燒彈內(nèi)部為1.6L體積的圓柱型腔體，彈體前后端面開有兩個玻璃視窗，配合陰影光路以及高速攝像機可以實現(xiàn)腔內(nèi)放電/點火過程的圖像拍攝．高速圖像采集系統(tǒng)由高速攝像機和“Z”陰影光路構(gòu)成，高速相機(Photron FASTcam WX100)的拍攝速率為10000幀/s．點火系統(tǒng)由改型火花塞、點火線圈和蓄電池組成．改型火花塞通過在NGK ILTR6E11型火花塞去掉“J”型接地電極，并在火花塞中心電極處拼接直徑為1mm的不銹鋼針，形成延長中心電極．該中心電極與微波天線對置，形成火花點火和微波饋入耦合系統(tǒng)．微波源可產(chǎn)生本征頻率為2.45GHz、占空比為20%、微波峰值功率和脈沖頻率連續(xù)可調(diào)以及持續(xù)時間為3ms的微波脈沖．微波通過同軸電纜傳 輸至微波天線，通過微波天線發(fā)射至定容彈體內(nèi)腔．利用微波功率計可測得輸入定容彈腔體的微波功率和微波反射功率，兩者差值即為微波饋入功率．時序控制系統(tǒng)通過延時器輸出三路同步觸發(fā)信號，分別觸發(fā)火花塞、微波源以及高速相機．火花塞點火和微波饋入同時觸發(fā)，高速攝像機提前1ms觸發(fā)．為確保定容彈內(nèi)燃燒方式為預(yù)混合燃燒，根據(jù)氣體分壓定律控制各氣體的充入量，先將氣體充入預(yù)混罐進行預(yù)混合，完成之后再將混合氣充入定容彈體內(nèi)．點火/放電試驗中，以V(O2)∶V(N2)＝1∶3.76的混合氣模擬空氣，點火試驗中，當量比保持為0.6．為減少試驗誤差，每次試驗都重復(fù)3次以上，結(jié)果表明試驗一致性差異不超過6%．

圖1 試驗裝置示意 Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.2 試驗方案

為了研究微波輔助點火技術(shù)的內(nèi)在機制，基于影響因素解耦的思路分別進行了微波輔助放電/點火試驗，解耦微波輔助點火過程中的燃燒放熱影響．放電試驗中，定容燃燒彈內(nèi)無可燃燃料，放電試驗過程中的能量完全來自于火花塞點火能量和微波能量；而點火試驗過程中，存在額外的燃燒放熱．試驗時環(huán)境壓力固定在0.2MPa，具體試驗方案如表1所示．

表1 試驗方案設(shè)置 Tab.1 Experimental schemes

根據(jù)固態(tài)微波源能力，微波脈沖頻率變化范圍為1～80kHz，微波峰值功率變化范圍為0～1kW．圖2給出了1kHz和10kHz脈沖頻率下的高速相機、微波饋入和點火的時序．

圖2 微波脈沖饋入時序 Fig.2 Microwave pulse time order

為了確定饋入微波的能量大小，利用微波功率計測得微波傳輸效率為25%，以峰值功率為1kW、占空比為20%及持續(xù)時間為3ms為例，饋入到定容燃燒彈內(nèi)腔的微波脈沖能量為150mJ，饋入微波能量誤差小于8%．試驗中，定容彈體被加熱到(373±2)K，以避免燃燒產(chǎn)生的水蒸汽在光學玻璃上凝結(jié)而影響試驗圖片質(zhì)量．測得的圖像采用MATLAB軟件進行圖像處理，得到各試驗工況下的核心當量半徑R、核心半徑增長率和火焰核心褶皺形貌，用作試驗結(jié)果分析．R具體定義和計算參見文獻[28，30]．核心半徑增長率定義為(RMAI－RSI)/RSI，其中，RMAI為微波輔助點火試驗(MAI)工況核心半徑，RSI為火花塞點火試驗(SI)工況核心半徑．

