微波特性对放电/点火核心形貌特征影响

吴慧珉 ，王兆文 ，张新华，刘超辉，成晓北，王 志

(1. 华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074； 2. 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

通过采用稀薄燃烧技术[1-2]，内燃机可以使用较高的空燃比和压缩比，进而获得较高的经济性能和排放性能．这些优点使稀薄燃烧技术逐步成为提高内燃机热效率的热点技术之一[3-5]．但稀薄燃烧也带来了燃烧不稳定、点火困难和循环波动大等一系列问题．为实现稀薄燃烧，一般采用高能火花塞点火[6]，但过高的点火能量会极大损耗火花塞寿命[7]，导致内燃机可靠性降低．近年来，等离子体辅助燃烧技术受到了广泛关注[8-10]．一些研究者利用微波[11]、纳秒脉冲放电[12-14]和激光等[15-16]产生等离子体，进行等离子体辅助燃烧研究，研究表明，等离子体可以有效改善燃烧过程[15,17]．随后，研究者采用微波技术来增强点火和燃烧性能[18-19]，其中，微波辅助点火技术(MAI)对传统火花塞具有良好的结构整合和性能提升潜 力[20-21]，受到了广泛关注[22-23]．微波辅助点火技术中，火花塞放电后会形成一个放电等离子体通道，通过微波天线向该通道中馈入微波能量，等离子体吸收微波能量后迅速膨胀，提高了可燃混合气的着火能力并加速其燃烧进程，从而提高了燃烧速度和燃烧品质．Ikeda等[24]研究表明，微波辅助点火技术能大幅提高点火过程中的OH浓度．DeFilippo等[25]试验表明，微波辅助点火模式可以把汽油机的稀燃极限降到当量比为0.67左右；同时在当量比为1.25工况下汽油机循环变动率减小10%．Wolk等[26]研究表明，微波的馈入能够增加点火核心表面褶皱，稀薄燃烧条件下褶皱尤为明显，并认为该褶皱能加速火焰的传播．Gu等[27]试验表明，即使馈入的微波能量相同，不同的微波参数会影响点火的成功率．Padala等[28]利 用“最小点火火核半径”概念，从宏观上解释了微波辅助点火扩大燃烧极限、增强点火的原因．

以上研究都体现了微波辅助点火技术增强点火、优化燃烧的优越性能，但也凸显出微波辅助点火技术存在的一些问题，如Wolk研究[26]表明，高环境压力下微波辅助点火的增强效果微乎其微．在实际运行过程中，点火时刻点燃式内燃机缸内环境压力都较高，这就限制了微波辅助点火技术在点燃式内燃机中的运用．因而需要深入研究微波辅助点火技术的规律和机理，以克服微波辅助点火技术发展瓶颈．此外，以上研究主要集中在火核半径和早期火焰传播速度等方面，而微波对火焰核心的形貌影响研究相对较少，导致微波特性对初始火核表面褶皱增加的规律以及内在机制还不清晰．另外，以往关于微波参数对微波辅助点火的研究影响中，不同研究者们报道的试验现象也存在一定差异．Gu等[27]研究了1～20kHz微波脉冲频率对微波辅助点火的增强效果，发现10kHz对点火增强效果最好；而张新华等[29]也研究了1～20kHz脉冲频率的影响，发现1kHz下辅助点火效果最强．以上两者认为电子数密度决定了微波的增强效果，但对中断效应影响的理解存在差异；同时两者研究范围都过于狭窄，不具有全面性，并且研究不系统、不完全．

为全面分析微波参数对火核的增强效果，并深入分析微波和点火等离子体的耦合作用，笔者采用因素解耦的思路，通过纯放电试验，排除了燃烧放热对点火等离子体团发展的影响，显现微波和放电等离子体的耦合机制．具体地，采用定容燃烧弹系统，通过高速阴影法，系统研究了更大范围的微波脉冲频率和微波峰值功率对微波辅助放电/点火核心半径和核心形貌褶皱等特征的影响规律，探究了不同微波参数对等离子体和微波的耦合机制，如微波脉冲频率对等离子体吸收微波效率的影响机制、不同微波峰值功率导致增强效果两段性的内在机理以及微波馈入导致放电/点火核心表面出现不同褶皱形态的内在原因．

