微波點(diǎn)火技術(shù)及其在汽油機(jī)上的應(yīng)用

玉環(huán)第二職業(yè)技術(shù)學(xué)校 金嬌榮

1 傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火方式的缺點(diǎn)

火花塞點(diǎn)火應(yīng)用于汽油機(jī)已經(jīng)有100多年的歷史。點(diǎn)火雖然從一開(kāi)始的單點(diǎn)點(diǎn)火發(fā)展到了目前的多點(diǎn)點(diǎn)火，但卻依然是沿用火花塞點(diǎn)火技術(shù)，而火花塞點(diǎn)火技術(shù)的進(jìn)步卻掩蓋不了火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

（1）火花塞點(diǎn)火方式造成的汽油機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)率要高于柴油機(jī)，且有研究表明燃燒循環(huán)波動(dòng)率每增大1%，汽油機(jī)的指示熱效率便降低1.5%。

（2）均質(zhì)可燃混合氣單點(diǎn)點(diǎn)火的燃燒模式易使汽油機(jī)發(fā)生爆震，限制了汽油機(jī)壓縮比的增大，不利于汽油機(jī)熱效率的提高。

（3）采用火花塞點(diǎn)火技術(shù)的汽油機(jī)，燃料的燃燒熱能利用效率只有35%～40%，可燃混合氣的不充分燃燒，既浪費(fèi)了石油資源，又加劇了環(huán)境污染。

（4）稀薄燃燒雖然可以降低油耗，減少有毒有害氣體的排放，但點(diǎn)火困難。采用火花塞點(diǎn)火方式，可燃混合氣最多只可以稀薄到空燃比為20.1∶1。

稀薄燃燒是提高傳統(tǒng)汽油機(jī)熱效率的重要技術(shù)，是未來(lái)汽油機(jī)發(fā)展的重要方向。傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火方式是單點(diǎn)點(diǎn)火，在稀薄燃燒汽油機(jī)上使用，會(huì)導(dǎo)致汽油機(jī)冷起動(dòng)困難、循環(huán)波動(dòng)大、燃燒不穩(wěn)定、燃燒不完全、燃燒速度慢、定容度低等問(wèn)題，降低了汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放凈化性。為解決傳統(tǒng)火花塞單點(diǎn)點(diǎn)火引起的問(wèn)題，目前通常采用加大火花塞點(diǎn)火能量、安裝雙火花塞及激光點(diǎn)火等技術(shù)。采用高能點(diǎn)火可以提高擊穿可燃混合氣的能量，降低失火概率，提高燃燒穩(wěn)定性，但其并未脫離傳統(tǒng)單點(diǎn)點(diǎn)火模式，而且較高的點(diǎn)火能量會(huì)降低火花塞的使用壽命。因此采用多點(diǎn)點(diǎn)火方式是一種較為有效的改善傳統(tǒng)汽油機(jī)熱效率的手段。多點(diǎn)點(diǎn)火是指在燃燒室內(nèi)的不同位置同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)著火點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑サ狞c(diǎn)火模式。這種方法可以減少火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，從而有利于縮短燃燒持續(xù)期，降低散熱損失，這將大大改善著火性能并有效提高汽油機(jī)的熱效率。目前實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火的方法主要有2種。一種是多火花塞點(diǎn)火，即在汽油機(jī)上安裝多個(gè)火花塞進(jìn)行同步或異步點(diǎn)火，這種多點(diǎn)點(diǎn)火裝置簡(jiǎn)單易行，但多火花塞點(diǎn)火系統(tǒng)必然會(huì)增加汽油機(jī)的制造成本，由于汽油機(jī)上的安裝尺寸非常有限，目前采用這種點(diǎn)火方式的汽油機(jī)還不多。另一種是激光誘導(dǎo)多點(diǎn)點(diǎn)火，即利用激光高能的特性，將激光入射路徑上的燃料引燃。雖然這種點(diǎn)火方式能夠?qū)崿F(xiàn)空間大體積多點(diǎn)點(diǎn)火，但點(diǎn)火效率較低，成本昂貴，且需要在汽油機(jī)內(nèi)部構(gòu)建復(fù)雜的光學(xué)通路，限制了其在實(shí)際汽油機(jī)中的應(yīng)用。