2 結(jié)果與分析

2.1 微波饋入對放電和點火試驗的影響

圖3示出微波峰值功率為1kW、脈沖頻率為1kHz條件下的兩組放電試驗(火花塞放電試驗(SD)和微波輔助放電試驗(MAD))以及當量比為0.6的兩組點火試驗(SI和MAI)下的火核發(fā)展圖像．微波饋入后，火花塞的放電過程和點火過程都得到明顯的增強，微波饋入將放電/點火核心半徑增大了73.6%以上，同時產(chǎn)生輝光現(xiàn)象，表明微波誘導(dǎo)了基態(tài)粒子的 激發(fā)．與無微波工況相比，微波饋入工況下的放電/點火核心形貌都受到了“微波沖擊”，核心表面出現(xiàn)明顯的褶皺和扭曲．相較于微波輔助點火工況，微波輔助放電過程中的褶皺效果更為明顯．

圖3 微波峰值功率為1kW、微波脈沖頻率為1kHz條件下的SD和MAD以及SI和MAI的早期圖像 Fig.3 Initial images of SD/MAD/SI/MAI at microwave peak power of 1kW and microwave pulse frequency of 1kHz

2.2 微波脈沖頻率對放電和點火特性的規(guī)律

2.2.1 對放電和點火核心半徑的影響

圖4示出微波峰值功率為1kW及不同微波脈沖頻率下放電核心半徑隨微波脈沖頻率變化規(guī)律．在SD模式下火花塞放電擊穿混合氣(0ms處)，在電極之間形成放電通道，儲存在次級線圈中的電能通過放電通道加熱周圍空氣，空氣溫度迅速上升，形成等離子體團，放電核心半徑急速增加，這個過程為等離子體膨脹過程．放電結(jié)束，放電能量停止饋入，等離子體膨脹過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊釟怏w傳熱膨脹過程，等離子體團繼續(xù)向周圍氣體散熱，但溫度降低，電離度下降，放電核心半徑增大速率逐漸減緩，最終消散，放電核心半徑變?yōu)?．將放電開始到放電核心半徑消散的時間定義為火核存續(xù)時間．

與SD模式相比，MAD模式下等離子體膨脹過程更快，以40kHz為例，初始等離子體膨脹速度增大了1.08倍，1ms時刻的相對核心增長率為52%，等離子體存續(xù)時間從1.5ms增加至19.0ms以上．這表明微波能量的饋入導(dǎo)致放電核心的進一步生長，在火花放電前期促進了等離子體膨脹過程的發(fā)展．在后續(xù)熱氣體膨脹過程中，MAD模式下放電核心半徑膨脹速度更大．

由圖4可知，饋入相同微波能量情況下，隨著微波脈沖頻率的增大，放電核心半徑、核心膨脹速度以及存續(xù)時間都逐漸增大．當微波脈沖頻率達到40kHz，繼續(xù)增大脈沖頻率，初始放電核心半徑增長速度趨于一致，相差不超過6%．不同微波脈沖頻率下，放電初期的等離子體膨脹過程與放電結(jié)束后的熱氣體傳熱膨脹過程差異，表明了微波脈沖頻率會影響等離子體放電核心對微波能量的吸收效率，隨著微波 脈沖頻率的增加，放電核心對微波能量的吸收效率是先逐漸增大而后趨于平緩．

圖4 不同微波脈沖頻率下的放電核心半徑變化規(guī)律 Fig.4 Variation of discharge core radius under different microwave pulse frequency

圖5a示出當量比為0.6、微波峰值功率為1kW及不同微波脈沖頻率條件下點火核心半徑隨微波脈沖頻率變化規(guī)律．與SI點火模式下初始等離子體半徑為1.0mm相比，微波饋入后，MAI點火模式下初始等離子體半徑急速增大至2.0mm以上．與放電試驗相比，由于燃燒放熱的存在，點火試驗中初始點火核心形成后不會消散，而是繼續(xù)生長并形成穩(wěn)定傳播的火焰．點火過程中微波脈沖頻率對火核半徑的影響規(guī)律與放電過程基本一致，隨著微波脈沖頻率的增大，點火核心半徑在逐步增大，點火等離子體的膨脹速度也逐步增大，但點火核心半徑的增強效果逐步放緩．圖5b示出8ms時刻火核半徑與頻率的關(guān)系．頻率從1kHz增大到10kHz，相對火核增長率為29.1%，而頻率從20kHz增大到60kHz，相對火核增長率僅為12.4%．