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

图1为定容燃烧弹试验系统示意．试验系统由定容燃烧弹本体、点火系统、微波产生和传输系统、高速图像采集系统、时序控制系统及环境气体配置系统等组成．定容燃烧弹内部为1.6L体积的圆柱型腔体，弹体前后端面开有两个玻璃视窗，配合阴影光路以及高速摄像机可以实现腔内放电/点火过程的图像拍摄．高速图像采集系统由高速摄像机和“Z”阴影光路构成，高速相机(Photron FASTcam WX100)的拍摄速率为10000帧/s．点火系统由改型火花塞、点火线圈和蓄电池组成．改型火花塞通过在NGK ILTR6E11型火花塞去掉“J”型接地电极，并在火花塞中心电极处拼接直径为1mm的不锈钢针，形成延长中心电极．该中心电极与微波天线对置，形成火花点火和微波馈入耦合系统．微波源可产生本征频率为2.45GHz、占空比为20%、微波峰值功率和脉冲频率连续可调以及持续时间为3ms的微波脉冲．微波通过同轴电缆传 输至微波天线，通过微波天线发射至定容弹体内腔．利用微波功率计可测得输入定容弹腔体的微波功率和微波反射功率，两者差值即为微波馈入功率．时序控制系统通过延时器输出三路同步触发信号，分别触发火花塞、微波源以及高速相机．火花塞点火和微波馈入同时触发，高速摄像机提前1ms触发．为确保定容弹内燃烧方式为预混合燃烧，根据气体分压定律控制各气体的充入量，先将气体充入预混罐进行预混合，完成之后再将混合气充入定容弹体内．点火/放电试验中，以V(O2)∶V(N2)＝1∶3.76的混合气模拟空气，点火试验中，当量比保持为0.6．为减少试验误差，每次试验都重复3次以上，结果表明试验一致性差异不超过6%．

图1 试验装置示意 Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.2 试验方案

为了研究微波辅助点火技术的内在机制，基于影响因素解耦的思路分别进行了微波辅助放电/点火试验，解耦微波辅助点火过程中的燃烧放热影响．放电试验中，定容燃烧弹内无可燃燃料，放电试验过程中的能量完全来自于火花塞点火能量和微波能量；而点火试验过程中，存在额外的燃烧放热．试验时环境压力固定在0.2MPa，具体试验方案如表1所示．

表1 试验方案设置 Tab.1 Experimental schemes

根据固态微波源能力，微波脉冲频率变化范围为1～80kHz，微波峰值功率变化范围为0～1kW．图2给出了1kHz和10kHz脉冲频率下的高速相机、微波馈入和点火的时序．

图2 微波脉冲馈入时序 Fig.2 Microwave pulse time order

为了确定馈入微波的能量大小，利用微波功率计测得微波传输效率为25%，以峰值功率为1kW、占空比为20%及持续时间为3ms为例，馈入到定容燃烧弹内腔的微波脉冲能量为150mJ，馈入微波能量误差小于8%．试验中，定容弹体被加热到(373±2)K，以避免燃烧产生的水蒸汽在光学玻璃上凝结而影响试验图片质量．测得的图像采用MATLAB软件进行图像处理，得到各试验工况下的核心当量半径R、核心半径增长率和火焰核心褶皱形貌，用作试验结果分析．R具体定义和计算参见文献[28，30]．核心半径增长率定义为(RMAI－RSI)/RSI，其中，RMAI为微波辅助点火试验(MAI)工况核心半径，RSI为火花塞点火试验(SI)工况核心半径．

2 结果与分析

2.1 微波馈入对放电和点火试验的影响

图3示出微波峰值功率为1kW、脉冲频率为1kHz条件下的两组放电试验(火花塞放电试验(SD)和微波辅助放电试验(MAD))以及当量比为0.6的两组点火试验(SI和MAI)下的火核发展图像．微波馈入后，火花塞的放电过程和点火过程都得到明显的增强，微波馈入将放电/点火核心半径增大了73.6%以上，同时产生辉光现象，表明微波诱导了基态粒子的 激发．与无微波工况相比，微波馈入工况下的放电/点火核心形貌都受到了“微波冲击”，核心表面出现明显的褶皱和扭曲．相较于微波辅助点火工况，微波辅助放电过程中的褶皱效果更为明显．