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題和石油資源枯竭制約了傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)展，科技人員一直都在積極地尋找新型的汽油機(jī)燃燒方式，以提高汽油機(jī)的燃燒效率，降低燃油消耗，減少有害氣體排放。微波點(diǎn)火技術(shù)的出現(xiàn)，打破了火花塞點(diǎn)火方式的統(tǒng)治地位。微波點(diǎn)火技術(shù)是一種通過(guò)輻射微波的形式對(duì)可燃混合氣進(jìn)行點(diǎn)火，可使燃燒室內(nèi)的可燃混合氣的燃燒更加快速，更加充分，可大大提升可燃混合氣的燃燒效率，降低燃料消耗。德國(guó)MWI公司采用微波點(diǎn)火技術(shù)研發(fā)的微波點(diǎn)火裝置，在汽油機(jī)上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，燃油消耗可降低30%，有害氣體排放可降低80%，由此可見(jiàn)，汽油機(jī)采用微波點(diǎn)火方式，可以使可燃混合氣燃燒更加充分，具有較好的節(jié)能減排效果，隨著汽油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán)，微波點(diǎn)火技術(shù)將會(huì)大放異彩。

2 微波及其特點(diǎn)

微波屬于電磁波的一種，是一種頻率非常高或波長(zhǎng)非常短的電磁波，一般地，其頻率為300 MHz～300 GHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1 m～1 mm，其與機(jī)械波的最大區(qū)別在于能在真空中傳播，不需要任何介質(zhì)。微波在整個(gè)微波波段內(nèi)又可以劃分為更細(xì)小的波段（表1）。不同波段的電磁波具有不同的性質(zhì)。微波是電磁波，因此它具有電磁波諸如反射、投射、干涉、衍射、偏振及伴隨著電磁波進(jìn)行能量傳輸?shù)炔▌?dòng)特性，這也就決定了微波的產(chǎn)生、傳輸放大、輻射等問(wèn)題都不同于普通的無(wú)線電、交流電，在微波系統(tǒng)中沒(méi)有導(dǎo)線式的電路，在微波領(lǐng)域，通常應(yīng)用所謂“場(chǎng)”的概念來(lái)分析系統(tǒng)內(nèi)電磁波的結(jié)構(gòu)，并采用功率、頻率、阻抗、駐波等作為微波測(cè)量的基本量。微波的傳播速度為光速，在傳輸過(guò)程中遇金屬會(huì)反射，微波在多次反射后會(huì)形成漫反射，同時(shí)如果入射波與反射波疊加，會(huì)形成駐波。在微波波導(dǎo)或諧振腔中，微波電磁場(chǎng)的駐波分布現(xiàn)象很常見(jiàn)，微波爐腔體內(nèi)加熱就是通過(guò)駐波的方式進(jìn)行的。微波傳輸過(guò)程中，在10個(gè)波長(zhǎng)以上的空間內(nèi)有明顯的方向性，微波經(jīng)墻壁的多次反射形成漫反射，漫反射的微波是大容積微波均勻加熱的主要途徑；而微波在10個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，特別是小于5個(gè)波長(zhǎng)的情況下，方向性不明顯，在此情況下，微波在腔體內(nèi)形成諧振狀態(tài)。

相對(duì)于低頻無(wú)線電波而言，微波具有高頻率、強(qiáng)穿透、短波長(zhǎng)、量子特性和散射特性等，這些特性可廣泛應(yīng)用與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、科技生活等領(lǐng)域，譬如，在第二次世界大戰(zhàn)的早期，人們利用微波的反射和定向特性，發(fā)明了雷達(dá)，雷達(dá)除了在軍事領(lǐng)域應(yīng)用之外，車載防撞雷達(dá)、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)等也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。再如，科技人員利用微波在大氣層中的強(qiáng)穿透力特性，實(shí)現(xiàn)了全球衛(wèi)星通信、全球電視直播等等，微波爐也已經(jīng)成為了人們必備的廚房家電。

表1 微波細(xì)小波段的劃分

2 微波點(diǎn)火技術(shù)

