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汽油机新型点火技术

稀薄燃烧是提高传统汽油机热效率的重要技术,是未来汽油机发展的重要方向。传统的火花塞是单点点火,在稀薄燃烧发动机上使用,会导致发动机冷启动困难、循环波动大、燃烧不稳定、燃烧不完全、燃烧速度慢、定容度低等问题,降低汽油机的燃油经济性和动力性。目前,通常采用加大火花塞点火能量、安装双火花塞以及激光点火等技术来解决上述问题。采用高能点火可以提高击穿可燃混合气的能量,降低失火概率,提高燃烧稳定性,但其并未脱离传统单点点火模式,而且较高的点火能量会降低火花塞的使用寿命;双火花塞点火系统可以降低火焰的传播距离,缩短燃烧持续期,提高热效率,但双火花塞点火系统会增加发动机制造成本,而且受限于发动机的安装尺寸,因而应用较少;激光点火由于成本较高,需要单独开设光学通道,限制了其在实际汽油机中的应用。因此,本文将介绍一种适用于稀薄燃烧的新型点技术:微波点火技术。



基本概念介绍




微波点火技术利用特定频率的微波谐振形成强电磁场,从而击穿燃烧室内大范围的混合气,使等离子体数量增加,形成空间多点点火,突破了传统火花塞单点点火的限制,具有点火可靠、燃烧稳定、燃烧速度快和热效率高等优点,且无需改变发动机结构,成为一种具有应用潜力的新型汽油机点火模式。



微波点火技术分类




根据微波点火的实现方式,可以将目前应用于内燃机的微波点火技术分为微波谐振炬点火、微波辐射空间点火和微波等离子体助燃三类。

微波谐振炬点火技术:

微波谐振炬点火技术是指在燃烧室或空腔内,采用特定频率的微波发生谐振,在燃烧室或空腔内某点附近形成极高的电场强度,击穿可燃混合气,产生等离子体,使之点火燃烧。四分之一波长同轴谐振腔(QWCCR)是最典型的点火器,如下图所示。QWCCR在中心导体端部附近产生极强的电磁场,产生等离子体点燃混合气。该点火方式仍属于单点点火模式,但其没有突出的在燃烧室内的电极,避免了电极被喷雾润湿而导致失火的问题;而且其伸入燃烧室内的长度比传统火花塞更短,因此可以有效避免大负荷工况火花塞电极过热导致发动机早火问题。

微波辐射空间点火技术:

微波辐射空间点火是指利用特定频率的微波脉冲入射至燃烧室,并在燃烧室内发生反射,击穿混合气,在燃烧室内多处产生等离子体,实现空间多点同时着火。该技术有利于改善循环波动、提高燃烧速度、提高热效率。此外,研究表明,微波辐射空间点火技术可以缩短从火花点火到火核生成的层流燃烧过程,甚至直接进入湍流燃烧阶段,提高燃烧速度;同时,该技术可使发动机的稀燃极限从过量空气系数1.35提高到3左右,油耗改善30%,CO、NOx和HC等有害排放物可减少80%左右。传统火花塞点火、激光点火和微波辐射空间点火的燃烧过程如下面视频所示。

微波等离子体助燃点火技术:

最早观察到等离子体与火焰相互作用的是在1814年,Rrande将电场加注到不同的火焰,发现火焰会靠向电极,由此得出电场影响火焰传播的理论;而最早观察到等离子体强化点火是在1904年,Haselfoot和kirkby发现放电可点燃通常情况下不能燃烧的低压混合物。在2009年,日本Imagineering公司将等离子体助燃与传统火花点火形成一种新型的微波诱导等离子体点火系统,其原理为火花塞放电产生等离子体,集成在火花塞上的微波发射天线发出微波脉冲,等离子体源吸收微波辐射能量后迅速向四周扩展,实现微波辅助燃烧,如下图所示。研究表明,采用微波等离子体辅助点火系统可以有效扩展发动机稀燃极限,显著提高着火稳定性。



微波点火着火机理




微波等离子体促进燃烧主要通过三条路线影响燃烧:热力学、动力学和输运路径。在热力学路径方面,微波等离子体提高了温度,使化学反应速率和燃料氧化速率增加;在动力学方面,微波等离子体产生的高能电子和离子与分子碰撞,使其离解、激发和电离,生成带电激发态及振动激发态分子,这些激发态分子进一步与反应物分子碰撞,产生活性自由基。在输运路径方面,粒子碰撞可以将大的燃料分子分解为小的燃烧碎片,改变燃料的扩散性,从而改善燃烧过程。在发动机中,等离子使进碳氢燃料氧化的化学反应路径发生变化,能够快迅的产生活性基发态氧原子,氧原子快速氧化燃料分子,使燃料分子脱氢,生成活性基OH,OH进一步使燃料分子分解,同时放出热量,添加的等离子体缩短了燃料低温反应过程,从而使滞燃期缩短。

总结:相比传统火花塞单点点火模式,微波点火能有效改善燃烧稳定性、拓展稀燃极限,而且无需要改变发动机结构,是一种极具潜力的新型点火方式,但微波点火的详细机理目前尚不清晰,有待进一步深入研究。



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