图3 微波峰值功率为1kW、微波脉冲频率为1kHz条件下的SD和MAD以及SI和MAI的早期图像 Fig.3 Initial images of SD/MAD/SI/MAI at microwave peak power of 1kW and microwave pulse frequency of 1kHz

2.2 微波脉冲频率对放电和点火特性的规律

2.2.1 对放电和点火核心半径的影响

图4示出微波峰值功率为1kW及不同微波脉冲频率下放电核心半径随微波脉冲频率变化规律．在SD模式下火花塞放电击穿混合气(0ms处)，在电极之间形成放电通道，储存在次级线圈中的电能通过放电通道加热周围空气，空气温度迅速上升，形成等离子体团，放电核心半径急速增加，这个过程为等离子体膨胀过程．放电结束，放电能量停止馈入，等离子体膨胀过程转变为热气体传热膨胀过程，等离子体团继续向周围气体散热，但温度降低，电离度下降，放电核心半径增大速率逐渐减缓，最终消散，放电核心半径变为0．将放电开始到放电核心半径消散的时间定义为火核存续时间．

与SD模式相比，MAD模式下等离子体膨胀过程更快，以40kHz为例，初始等离子体膨胀速度增大了1.08倍，1ms时刻的相对核心增长率为52%，等离子体存续时间从1.5ms增加至19.0ms以上．这表明微波能量的馈入导致放电核心的进一步生长，在火花放电前期促进了等离子体膨胀过程的发展．在后续热气体膨胀过程中，MAD模式下放电核心半径膨胀速度更大．

由图4可知，馈入相同微波能量情况下，随着微波脉冲频率的增大，放电核心半径、核心膨胀速度以及存续时间都逐渐增大．当微波脉冲频率达到40kHz，继续增大脉冲频率，初始放电核心半径增长速度趋于一致，相差不超过6%．不同微波脉冲频率下，放电初期的等离子体膨胀过程与放电结束后的热气体传热膨胀过程差异，表明了微波脉冲频率会影响等离子体放电核心对微波能量的吸收效率，随着微波 脉冲频率的增加，放电核心对微波能量的吸收效率是先逐渐增大而后趋于平缓．

图4 不同微波脉冲频率下的放电核心半径变化规律 Fig.4 Variation of discharge core radius under different microwave pulse frequency

图5a示出当量比为0.6、微波峰值功率为1kW及不同微波脉冲频率条件下点火核心半径随微波脉冲频率变化规律．与SI点火模式下初始等离子体半径为1.0mm相比，微波馈入后，MAI点火模式下初始等离子体半径急速增大至2.0mm以上．与放电试验相比，由于燃烧放热的存在，点火试验中初始点火核心形成后不会消散，而是继续生长并形成稳定传播的火焰．点火过程中微波脉冲频率对火核半径的影响规律与放电过程基本一致，随着微波脉冲频率的增大，点火核心半径在逐步增大，点火等离子体的膨胀速度也逐步增大，但点火核心半径的增强效果逐步放缓．图5b示出8ms时刻火核半径与频率的关系．频率从1kHz增大到10kHz，相对火核增长率为29.1%，而频率从20kHz增大到60kHz，相对火核增长率仅为12.4%．

图5 不同微波脉冲频率下点火核心半径变化规律和8ms时点火核心尺寸 Fig.5 Variation of ignition core radius and ignition core size at 8ms under different microwave pulse frequency