2.1 微波點(diǎn)火技術(shù)在汽油機(jī)上的研究和應(yīng)用歷程

汽車誕生以來(lái)的100多年，火花塞點(diǎn)火方式一直占據(jù)著汽油機(jī)點(diǎn)火的統(tǒng)治地位。20世紀(jì)70年代，Ward May等人研究發(fā)現(xiàn)采用微波等離子體輔助點(diǎn)火方式可有效促進(jìn)燃燒。1988年，Nash研究出了1/4波長(zhǎng)同軸諧振腔（QWCCR，Quarter Wave Coaxial Cavity Resonator），將微波能量從外界耦合到該諧振腔內(nèi)部，在諧振腔的內(nèi)導(dǎo)體頂端會(huì)形成足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，擊穿氣體而產(chǎn)生等離子體火焰，從而達(dá)到點(diǎn)火效果。1992年，Van Voorhies和Bonazza等人初次建議可以將QWCCR作為一種內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火器，提出QWCCR在2 GHz時(shí)可以替代火花塞，并可以在106 Pa氣壓下工作。2001年，美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)成功制作出諧振頻率為2.45 GHz的QWCCR，實(shí)驗(yàn)證明在600 kPa的大氣壓下，在輸入功率為35 W～200 W時(shí)，QWCCR產(chǎn)生的等離子體火焰的半徑達(dá)到了2 mm。2006年，Maurice Kettner等人將QWCCR安裝在一臺(tái)可視化的寶馬F650汽油機(jī)上進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單個(gè)微波脈沖波的持續(xù)周期為1 μs的多脈沖波，可得到穩(wěn)定的點(diǎn)火性能。2009年，德國(guó)微波點(diǎn)火公司（MWI，Micro Wave Ignition AG）成功地將微波輻射到汽油機(jī)燃燒室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了微波點(diǎn)火，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波點(diǎn)火能夠極大地降低油耗，減少有害氣體排放，從此微波點(diǎn)火技術(shù)開(kāi)始引起了汽車科技人員的高度重視。2011年美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)成又對(duì)QWCCR微波點(diǎn)火與傳統(tǒng)多點(diǎn)點(diǎn)火進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)QWCCR微波點(diǎn)火對(duì)乙烯和乙烷的稀薄混合物燃燒效果有顯著提高，認(rèn)為QWCCR可以作為一種稀薄燃燒點(diǎn)火器。采用火花塞點(diǎn)火方式，可燃混合氣最多可以稀薄到空燃比為20.1，而采用微波點(diǎn)火技術(shù)，即使可燃混合氣的空燃比為22.35～26.8，依然可以有效點(diǎn)燃，這對(duì)降低汽車尾氣排放大有益處。

2.2 微波點(diǎn)火的基本原理和點(diǎn)火方式

微波點(diǎn)火技術(shù)利用特定頻率的微波諧振形成強(qiáng)電磁場(chǎng)，擊穿燃燒室內(nèi)大范圍的可燃混合氣，使等離子體（等離子體又叫做電漿，由電子、離子等帶電粒子及中性粒子組成，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性，且具有集體效應(yīng)的混合氣體。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)）數(shù)量增加，形成空間多點(diǎn)點(diǎn)火，突破了傳統(tǒng)火花塞單點(diǎn)點(diǎn)火的限制，具有點(diǎn)火可靠、燃燒穩(wěn)定、燃燒速度快和熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)需改變汽油機(jī)結(jié)構(gòu)，是一種具有應(yīng)用潛力的新型汽油機(jī)點(diǎn)火模式。根據(jù)目前的報(bào)道和文獻(xiàn)，可將微波點(diǎn)火方式歸納為微波諧振炬點(diǎn)火（MTI，Microwave resonator Torch Ignition）、微波輻射空間點(diǎn)火（MSI，Microwave radiation Space Ignition）和微波等離子體助燃點(diǎn)火（MAI，Microwave plasma Assisted Ignition）等3種。

2.3 微波諧振炬點(diǎn)火（MTI， Microwave resonator Torch Ignition）

振腔。由于諧振腔開(kāi)路端可等效為阻抗無(wú)窮大，在諧振狀態(tài)下在開(kāi)路端能形成電場(chǎng)波腹，從而得到很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而擊穿可燃混合氣進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微波點(diǎn)火?；?/4波長(zhǎng)同軸諧振腔（QWCCR）的微波諧振炬點(diǎn)火方式的原理是：向諧振腔中饋入特定頻率的微波能量，可在中心電極端部附近產(chǎn)生一個(gè)足以擊穿中心電極周圍氣體介質(zhì)的強(qiáng)電磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生可用于點(diǎn)火的微波等離子體而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。