圖5 不同微波脈沖頻率下點火核心半徑變化規(guī)律和8ms時點火核心尺寸 Fig.5 Variation of ignition core radius and ignition core size at 8ms under different microwave pulse frequency

微波脈沖頻率對放電/點火核心半徑的增強規(guī)律可能與等離子體“中斷效應(yīng)”[27]有關(guān)．當?shù)入x子體團內(nèi)電子數(shù)密度高于一定閾值時，等離子體會將饋入的電磁波部分反射出去，造成電磁波能量的損耗．當微波脈沖頻率為1kHz時，一個脈沖中只有前0.2ms內(nèi)有微波饋入，隨后0.8ms內(nèi)沒有微波饋入(占空比為 20%)．火花塞放電結(jié)束后0.2ms內(nèi)，放電等離子體團內(nèi)電子數(shù)密度高，等離子體中斷效應(yīng)顯著，饋入的微波能量大部分被反射而損失掉；而隨后的0.8ms之內(nèi)，等離子體團內(nèi)電子數(shù)密度逐漸下降[31]，中斷效應(yīng)減弱，但此時又沒有微波饋入，導(dǎo)致微波脈沖為1kHz時，等離子體對微波能量的總體吸收效率相對較小；當微波脈沖頻率逐步增大時，微波能量饋入在時間上逐步平均，而不是將大量的微波能量在電子數(shù)密度最高的時刻全部饋入．因而饋入微波總能量相同的情況下，較高的微波脈沖頻率會減少微波能量的反射，促進了等離子體對微波能量的吸收，微波對放電和點火的增強效果也逐步增強．當微波脈沖頻率持續(xù)增大時，等離子體對微波能量的吸收效率基本飽和，此時進一步增大微波脈沖頻率，微波對點火核心半徑的增強效果減緩．

2.2.2 對放電和點火核心形貌的影響

圖6展示了微波峰值功率為1kW及不同微波脈沖頻率下點火/放電3ms后的放電核心和點火核心的陰影圖像．根據(jù)圖2微波時序可知，低脈沖頻率下單次脈沖微波能量更大，會對某個方向上的放電核心表面產(chǎn)生巨大的推動作用，導(dǎo)致放電核心在某個方向上生長尤為迅速，放電核心表面出現(xiàn)明顯扭曲．隨著微波脈沖頻率的逐步增大(40～80kHz)，單次脈沖能量 逐步減小，對核心邊界的推動作用逐步減弱，僅僅在放電核心邊界形成一個小凸起；并且隨著脈沖頻率增大，微波沖擊的頻次增加，鑒于微波沖擊方向具有隨機性，使得放電核心在各個方向上都受到“沖擊”影響，這也就導(dǎo)致高脈沖頻率下放電核心更趨近于球體，但表面上出現(xiàn)了較多的褶皺．

圖6 3ms時刻不同微波脈沖頻率下的放電核心和點火核心圖像 Fig.6 Image of the discharge/ignition core under different microwave pulse frequencies at 3ms

微波脈沖頻率對點火核心形貌的影響規(guī)律與放電核心大致相似，低脈沖頻率下，點火核心表面出現(xiàn)明顯扭曲．隨著微波脈沖頻率的逐步增大，點火核心表面趨近球形，但會出現(xiàn)較多的小褶皺．相比放電核心，點火核心上的表面褶皺更少．