微波脉冲频率对放电/点火核心半径的增强规律可能与等离子体“中断效应”[27]有关．当等离子体团内电子数密度高于一定阈值时，等离子体会将馈入的电磁波部分反射出去，造成电磁波能量的损耗．当微波脉冲频率为1kHz时，一个脉冲中只有前0.2ms内有微波馈入，随后0.8ms内没有微波馈入(占空比为 20%)．火花塞放电结束后0.2ms内，放电等离子体团内电子数密度高，等离子体中断效应显著，馈入的微波能量大部分被反射而损失掉；而随后的0.8ms之内，等离子体团内电子数密度逐渐下降[31]，中断效应减弱，但此时又没有微波馈入，导致微波脉冲为1kHz时，等离子体对微波能量的总体吸收效率相对较小；当微波脉冲频率逐步增大时，微波能量馈入在时间上逐步平均，而不是将大量的微波能量在电子数密度最高的时刻全部馈入．因而馈入微波总能量相同的情况下，较高的微波脉冲频率会减少微波能量的反射，促进了等离子体对微波能量的吸收，微波对放电和点火的增强效果也逐步增强．当微波脉冲频率持续增大时，等离子体对微波能量的吸收效率基本饱和，此时进一步增大微波脉冲频率，微波对点火核心半径的增强效果减缓．

2.2.2 对放电和点火核心形貌的影响

图6展示了微波峰值功率为1kW及不同微波脉冲频率下点火/放电3ms后的放电核心和点火核心的阴影图像．根据图2微波时序可知，低脉冲频率下单次脉冲微波能量更大，会对某个方向上的放电核心表面产生巨大的推动作用，导致放电核心在某个方向上生长尤为迅速，放电核心表面出现明显扭曲．随着微波脉冲频率的逐步增大(40～80kHz)，单次脉冲能量 逐步减小，对核心边界的推动作用逐步减弱，仅仅在放电核心边界形成一个小凸起；并且随着脉冲频率增大，微波冲击的频次增加，鉴于微波冲击方向具有随机性，使得放电核心在各个方向上都受到“冲击”影响，这也就导致高脉冲频率下放电核心更趋近于球体，但表面上出现了较多的褶皱．

图6 3ms时刻不同微波脉冲频率下的放电核心和点火核心图像 Fig.6 Image of the discharge/ignition core under different microwave pulse frequencies at 3ms

微波脉冲频率对点火核心形貌的影响规律与放电核心大致相似，低脉冲频率下，点火核心表面出现明显扭曲．随着微波脉冲频率的逐步增大，点火核心表面趋近球形，但会出现较多的小褶皱．相比放电核心，点火核心上的表面褶皱更少．

2.3 微波峰值功率对放电和点火特性的规律

为进一步研究单次微波脉冲能量对放电/点火核心半径和形貌影响的定量规律，进行了不同微波峰值功率下的放电和点火试验．试验中微波脉冲频率保持为40kHz不变，微波峰值功率变化为0.2～1.0kW．

2.3.1 对放电和点火核心半径的影响

图7a为不同微波峰值功率下的放电核心半径变化规律．微波馈入能明显强化放电核心膨胀程度，MAD模式下等离子体膨胀过程更快，在微波峰值功率小于0.6kW工况下，最大放电核心半径比SD点火模式增大了18%，随着微波峰值功率逐渐增大至1kW(图7a中虚线和附图所示)时，最大放电核心半 径从1.30mm增大到了3.49mm，相比于SD模式增大了168%；随着微波峰值功率增大，等离子体的存续时间也从1.5ms(SD模式)增大到3ms(0.2kW)至19ms以上(1kW)．

图7 不同微波峰值功率下放电核心半径变化规律和点火核心半径变化规律 Fig.7 Variations of discharge core radius andignition core radius under different microwave peak power

图7b为不同微波峰值功率下的点火核心半径变化规律．与放电模式相似，随着微波峰值功率增大，微波辅助点火核心初始半径也明显增大．点火核心膨胀过程中，由于着火过程的吸热效应以及初始点火核心向外界散热，火焰传播速度(半径-时间斜率)有所减小；当可燃混合气着火后，随着燃烧反应的进行，初始火核转变为稳定传播的火焰，此时火焰传播速度趋于稳定．微波峰值功率越大，相同时刻下的点火核心半径也越大，0.8kW及以上工况的增强效果明显．