當(dāng)微波在諧振腔內(nèi)發(fā)生諧振時(shí)，電磁場(chǎng)的疊加會(huì)使得諧振腔內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度幅值達(dá)到最大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，該區(qū)域產(chǎn)生微波等離子體火焰，會(huì)發(fā)生類似于火花塞點(diǎn)火的擊穿放電現(xiàn)象，從而點(diǎn)燃周邊大體積的可燃混合氣。所謂微波諧振炬點(diǎn)火，就是利用耦合裝置將特定頻率的微波能量饋入到諧振腔內(nèi)（類似于汽油機(jī)的燃燒室），使其發(fā)生諧振，當(dāng)微波發(fā)生諧振時(shí)，產(chǎn)生微波等離子體火焰，點(diǎn)燃燃燒室中的可燃混合氣來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。微波諧振炬點(diǎn)火具有點(diǎn)火能量高、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

2.3.1 基于1/4波長(zhǎng)同軸諧振腔的微波諧振炬點(diǎn)火

微波諧振炬點(diǎn)火模式中最典型的是使用1/4波長(zhǎng)同軸諧振腔（QWCCR，Quarter Wave Coaxial Cavity Resonator）作為點(diǎn)火器。QWCCR是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微波等離子體發(fā)生裝置，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由諧振腔腔體和耦合器組成，諧振腔是由一端短路，另一端開(kāi)路，長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的同軸線組成的半封閉諧振腔，是一種傳輸線型微波諧

圖1 QWCCR的結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)結(jié)果表明，QWCCR的最低點(diǎn)火能量與傳統(tǒng)火花塞基本接近，但在解決了微波能量傳輸效率和等離子體導(dǎo)致的阻抗失配問(wèn)題后，其點(diǎn)火性能可以超過(guò)傳統(tǒng)火花塞。QWCCR相比傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火的另一優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有突出燃燒室內(nèi)的電極，從而根除了電極被噴霧潤(rùn)濕的問(wèn)題，非常適合噴霧引導(dǎo)的稀薄燃燒缸內(nèi)直噴（GDI，Gasoline Direct Injection）汽油機(jī)，并且，由于其伸入燃燒室的尺寸比傳統(tǒng)火花塞短很多，也就根除了大負(fù)荷時(shí)火花塞電極過(guò)熱引起汽油機(jī)早燃的問(wèn)題。采用QWCCR微波諧振炬點(diǎn)火無(wú)需對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行任何改造，且在拓寬稀薄燃燒極限方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其缺點(diǎn)與傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火方式一樣，并未突破單點(diǎn)點(diǎn)火的傳統(tǒng)模式。

2.3.2 基于圓柱形諧振腔的微波諧振炬點(diǎn)火

采用1/4波長(zhǎng)同軸諧振腔（QWCCR）作為點(diǎn)火裝置，點(diǎn)火效果較差，汽車科技人員又提出了基于圓柱形諧振腔（由上下兩端金屬封閉的圓柱形波導(dǎo)構(gòu)成）的微波諧振炬點(diǎn)火方法。

理論上來(lái)說(shuō)，任何封閉的金屬空腔均可作為諧振腔。圓柱形諧振腔是與汽油機(jī)燃燒室最為相似的諧振腔?；趫A柱形諧振腔的微波諧振炬點(diǎn)火的基本原理與QWCCR相似，都是利用諧振腔內(nèi)的微波諧振，使得空間中部分區(qū)域電場(chǎng)發(fā)生疊加，產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域，從而擊穿氣體介質(zhì)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火效果。不同的是，基于圓柱形諧振腔的微波諧振炬點(diǎn)火是將整個(gè)汽油機(jī)的燃燒室作為諧振腔，這樣在諧振腔內(nèi)部形成的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域較大，容易形成大體積點(diǎn)火甚至空間多點(diǎn)點(diǎn)火。但為了滿足諧振要求，需要對(duì)汽油機(jī)的燃燒室進(jìn)行一定的改造。

