作者：彭志偉
一直以來，汽車發動機都是採用火花塞點火方式，燃料的燃燒熱能利用效率大約只有35%～40%。混合燃氣的不充分燃燒，既浪費了石油資源，又加劇了環境汙染。
稀薄燃燒可以降低油耗，減少有毒有害氣體的排放，但點火困難。德國MWI公司應用一種新型點火方式———微波點火，研發了一套微波點火裝置，可使燃油消耗降低30%，尾氣排放降低80%。可見，微波點火相對於傳統的火花塞點火方式而言，它具有燃油利用效率高、有毒氣體排放低等優點。
1、四分之一波長同軸諧振腔微波點火器的發展
微波點火大致可以分為3類：微波諧振矩點火、微波輻射空間點火、微波等離子體助燃。一種簡單的微波諧振矩點火器是四分之一波長同軸諧振腔(QWCCR)點火器(如圖1)，其理論基礎為QWCCR理論。微波能量從外界耦合到諧振腔內部，在諧振腔的內導體頂端形成足夠強的電場，產生等離子體火焰達到點火效果。汽車發動機的工作氣壓一般在1×106Pa以下，對應的最高擊穿電場為2.25×107V/m。
圖1 QWCCR結構圖
從1988年Nash研究了QWCCR，作為射頻功率處理元件開始，直到1992年Bonazza和VanVoorhies等提出QWCCR可以作為內燃機點火器。Bonazza等提出QWCCR 在2GHz時可以替代火花塞，並且可以在106 Pa氣壓下工作。他們推測如果QWCCR的體積比傳統直流點火器的體積大，它在稀薄燃燒中將更有優勢。Van Voorhies等在理論上粗略分析了QWCCR在2GHz時的放電機制，他們認為最大電場強度為30kV/cm 和電子密度為1023 m-3時，足以造成點火。
美國西弗吉尼亞大學對QWCCR做了一系列研究，2001年他們做出了諧振頻率為2.45GHz的QWCCR。實驗證明了在輸入功率35～200 W 和5.92×106 Pa氣壓下，形成了半徑2mm 的微波等離子體火焰。2009年，他們著重分析了QWCCR的幾何尺寸對諧振腔Q 值和內導體尖端電場的影響，並加工了一種型號的點火器來驗證他們的理論分析。實驗測得的Q 值比理論分析要低，他們認為是實物表面電阻加工帶來的誤差和氧化造成的。2011年，他們又對QWCCR點火與傳統的多點點火作了對比測試，結果發現QWCCR微波點火器，在對乙烯和乙烷的稀薄混合物的燃燒有顯著的提高，認為QWCCR 可以作為一種稀薄燃燒點火器。
2、結構設計
2.1、耦合結構設計
諧振腔與外電路常用的耦合方式有探針耦合、環耦合、孔耦合。選擇一種合適的耦合方式，不僅要保證諧振腔的性能，還要考慮其方法的簡便性。本文采用環耦合方式，不同於傳統環耦合結構。我們採用了兩邊對稱的四分之一圓環結構(如圖2)，微波能量從腔體的底端中心饋入。這種耦合結構不但保證了諧振腔的性能，而且便於一體化加工。
圖2 四分之一圓環對稱耦合結構圖
2.2、腔體結構設計
諧振腔的幾何尺寸，很大程度上決定了其Q 值的大小。Q 值反應了諧振腔的貯能情況，原則上應該使諧振腔的Q 值越大越好。在不考慮開口處輻射損耗的情況下，外導體內徑與內導體外徑的比值約為3.6時，諧振腔的Q 值最大。但是當諧振腔的尺寸過大時，同樣帶來了較大的腔體內表面的歐姆阻抗損耗和頂端開口處的輻射損耗。而且當諧振腔具有最大Q 值時，並不能使內導體的尖端形成最大的電場，因為小直徑的內導體更容易激發尖端強電場。
結論
本文簡要介紹了微波點火技術，對QWCCR點火器的發展進行了概述。採用三維電磁仿真軟件HFSS模擬了內導體對稱環結構的耦合方式，分析了腔體內部電場分佈對點火器性能的影響。腔內的電場主要集中在內導體表面，特別是在頂端處。當輸入功率為1 W 時，內導體的頂端處電場可達到106 V/m左右。隨著功率的增加，電場也隨之增強。當輸入功率為400W 時，內導體頂端表面就能達到106 Pa氣壓下的擊穿場強—2.25×107 V/m。隨著輸入功率的再次增加，擊穿區域也相應變大。可以在汽車燃燒室內，形成等離子體火焰，達到點火效果。