图8示出8ms时的不同微波峰值功率下的点火核心半径．随着峰值功率的不断增大，微波馈入对点火核心半径的增强效果增大，呈现出两段式增长特征：当微波峰值功率小于0.6kW(图8实线所示)时，微波能量每增加0.2kW，点火核心尺寸约增加0.26mm；当峰值功率超过0.6kW(图8虚线所示)时，微波峰值功率增加对点火核心半径增强效果显著，微波能量每增加0.2kW，点火核心半径约增加0.71mm，此时的增强效果是0.6kW以下工况的2.73倍．悬殊的增强效果暗示着不同微波峰值功率下可能存在不同的增强机制．根据以往关于等离子体辅助燃烧的研究，对燃烧的增强主要有热增强、化学动力学增强和传质增强[32]．下面将从热增强和化学动力学增强两个角度解释两段式增长特征．

图8 8ms时刻微波峰值功率对点火核心半径的影响 Fig.8 Effect of microwave peak power on ignition core size at 8ms

图9为不同微波峰值功率下的火核生长速度与火核半径的关系．点火过程分为三个阶段[28]．阶段1中，主要是初始等离子体的膨胀过程，由于拉伸率和向周围气体散热的关系，此时火焰速度随着火核半径增大不断减少；随着火焰半径越过最小点火半径，火核发展进入阶段2，此时链分支反应[33]使自由基OH 浓度升高，火焰速度再度开始增加；进入阶段3后，燃烧反应释放能量维持火焰自身发展，火焰速度基本保持不变，火焰稳定传播．随着微波峰值功率的增大，初始等离子体的膨胀速度也逐步增大．微波峰值功率小于0.6kW时的点火过程曲线与纯火花塞相近似，点火三阶段分界明显，存在火焰传播速度先减小再增大的过程，并且其阶段1到阶段2的平均火焰传播速度增强效果在9%～30%之间；但微波峰值功率大于0.6kW时，点火过程直接越过了由化学动力学控制的阶段2，直接进入阶段3，形成稳定传播的火焰．阶段3以前的平均火焰速度与SI模式点火相比增强效果在72.8%以上，1kW情况下更是高达182%．无论微波峰值功率是多少，阶段3中火焰传播速度趋近于一个定值，这表明微波辅助点火只对点火早期的影响较大，而当火焰稳定传播后，影响微乎其微，这一结论与Padala的试验[28]能相互验证．

图9 不同微波峰值功率下的火核生长速度与火核半径的关系 Fig.9 Relationship between ignition core growth rate and ignition core size under different microwave peak power

关于高峰值功率的微波能够使点火过程越过化学动力学控制的阶段2，这主要因为高峰值功率下微波的化学动力学增强效应占主导，高功率微波使得等离子体内自由电子被加速形成高能电子，高能电子碰撞反应产生额外的激发态粒子和自由基OH[34]，OH浓度上升促进燃烧的进展，摆脱了原有燃烧化学中的自由基浓度升高仅仅依靠链式反应产生这一路径．而当微波峰值功率在0～0.6kW时，热增强效应占主导，由于馈入微波能量较少，自由电子很难被加速形成高能电子，此时电子与粒子发生碰撞时，粒子不会跃迁形成激发态粒子，电子吸收的微波能量主要通过电子与粒子发生碰撞驰豫后，以热能的形式被点火火核利用．

综上可知，增加微波峰值功率对点火核心半径的增大效果呈分段的线性关系，超过某一阈值后，少量的微波能量增量能大幅提高微波辅助点火的效能．

2.3.2 对放电和点火核心形貌的影响

图10示出点火/放电3ms后不同微波峰值功率下的放电核心和点火核心的阴影图像．当微波峰值功率小于0.6kW时，放电产生的放电核心边界亮度较低，此时放电核心更容易消散．随着微波峰值功率 增大(0.8～1.0kW)，由于馈入微波总能量增加，核心边界更加清晰，放电核心的存续时间更长．峰值功率小于0.6kW时，由于单次微波脉冲的能量较小，对核心表面的“冲击”效果不明显，边界表面上褶皱不明显；高峰值功率下，微波对核心表面的“冲击”效果明显增大，导致放电核心边界表面出现了大量褶皱．点火试验的结论类似，但点火核心的边界表面相对更平滑，而放电核心表面产生的褶皱更多，表面的扭曲更加严重．

图10 3ms时刻不同微波峰值功率下的放电核心和点火核心图像 Fig.10 Image of the discharge/ignition core under different microwave peak power at 3ms

