一种汽车发动机微波点火器的仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:彭志伟

  简要介绍了微波点火技术,对四分之一波长同轴谐振腔点火器的发展进行了概述。采用三维电磁仿真软件HFSS模拟了内导体对称环结构的耦合方式。在输入功率为400W 时,内导体的顶部电场强度可达到2.3×107 V/m左右,满足汽车发动机在高达1×106 Pa气压下激发等离子体火焰的门限条件—2.25×107 V/m。

  全球石油资源的日益枯竭,对汽车工业的发展和人们的出行起到了限制作用,提升发动机的燃油利用效率是缓解石油资源枯竭的重要途径之一。一直以来,汽车发动机都是采用火花塞点火方式,燃料的燃烧热能利用效率大约只有35%~40%。混合燃气的不充分燃烧,既浪费了石油资源,又加剧了环境污染。

  稀薄燃烧可以降低油耗,减少有毒有害气体的排放,但点火困难。德国MWI公司应用一种新型点火方式———微波点火,研发了一套微波点火装置,可使燃油消耗降低30%,尾气排放降低80%。可见,微波点火相对于传统的火花塞点火方式而言,它具有燃油利用效率高、有毒气体排放低等优点。

1、四分之一波长同轴谐振腔微波点火器的发展

  微波点火大致可以分为3类:微波谐振矩点火、微波辐射空间点火、微波等离子体助燃。一种简单的微波谐振矩点火器是四分之一波长同轴谐振腔(QWCCR)点火器(如图1),其理论基础为QWCCR理论。微波能量从外界耦合到谐振腔内部,在谐振腔的内导体顶端形成足够强的电场,产生等离子体火焰达到点火效果。汽车发动机的工作气压一般在1×106Pa以下,对应的最高击穿电场为2.25×107V/m。

QWCCR结构图

图1 QWCCR结构图

  从1988年Nash研究了QWCCR,作为射频功率处理元件开始,直到1992年Bonazza和VanVoorhies等提出QWCCR可以作为内燃机点火器。Bonazza等提出QWCCR 在2GHz时可以替代火花塞,并且可以在106 Pa气压下工作。他们推测如果QWCCR的体积比传统直流点火器的体积大,它在稀薄燃烧中将更有优势。Van Voorhies等在理论上粗略分析了QWCCR在2GHz时的放电机制,他们认为最大电场强度为30kV/cm 和电子密度为1023 m-3时,足以造成点火。

  美国西弗吉尼亚大学对QWCCR做了一系列研究,2001年他们做出了谐振频率为2.45GHz的QWCCR。实验证明了在输入功率35~200 W 和5.92×106 Pa气压下,形成了半径2mm 的微波等离子体火焰。2009年,他们着重分析了QWCCR的几何尺寸对谐振腔Q 值和内导体尖端电场的影响,并加工了一种型号的点火器来验证他们的理论分析。实验测得的Q 值比理论分析要低,他们认为是实物表面电阻加工带来的误差和氧化造成的。2011年,他们又对QWCCR点火与传统的多点点火作了对比测试,结果发现QWCCR微波点火器,在对乙烯和乙烷的稀薄混合物的燃烧有显著的提高,认为QWCCR 可以作为一种稀薄燃烧点火器。

2、结构设计

  2.1、耦合结构设计

  谐振腔与外电路常用的耦合方式有探针耦合、环耦合、孔耦合。选择一种合适的耦合方式,不仅要保证谐振腔的性能,还要考虑其方法的简便性。本文采用环耦合方式,不同于传统环耦合结构。我们采用了两边对称的四分之一圆环结构(如图2),微波能量从腔体的底端中心馈入。这种耦合结构不但保证了谐振腔的性能,而且便于一体化加工。

四分之一圆环对称耦合结构图

图2 四分之一圆环对称耦合结构图

  2.2、腔体结构设计

  谐振腔的几何尺寸,很大程度上决定了其Q 值的大小。Q 值反应了谐振腔的贮能情况,原则上应该使谐振腔的Q 值越大越好。在不考虑开口处辐射损耗的情况下,外导体内径与内导体外径的比值约为3.6时,谐振腔的Q 值最大。但是当谐振腔的尺寸过大时,同样带来了较大的腔体内表面的欧姆阻抗损耗和顶端开口处的辐射损耗。而且当谐振腔具有最大Q 值时,并不能使内导体的尖端形成最大的电场,因为小直径的内导体更容易激发尖端强电场。

结论

  本文简要介绍了微波点火技术,对QWCCR点火器的发展进行了概述。采用三维电磁仿真软件HFSS模拟了内导体对称环结构的耦合方式,分析了腔体内部电场分布对点火器性能的影响。腔内的电场主要集中在内导体表面,特别是在顶端处。当输入功率为1 W 时,内导体的顶端处电场可达到106 V/m左右。随着功率的增加,电场也随之增强。当输入功率为400W 时,内导体顶端表面就能达到106 Pa气压下的击穿场强—2.25×107 V/m。随着输入功率的再次增加,击穿区域也相应变大。可以在汽车燃烧室内,形成等离子体火焰,达到点火效果。

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