圓柱形諧振腔的點(diǎn)火效果取決于諧振腔內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布。圓柱形諧振腔有幾種典型的諧振模式，如橫電振蕩（TE111）、橫磁振蕩（TM010）等。TE111諧振模式的諧振與諧振腔的高度和半徑有關(guān)?；钊谕鶑?fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，諧振腔高度達(dá)到某一高度時(shí)即可發(fā)生諧振，從而激發(fā)微波等離子體進(jìn)行點(diǎn)火。在點(diǎn)火過(guò)程中，可向諧振腔內(nèi)饋入持續(xù)的微波能量，從而能夠充分利用微波助燃的特性，提高后續(xù)燃燒過(guò)程的燃燒效率。而TM010諧振模式的電場(chǎng)存在方式較為簡(jiǎn)單，只存在軸向方向的電場(chǎng)，且電場(chǎng)強(qiáng)度的分布只與徑向半徑有關(guān)，而與諧振腔的高度無(wú)關(guān)，對(duì)諧振腔的尺寸精度要求不太苛刻。當(dāng)活塞運(yùn)行到特定位置（上止點(diǎn)）時(shí)，饋入脈沖式微波能量即可激發(fā)微波等離子體進(jìn)行點(diǎn)火。因此，和TE111諧振模式相比，TM010諧振模式的諧振腔體積較小，且對(duì)諧振腔的尺寸精度要求不高，能在較低微波能量下得到較高的電場(chǎng)強(qiáng)度。

基于圓柱形諧振腔的微波諧振炬點(diǎn)火采用矩形波導(dǎo)傳輸微波能量，利用孔耦合將微波能量饋入諧振腔。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，當(dāng)諧振腔高度為138 mm時(shí)即可發(fā)生諧振，而實(shí)際汽油機(jī)燃燒室的高度只有10多mm，因此若將整個(gè)諧振腔作為燃燒室顯然不合理。圖2所示為一種基于圓柱形諧振腔的微波諧振炬點(diǎn)火模型，利用石英玻璃將諧振腔分為2個(gè)部分，一部分為空氣腔（約為100 mm），另一部分作為燃燒室，燃燒室的高度由短路活塞控制，通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒室的高度即可控制諧振腔是否發(fā)生諧振。

而為產(chǎn)生多點(diǎn)點(diǎn)火，需要在諧振腔內(nèi)形成多個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度高于擊穿場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域，可以在諧振腔內(nèi)部植入多個(gè)（譬如3個(gè)）金屬尖端（圖3）。在電場(chǎng)中的金屬尖端會(huì)使得空間中的電場(chǎng)發(fā)生畸變，且曲率半徑越大，場(chǎng)強(qiáng)畸變?cè)矫黠@，場(chǎng)強(qiáng)畸變會(huì)極大地增加金屬尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，這有利于在多個(gè)金屬尖端附近發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象，形成多個(gè)著火點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火。

2.3.3 諧振腔腔體耦合結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用的諧振腔都不是孤立的，孤立的腔體不可能存在電磁能量，諧振腔必須與外電路連接作為微波系統(tǒng)的一個(gè)部件才能工作，即諧振腔必須通過(guò)耦合裝置（圖4）與外電路之間發(fā)生耦合，由外電路引進(jìn)微波信號(hào)才能在腔體內(nèi)激勵(lì)起所需模式的電磁振蕩。

圖2 基于圓柱形諧振腔的微波諧振炬點(diǎn)火模型

圖3 諧振腔內(nèi)部植入多個(gè)金屬尖端

圖4 諧振腔的耦合

不同的諧振腔系統(tǒng)通常存在不同的耦合方式，從電場(chǎng)與磁場(chǎng)的作用上看，大體上可以分為電耦合（諧振腔與外電路通過(guò)電場(chǎng)而耦合）、磁耦合（諧振腔與外電路的耦合通過(guò)磁場(chǎng)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)）和電磁耦合（通過(guò)電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合一起作用，即諧振腔與外部電路通過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)相耦合）等3種耦合方式。而從耦合結(jié)構(gòu)上看，如圖5所示，大體上可以分為探針耦合、環(huán)耦合、孔耦合等3種方式。

圖5 諧振腔的耦合結(jié)構(gòu)

