瞬态等离子体技术为减排提供了新的火花

对于00年代之前出生的人来说，你第一次接触等离子技术可能是曾经预示的等离子平板电视。然而，等离子体比你想象的要普遍得多(比必威体育如何如从你的灶台上点燃火花)，它的应用也比那些早期的视觉“奇迹”更多样、更持久，这些视觉“奇迹”在发布十多年后就消失了。

事实上，等离子体技术在内燃机脱碳方面已经显示出巨大的长期潜力，并可能很快为减少内燃机碳足迹的努力带来新的活力。位于加州托伦斯市的技术开发公司瞬态等离子系统(TPS)提供了两种商业解决方案——后处理和点火系统——它们利用一种专有的纳秒脉冲功率，据称可以“解锁等离子体以前无法实现的功能”。

TPS成立于2009年，是从南加州大学(University of Southern California)剥离出来的，后者数十年来一直在进行“瞬态等离子体”的研究。与通常由过热物质产生的传统等离子体不同，低温瞬态等离子体是由高压、超短(纳秒)电脉冲产生的，该电脉冲控制电离过程，使其达到防止过热的程度。在这种“瞬态”状态下，等离子体为燃烧和排放控制等应用提供了优越的优势。

TPS成立的目的是将瞬态等离子技术转化为可销售的产品和系统。固态高压开关技术的进步带来了更多机会，使公司能够以更紧凑的封装开发大功率解决方案。必威体育如何

TPS联合创始人兼首席执行官丹·辛格尔顿(Dan Singleton)表示:“突然之间，这项研究了很长时间、对减排具有潜在价值的技术变得可行了。”

2019年风险投资资金的注入使TPS能够为开发其产品做最后的努力。由于这两种解决方案在许多发动机平台上都被证明可以提高排放和效率，TPS现在正在“锁定合作伙伴进入市场”。

清除尾气排放

TPS后处理系统由一个等离子体电源模块、一个反应堆和一个电极组成，基本上是在颗粒物和氮氧化物排放出排气管之前“消灭”它们。

“想象一下，看着一辆汽车的后部，或者一台装有直排气管的发电机。我们会在管道中间放一根电线，对其施加高压纳秒脉冲，并在排气中产生等离子体，”辛格尔顿解释道。“我们所理解的是，它对颗粒物的作用是将其中大部分转化为气态碳。就氮氧化物而言，它基本上将其分解为氮和氧。”

据该公司介绍，该工艺可以减少多达80%的氮氧化物和85%的柴油颗粒，同时降低了后处理的复杂性。辛格尔顿说:“整体的商业优势是系统更简单。”“现在，你需要两个系统:你需要SCR(选择性催化还原)或柴油氧化催化剂(DOC)与柴油颗粒过滤器(DPF)相结合。”

TPS后处理溶液消除了DPF及其再生需求，而且更容易检查和维护。它还可以定制和扩展到不同的发动机和设备，并可用于新产品开发和作为一个螺栓改装解决方案。

虽然许多公司最初可能会针对新产品开发应用范围的小端，但TPS将目光投向了重型应用，如大型公路车辆、非公路设备、发电甚至海洋工业。

辛格尔顿说:“没有什么灵丹妙药——就像把它放在每一个引擎上一样，你就解决了问题。”“我们正在解决一些小众问题……对于我们正在做的非公路工作，这是我们所做的很大一部分工作，它针对的是特定于应用的特定法规。”

例如，OEM可能会要求TPS减少特定数量的NOx，以满足法规要求，否则可能需要全新的发动机。辛格尔顿说:“在每个市场，问题都不一样。“我们正试图与原始设备制造商合作，告诉他们:这是我们可以为您解决的问题，这就是我们的解决方案的形式。

TPS多年来一直生产1kw范围的电源。辛格尔顿说:“我们在这方面非常有经验，所以我们可以迅速将这些技术应用到更小的发动机上。”然而，大量的资金已经被用于重型应用，一直到柴油动力船舶。

“这可以归结为一个商业决策。这艘船的问题是个大问题，所以才有这么多钱投在那里。”“从实际的角度来看，从小规模开始更容易。但如果有一个关键的需求驱动资金，那么你可以从一开始就做大。”

值得再看一次

在过去，原始设备制造商已经对等离子体技术在后处理解决方案中的应用进行了评估。

辛格尔顿承认:“应用这种等离子体来处理排放的想法并不新鲜。”“事实上，在21世纪初，所有你能想到的大公司都非常认真地看待它。当时他们采用了SCR方法，原因是等离子体系统还没有准备好。电力供应不可靠，体积大，价格昂贵。”

TPS正在努力说服整车厂重新考虑。“我们现在来这里是想说:几十年的科学证明了这是可行的。我们知道你已经尝试过了，我们知道你已经看过了。现在不同的是，我们有一个商业化的电源来驱动等离子体，”辛格尔顿说。“我想对他们说的最主要的事情是:再看看，因为它已经准备好了。”