2.3 微波峰值功率對放電和點火特性的規(guī)律

為進一步研究單次微波脈沖能量對放電/點火核心半徑和形貌影響的定量規(guī)律，進行了不同微波峰值功率下的放電和點火試驗．試驗中微波脈沖頻率保持為40kHz不變，微波峰值功率變化為0.2～1.0kW．

2.3.1 對放電和點火核心半徑的影響

圖7a為不同微波峰值功率下的放電核心半徑變化規(guī)律．微波饋入能明顯強化放電核心膨脹程度，MAD模式下等離子體膨脹過程更快，在微波峰值功率小于0.6kW工況下，最大放電核心半徑比SD點火模式增大了18%，隨著微波峰值功率逐漸增大至1kW(圖7a中虛線和附圖所示)時，最大放電核心半 徑從1.30mm增大到了3.49mm，相比于SD模式增大了168%；隨著微波峰值功率增大，等離子體的存續(xù)時間也從1.5ms(SD模式)增大到3ms(0.2kW)至19ms以上(1kW)．

圖7 不同微波峰值功率下放電核心半徑變化規(guī)律和點火核心半徑變化規(guī)律 Fig.7 Variations of discharge core radius andignition core radius under different microwave peak power

圖7b為不同微波峰值功率下的點火核心半徑變化規(guī)律．與放電模式相似，隨著微波峰值功率增大，微波輔助點火核心初始半徑也明顯增大．點火核心膨脹過程中，由于著火過程的吸熱效應(yīng)以及初始點火核心向外界散熱，火焰?zhèn)鞑ニ俣?半徑-時間斜率)有所減小；當可燃混合氣著火后，隨著燃燒反應(yīng)的進行，初始火核轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定傳播的火焰，此時火焰?zhèn)鞑ニ俣融呌诜€(wěn)定．微波峰值功率越大，相同時刻下的點火核心半徑也越大，0.8kW及以上工況的增強效果明顯．

圖8示出8ms時的不同微波峰值功率下的點火核心半徑．隨著峰值功率的不斷增大，微波饋入對點火核心半徑的增強效果增大，呈現(xiàn)出兩段式增長特征：當微波峰值功率小于0.6kW(圖8實線所示)時，微波能量每增加0.2kW，點火核心尺寸約增加0.26mm；當峰值功率超過0.6kW(圖8虛線所示)時，微波峰值功率增加對點火核心半徑增強效果顯著，微波能量每增加0.2kW，點火核心半徑約增加0.71mm，此時的增強效果是0.6kW以下工況的2.73倍．懸殊的增強效果暗示著不同微波峰值功率下可能存在不同的增強機制．根據(jù)以往關(guān)于等離子體輔助燃燒的研究，對燃燒的增強主要有熱增強、化學動力學增強和傳質(zhì)增強[32]．下面將從熱增強和化學動力學增強兩個角度解釋兩段式增長特征．

圖8 8ms時刻微波峰值功率對點火核心半徑的影響 Fig.8 Effect of microwave peak power on ignition core size at 8ms

圖9為不同微波峰值功率下的火核生長速度與火核半徑的關(guān)系．點火過程分為三個階段[28]．階段1中，主要是初始等離子體的膨脹過程，由于拉伸率和向周圍氣體散熱的關(guān)系，此時火焰速度隨著火核半徑增大不斷減少；隨著火焰半徑越過最小點火半徑，火核發(fā)展進入階段2，此時鏈分支反應(yīng)[33]使自由基OH 濃度升高，火焰速度再度開始增加；進入階段3后，燃燒反應(yīng)釋放能量維持火焰自身發(fā)展，火焰速度基本保持不變，火焰穩(wěn)定傳播．隨著微波峰值功率的增大，初始等離子體的膨脹速度也逐步增大．微波峰值功率小于0.6kW時的點火過程曲線與純火花塞相近似，點火三階段分界明顯，存在火焰?zhèn)鞑ニ俣认葴p小再增大的過程，并且其階段1到階段2的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣仍鰪娦Ч?%～30%之間；但微波峰值功率大于0.6kW時，點火過程直接越過了由化學動力學控制的階段2，直接進入階段3，形成穩(wěn)定傳播的火焰．階段3以前的平均火焰速度與SI模式點火相比增強效果在72.8%以上，1kW情況下更是高達182%．無論微波峰值功率是多少，階段3中火焰?zhèn)鞑ニ俣融吔谝粋€定值，這表明微波輔助點火只對點火早期的影響較大，而當火焰穩(wěn)定傳播后，影響微乎其微，這一結(jié)論與Padala的試驗[28]能相互驗證．