（1）電耦合（探針耦合）

探針耦合（圖5a）屬于一種電耦合，一般用于同軸線傳輸與諧振腔之間的耦合，是利用插入諧振腔的一根金屬探針通過(guò)電場(chǎng)的作用來(lái)達(dá)到耦合目的的。若要在諧振腔中激勵(lì)起某一諧振模式，則要求金屬探針插入方向平行于金屬探針處原來(lái)的腔內(nèi)電力線方向。一般情況下，探針的位置處于腔體要被激勵(lì)電場(chǎng)的最強(qiáng)位置，耦合度的強(qiáng)弱取決于探針插入的深度、大小等。

（2）磁耦合（環(huán)耦合）

磁耦合式是利用通過(guò)諧振腔壁的小孔而引入的耦合環(huán)以磁場(chǎng)耦合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此也稱為環(huán)耦合。在同軸線傳輸與諧振腔之間進(jìn)行能量饋入時(shí)，通常采用環(huán)耦合（圖5b）方式。它是通過(guò)耦合裝置與腔體內(nèi)壁形成閉合環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)之間能量的耦合的。把同軸線的內(nèi)導(dǎo)體深入腔體內(nèi)部，彎成小環(huán)形狀，一端與腔體內(nèi)部連接在一起，形成閉合回路。若要在諧振腔中激勵(lì)起某一種諧振模式，耦合環(huán)平面的法線應(yīng)與腔中磁力線平行，或者讓磁力線穿過(guò)耦合環(huán)。耦合環(huán)一般置于腔體內(nèi)要被激勵(lì)磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方，環(huán)面與磁力線垂直。環(huán)的大小、位置等都影響耦合強(qiáng)度。

（3）孔耦合（圖5c）是利用電磁波的繞射特性，把電磁場(chǎng)通過(guò)小孔耦合進(jìn)諧振腔內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般用在波導(dǎo)與諧振腔之間的耦合。若要在諧振腔中激勵(lì)起某一種諧振模式，則要求耦合孔放在諧振腔內(nèi)的電力線或磁力線（或者同時(shí)存在）與波導(dǎo)傳輸?shù)耐惲€相一致的地方。孔耦合存在不同的耦合方式，有電耦合，有磁耦合，也可能兩者都有。耦合孔的位置及大小和形狀對(duì)耦合度有影響。

2.4 微波輻射空間點(diǎn)火（MSI，Microwave radiation Space Ignition）

所謂微波輻射空間點(diǎn)火，就是在整個(gè)燃燒室內(nèi)形成強(qiáng)電場(chǎng)擊穿可燃混合氣，形成空間多點(diǎn)點(diǎn)火效果（圖6）?？臻g輻射微波點(diǎn)火的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)空間多點(diǎn)點(diǎn)火，但是其缺點(diǎn)是實(shí)施點(diǎn)火比較困難。

圖6 微波輻射空間點(diǎn)火效果

圖7 傳統(tǒng)點(diǎn)火和微波輻射空間點(diǎn)火（MSI）的對(duì)比

微波輻射空間點(diǎn)火模式中，最具有代表性的是德國(guó)微波點(diǎn)火公司（MWI，Micro Wave Ignition AG）的MWI燃燒，即將特定頻率的微波脈沖入射至燃燒室內(nèi)，微波在燃燒室內(nèi)來(lái)回反射，燃料中質(zhì)量約為3%的特定碳?xì)浞肿邮紫缺涣呀猓a(chǎn)生活性基團(tuán)，啟動(dòng)了熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在燃燒室內(nèi)多處產(chǎn)生微波等離子體，實(shí)現(xiàn)了空間均勻分布、多點(diǎn)同時(shí)著火的燃燒過(guò)程（圖7）。該技術(shù)有利于改善循環(huán)波動(dòng)、提高燃燒速度和燃燒效率。MWI燃燒相比于傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火，縮短甚至消除了從火花塞跳火至火核生成的層流燃燒過(guò)程，直接跨入湍流燃燒階段（圖8），從而大大加速了燃燒。

圖8 MWI多點(diǎn)點(diǎn)火湍流燃燒

微波輻射空間點(diǎn)火（MSI）也利用了微波諧振腔原理，但MSI是將諧振腔和燃燒室有機(jī)結(jié)合起來(lái)，整個(gè)燃燒室都作為諧振腔，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)燃燒室內(nèi)的空間多點(diǎn)大面積著火，且這種多點(diǎn)著火又區(qū)別于空間同時(shí)著火，極大地拓展了稀薄燃燒極限，MWI燃燒甚至可使汽油機(jī)稀薄燃燒極限從空燃比20.1提高到44.7，燃燒溫度低，排放低，減少了對(duì)冷卻系統(tǒng)、排放后處理催化器和微粒捕集器的依賴，可使燃油消耗降低30%，CO2降低30%，CO、NOx、HC等有害排放物減少80%。