虽然该系统的成本可能仍然是一个问题，但辛格尔顿说，必须与现有系统进行衡量。“我们把风险资本的很大一部分投入到了降低成本上。显然，提高产量是降低成本的一种方法，这对于更快地采用它至关重要。但我们在过去一年半的表现是，我们可以适应现有技术的成本结构，如果你看看SCR、DOC和柴油颗粒过滤器。”

所提供的利益也与成本相称。辛格尔顿说:“如果你需要满足规定，要求你必须[去除]80%的微粒，这是一个成本。”“如果你有一个关键的需求，比如‘如果我们不能达到90%，我们就会失去整个市场’，这将增加系统的成本，但你会从中获得更多的好处。”必威体育如何

此外，现有的ICE技术也能够适应未来的发展。目前的设备不仅可以与TPS系统进行改造，它是燃料不可知的。辛格尔顿说:“如果从柴油转向低碳燃料，它仍然是可行的。我们认为，通过与原始设备制造商合作，我们将为下一代燃料做好准备。”

喷射系统

Singleton说，基于等离子体的点火系统在工作原理上“更加微妙”。必威体育如何这种可改造的系统用非电阻等离子塞取代了传统火花点火发动机中使用的火花塞，该火花塞连接到点火模块，然后连接到TPS电源。这种组合产生快速、精确控制的等离子体爆发，以创造高峰值功率，使发动机在低能量点火的情况下稳定、稀薄燃烧。

Singleton评论道:“所有发动机设计师都希望能够运行更高效的燃烧模式。必威体育如何他说，TPS点火系统拓宽了“可燃性窗口”，使点火过程中使用的燃料大大减少，同时提高了发动机效率，减少了二氧化碳和氮氧化物。“如果你投入更少的燃料，你也会在更低的温度下燃烧，这将降低排放。”

据TPS称，该系统已被证明在低负载点(如高速公路行驶)可将燃油效率提高20%，在整个驾驶周期内可提高10%至15%。各种火花点火发动机设计都显示了效率的提高，包括汽油、混合动力和天然气发动机。

基于等离子体的点火系统也为氢等替代燃料提供了机会。辛格尔顿指出，虽然氢很容易点燃，但氮氧化物是一个严重的问题，因为燃料在高温下燃烧。“同样，你会想要在更低的温度下燃烧更少的燃料，这将减少氮氧化物。”

其他用于内燃机的替代燃料已被证明燃烧非常缓慢，难以点燃。“发动机的效率甚至比10年前要高得多。必威体育如何在达到物理极限之前，最后一种效率障碍与点火有关，”Singleton说。

“未来将是不同燃料、不同类型的解决方案、混合动力车的折衷组合，所有这些都是针对不同市场的。TPS点火技术将拓宽发动机设计者的操作窗口。他们现在可以拓展他们以前所能做的极限。

“我们认为这将成为未来所有燃烧解决方案的一部分。”

最初的目标

虽然Singleton看到了点火技术的各种应用，但初步探索的目标仍然是重型汽车，包括发电和天然气动力卡车。

他说:“虽然我们正在通过所有渠道审查这项技术，但我认为应用将首先在重型汽车方面进行，然后我们将进入汽车领域。”他指出，发电等应用往往“发展得更快”。“从商业角度来看，他们将新产品推向市场的时间更短。”

虽然该系统可以证明是一种快速、简易的解决方案，适用于低马力火花点火发动机，例如轻型建筑设备，但Singleton说:“这里的挑战还是成本问题。这些都是很便宜的引擎。这就是为什么在过去的一年半里，我们一直专注于降低成本，这样我们就可以实现飞跃。”

TPS与原始设备制造商广泛合作，对点火技术进行测试，获得反馈，并确定未来的机遇和挑战。辛格尔顿说:“我们从他们那里了解到他们看到的问题是什么，这样我们就不会在黑暗中发展。”“与多个合作伙伴一起开发产品是一种非常积极的方式。”

下一个步骤

OEM合作伙伴将继续在跨越这两种产品商业化的最后障碍方面发挥关键作用。

“在点火方面，我们非常有信心能够对抗现有的点火技术，并且具有很高的可靠性。最直接的原因是，这一切都是基于已知的固态设备，具有非常长的寿命，”Singleton说。

“在排放方面，一开始会有更多的工作要做，因为你需要花时间在那些后处理系统上，以了解排气管中的物理设备必威体育如何将会遇到什么挑战。我们不担心电力供应，但排气管里发生了什么，我们需要探索。所以，这只需要测试和合作伙伴，可以在引擎上快速投入数千小时。

“从技术角度来看，我们已经扫清了原始设备制造商设置的大部分障碍。所以，在这一点上，这是关于商业化的。这是关于锁定那些商业化协议，并找出谁是合作伙伴，将与我们一起走完终点线。这就是我们接下来要做的。”