圖9 不同微波峰值功率下的火核生長速度與火核半徑的關(guān)系 Fig.9 Relationship between ignition core growth rate and ignition core size under different microwave peak power

關(guān)于高峰值功率的微波能夠使點火過程越過化學動力學控制的階段2，這主要因為高峰值功率下微波的化學動力學增強效應(yīng)占主導(dǎo)，高功率微波使得等離子體內(nèi)自由電子被加速形成高能電子，高能電子碰撞反應(yīng)產(chǎn)生額外的激發(fā)態(tài)粒子和自由基OH[34]，OH濃度上升促進燃燒的進展，擺脫了原有燃燒化學中的自由基濃度升高僅僅依靠鏈式反應(yīng)產(chǎn)生這一路徑．而當微波峰值功率在0～0.6kW時，熱增強效應(yīng)占主導(dǎo)，由于饋入微波能量較少，自由電子很難被加速形成高能電子，此時電子與粒子發(fā)生碰撞時，粒子不會躍遷形成激發(fā)態(tài)粒子，電子吸收的微波能量主要通過電子與粒子發(fā)生碰撞馳豫后，以熱能的形式被點火火核利用．

綜上可知，增加微波峰值功率對點火核心半徑的增大效果呈分段的線性關(guān)系，超過某一閾值后，少量的微波能量增量能大幅提高微波輔助點火的效能．

2.3.2 對放電和點火核心形貌的影響

圖10示出點火/放電3ms后不同微波峰值功率下的放電核心和點火核心的陰影圖像．當微波峰值功率小于0.6kW時，放電產(chǎn)生的放電核心邊界亮度較低，此時放電核心更容易消散．隨著微波峰值功率 增大(0.8～1.0kW)，由于饋入微波總能量增加，核心邊界更加清晰，放電核心的存續(xù)時間更長．峰值功率小于0.6kW時，由于單次微波脈沖的能量較小，對核心表面的“沖擊”效果不明顯，邊界表面上褶皺不明顯；高峰值功率下，微波對核心表面的“沖擊”效果明顯增大，導(dǎo)致放電核心邊界表面出現(xiàn)了大量褶皺．點火試驗的結(jié)論類似，但點火核心的邊界表面相對更平滑，而放電核心表面產(chǎn)生的褶皺更多，表面的扭曲更加嚴重．

圖10 3ms時刻不同微波峰值功率下的放電核心和點火核心圖像 Fig.10 Image of the discharge/ignition core under different microwave peak power at 3ms

2.4 微波對放電/點火核心表面褶皺的機理探索

由微波脈沖頻率和微波功率研究可知，微波的饋入會產(chǎn)生褶皺；隨著峰值功率增大和脈沖頻率減小，單次微波脈沖能量增大，對放電/點火核心邊界的扭曲效果也隨之增大，褶皺程度也更大．

具體原因分析是：基于微波天線對微波能量的聚焦作用，微波饋入后形成的微波電場分布是不均勻的．圖11為采用三維軟件模擬得出的微波電場分布，微波電場強場區(qū)主要分布在微波天線和火花電極之間．放電/點火會在電極之間形成等離子體團，等離子體團內(nèi)部的自由電子在微波電場的作用下被加速并與氣體分子碰撞，通過化學動力學增強和熱增強的途徑，導(dǎo)致強微波場區(qū)域的環(huán)境溫度更高，與周邊區(qū)域出現(xiàn)較大的壓力梯度和密度梯度，較大的壓力梯度和密度梯度克服了放電和點火核心的表面拉伸率，在核心邊界上產(chǎn)生剪切渦量，加速未燃混合氣和已燃氣體的混合，進而導(dǎo)致表面失穩(wěn)，最終在放電/點火核心邊界表面出現(xiàn)扭曲和褶皺．