2.5 微波等離子體助燃點(diǎn)火（MAI，Microwave plasma Assisted Ignition）

所謂微波等離子體助燃點(diǎn)火（MAI，Microwave plasma Assisted Ignition），就是首先通過(guò)傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火形成直流等離子體源，然后微波輻射直流等離子體源，使之吸收能量迅速擴(kuò)展，從而達(dá)到點(diǎn)火效果。微波等離子體助燃點(diǎn)火的優(yōu)缺點(diǎn)和微波諧振炬點(diǎn)火相似。

早在1814年，Rrande就發(fā)現(xiàn)了等離子體與火焰的相互作用，Rrande將電場(chǎng)加注到不同的火焰，發(fā)現(xiàn)火焰會(huì)靠向電極，由此得出電場(chǎng)影響火焰?zhèn)鞑サ睦碚摗Ｔ缭?904年，Haselfoot和Kirkby就觀察到了等離子體能強(qiáng)化點(diǎn)火，Haselfoot和Kirkby發(fā)現(xiàn)，放電可點(diǎn)燃通常情況下不能燃燒的低壓混合物。2009年，日本Imagineering Inc公司的Yuji Ikeda等人將等離子體助燃與傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火相結(jié)合研發(fā)了一種新型微波誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)（Microwave Plasma Ignition System），該點(diǎn)火系統(tǒng)集成了傳統(tǒng)火花塞、微波傳輸系統(tǒng)與微波控制系統(tǒng)，其原理為首先火花塞放電產(chǎn)生等離子體源，集成在火花塞上的微波發(fā)射天線發(fā)出微波脈沖，等離子體源吸收微波輻射能量后迅速向四周擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)微波輔助燃燒（圖9）。研究表明，采用微波等離子體輔助點(diǎn)火系統(tǒng)可以有效擴(kuò)展汽油機(jī)稀薄燃燒極限（從空燃比19.3拓展至24.1），顯著提高著火穩(wěn)定性，汽油機(jī)中小負(fù)荷下的燃油消耗、排放和循環(huán)波動(dòng)大幅降低（和火花塞點(diǎn)火理論空燃比附近的燃燒相比，CO2和CO排放降低30%以上，NOx降低70%以上）。

圖9 微波等離子體助燃點(diǎn)火（MAI）

微波等離子體助燃點(diǎn)火（MAI）避開(kāi)了微波難以擊穿高壓可燃混合氣的難題，通過(guò)火花塞點(diǎn)火率先擊穿可燃混合氣形成等離子體，然后饋入少量的微波能量，形成的電磁場(chǎng)即可達(dá)到增強(qiáng)等離子體核的目的。等離子體和傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火相結(jié)合的這種復(fù)合點(diǎn)火方式，既可用于汽油機(jī)中小負(fù)荷，也可用于大負(fù)荷加快初期火焰?zhèn)鞑ニ俣?，抑制爆震，具有良好的?yīng)用前景，但該點(diǎn)火方式仍然屬于單點(diǎn)點(diǎn)火，節(jié)能效果有限。

3 其他微波點(diǎn)火技術(shù)

為了提高微波輻射空間點(diǎn)火（MSI）技術(shù)的實(shí)用性，清華大學(xué)的蘭光等人提出了微波諧振空間著火技術(shù)，在常溫條件下，使用功率為300 W的微波，可擊穿壓力為1 MPa的可燃混合氣，實(shí)現(xiàn)了可燃混合氣的空間多點(diǎn)著火，證明了微波點(diǎn)火技術(shù)在汽油機(jī)上應(yīng)用的可行性。另外，蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)的李壇等人還提出了均質(zhì)預(yù)混微波著火（HCMI，Homogeneous Charge Microwave Ignition），即通過(guò)微波在燃燒室內(nèi)形成的電磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)均質(zhì)預(yù)混壓燃（HCCI，Homogeneous Charge Compresion Ignition），且能保證實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)著火。