2.4 微波对放电/点火核心表面褶皱的机理探索

由微波脉冲频率和微波功率研究可知，微波的馈入会产生褶皱；随着峰值功率增大和脉冲频率减小，单次微波脉冲能量增大，对放电/点火核心边界的扭曲效果也随之增大，褶皱程度也更大．

具体原因分析是：基于微波天线对微波能量的聚焦作用，微波馈入后形成的微波电场分布是不均匀的．图11为采用三维软件模拟得出的微波电场分布，微波电场强场区主要分布在微波天线和火花电极之间．放电/点火会在电极之间形成等离子体团，等离子体团内部的自由电子在微波电场的作用下被加速并与气体分子碰撞，通过化学动力学增强和热增强的途径，导致强微波场区域的环境温度更高，与周边区域出现较大的压力梯度和密度梯度，较大的压力梯度和密度梯度克服了放电和点火核心的表面拉伸率，在核心边界上产生剪切涡量，加速未燃混合气和已燃气体的混合，进而导致表面失稳，最终在放电/点火核心边界表面出现扭曲和褶皱．

图11 微波电场分布模拟 Fig.11 Simulation of microwave electric field distribution

随着微波峰值功率增大和脉冲频率减小，单次微波脉冲能量增大，微波电场场强增大，微波加热效果增加、电子碰撞反应速率增加，温度梯度和压力梯度相对增大，从而导致放电/点火核心表面的“冲击”和扭曲效果也就更大，褶皱幅度也更大．如果馈入微波峰值功率较小，特别是当微波峰值功率小于某阈值时，微波能量主要以热增强的途径被利用，此时的温度梯度和压力梯度非常小，不足以克服放电以及点火核心的表面拉伸率，很难形成较大的扭曲作用，即使馈入微波，核心表面也不出现明显褶皱．

点火过程中，火焰锋面上存在燃烧反应，燃烧过程产生的压力和密度梯度减弱了由微波导致的压力和密度梯度的占比，故而点火核心褶皱的程度都要比放电核心褶皱的程度更低．

另外，高脉冲频率下的褶皱较小并均匀分布现象的原因是：火花塞放电过程中，放电通道形成的位置并不固定[35]，这就导致初始放电等离子体的电子密度在空间分布上存在随机性；由于微波的馈入，等离子体团中的电子在微波场的作用下发生加速以及旋转运动，从而改变了下次微波馈入时刻的等离子体内电子数密度空间分布；而微波脉冲频率则决定了微波能量的时间分布，微波频率不同，单位时间内的微波对电子的影响不同．上述原因导致电子数密度在时空上随机分布，而电子数密度大小可以影响等离子体团对微波能量的吸收，最终体现为等离子体团对微波能量吸收的时空随机性．这就导致了次数繁多的微波脉冲使放电/点火核心表面各个方向上会出现大量小褶皱，进而增大了等离子体团总体膨胀程度，增加了微波对放电/点火的促进作用．

3 结论

(1) 相比于火花塞放电/点火模式，峰值功率为1kW、脉冲频率为1kHz下的微波馈入可将放电/点火核心半径增大了73.6%以上，同时微波的馈入会导致点火/放电核心产生褶皱，进一步提高了火焰的传播速度．

(2) 由于中断效应，不同脉冲频率下放电/点火等离子体团的微波能量吸收效率不同；微波脉冲频率增大时，中断效应减弱，微波能量的吸收效率增大；脉冲频率超过40kHz时，吸收效率基本饱和，从40kHz到80kHz，增强效果提升不到10%．

(3) 峰值功率增加对点火核心半径呈两段式增强的效果，当峰值功率小于0.6kW时，热增强占主导；而峰值功率高于0.6kW时，化学动力学增强占 主导．

(4) 随着单次微波脉冲能量增加，单次脉冲对放电/点火核心边界的扭曲效果也随之增大，产生的褶皱程度也更大，并且微波对放电核心表面的增强程度比对点火核心更大；微波馈入导致核心表面变形是由于核心内外的压力和温度分布不均导致核心表面失稳，从而在不同峰值功率和脉冲频率下体现出不同的变形特征．

致谢：

研究工作受汽车安全与节能国家重点实验室开放基金课题(KF2028)资助．