圖11 微波電場分布模擬 Fig.11 Simulation of microwave electric field distribution

隨著微波峰值功率增大和脈沖頻率減小，單次微波脈沖能量增大，微波電場場強增大，微波加熱效果增加、電子碰撞反應(yīng)速率增加，溫度梯度和壓力梯度相對增大，從而導(dǎo)致放電/點火核心表面的“沖擊”和扭曲效果也就更大，褶皺幅度也更大．如果饋入微波峰值功率較小，特別是當微波峰值功率小于某閾值時，微波能量主要以熱增強的途徑被利用，此時的溫度梯度和壓力梯度非常小，不足以克服放電以及點火核心的表面拉伸率，很難形成較大的扭曲作用，即使饋入微波，核心表面也不出現(xiàn)明顯褶皺．

點火過程中，火焰鋒面上存在燃燒反應(yīng)，燃燒過程產(chǎn)生的壓力和密度梯度減弱了由微波導(dǎo)致的壓力和密度梯度的占比，故而點火核心褶皺的程度都要比放電核心褶皺的程度更低．

另外，高脈沖頻率下的褶皺較小并均勻分布現(xiàn)象的原因是：火花塞放電過程中，放電通道形成的位置并不固定[35]，這就導(dǎo)致初始放電等離子體的電子密度在空間分布上存在隨機性；由于微波的饋入，等離子體團中的電子在微波場的作用下發(fā)生加速以及旋轉(zhuǎn)運動，從而改變了下次微波饋入時刻的等離子體內(nèi)電子數(shù)密度空間分布；而微波脈沖頻率則決定了微波能量的時間分布，微波頻率不同，單位時間內(nèi)的微波對電子的影響不同．上述原因?qū)е码娮訑?shù)密度在時空上隨機分布，而電子數(shù)密度大小可以影響等離子體團對微波能量的吸收，最終體現(xiàn)為等離子體團對微波能量吸收的時空隨機性．這就導(dǎo)致了次數(shù)繁多的微波脈沖使放電/點火核心表面各個方向上會出現(xiàn)大量小褶皺，進而增大了等離子體團總體膨脹程度，增加了微波對放電/點火的促進作用．

3 結(jié)論

(1) 相比于火花塞放電/點火模式，峰值功率為1kW、脈沖頻率為1kHz下的微波饋入可將放電/點火核心半徑增大了73.6%以上，同時微波的饋入會導(dǎo)致點火/放電核心產(chǎn)生褶皺，進一步提高了火焰的傳播速度．

(2) 由于中斷效應(yīng)，不同脈沖頻率下放電/點火等離子體團的微波能量吸收效率不同；微波脈沖頻率增大時，中斷效應(yīng)減弱，微波能量的吸收效率增大；脈沖頻率超過40kHz時，吸收效率基本飽和，從40kHz到80kHz，增強效果提升不到10%．

(3) 峰值功率增加對點火核心半徑呈兩段式增強的效果，當峰值功率小于0.6kW時，熱增強占主導(dǎo)；而峰值功率高于0.6kW時，化學動力學增強占 主導(dǎo)．

(4) 隨著單次微波脈沖能量增加，單次脈沖對放電/點火核心邊界的扭曲效果也隨之增大，產(chǎn)生的褶皺程度也更大，并且微波對放電核心表面的增強程度比對點火核心更大；微波饋入導(dǎo)致核心表面變形是由于核心內(nèi)外的壓力和溫度分布不均導(dǎo)致核心表面失穩(wěn)，從而在不同峰值功率和脈沖頻率下體現(xiàn)出不同的變形特征．

致謝：

研究工作受汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室開放基金課題(KF2028)資助．