Blog

Aug 10, 2023

La technologie plasma transitoire fournit une nouvelle étincelle pour la réduction des émissions

Par Becky Schultz16 janvier 2023 Pour les personnes nées avant les années 2000, votre premier

Par Becky Schultz16 janvier 2023

Pour ceux qui sont nés avant les années 2000, votre première exposition reconnue à la technologie plasma a peut-être été sous la forme du téléviseur à écran plat plasma autrefois annoncé. Pourtant, le plasma est beaucoup plus courant que vous ne le pensez (prenez une étincelle de votre cuisinière, par exemple), et les applications sont bien plus variées et durables que ces premières "merveilles" visuelles qui ont disparu un peu plus d'une décennie après leur lancement. .

En fait, la technologie plasma a montré un potentiel important à long terme dans la lutte pour décarboner les moteurs à combustion interne (ICE) et pourrait bientôt donner un nouveau souffle aux efforts visant à réduire leur empreinte carbone. La société de développement technologique Transient Plasma Systems (TPS), basée à Torrance, en Californie, propose deux solutions prêtes à l'emploi - un système de post-traitement et un système d'allumage - qui utilisent une puissance d'impulsion nanoseconde propriétaire qui, selon elle, peut "débloquer des capacités de plasma auparavant inaccessibles".

Fondée en 2009, TPS est une spin-off de l'Université de Californie du Sud, qui mène des recherches sur le "plasma transitoire" depuis des décennies. Contrairement au plasma conventionnel généralement généré via de la matière surchauffée, le plasma transitoire à basse température est produit par des impulsions électriques haute tension ultra-courtes (nanosecondes) qui contrôlent le processus d'ionisation au point d'empêcher la surchauffe. Dans cet état "transitoire", le plasma permet des avantages supérieurs pour des applications telles que la combustion et le contrôle des émissions.

TPS a été créé dans le but exprès de traduire cette technologie plasma transitoire en produits et systèmes commercialisables. Les progrès de la commutation haute tension à semi-conducteurs ont ouvert encore plus d'opportunités, permettant à l'entreprise de développer des solutions haute puissance dans un boîtier plus compact.

"Tout d'un coup, cette technologie qui avait fait l'objet de recherches depuis si longtemps qu'elle était potentiellement utile pour réduire les émissions est devenue viable", a déclaré Dan Singleton, co-fondateur et PDG de TPS.

Une injection de fonds d'investissement en capital-risque en 2019 a permis à TPS de faire le dernier effort pour développer ses produits. Avec les deux solutions démontrées pour améliorer les émissions et l'efficacité sur de nombreuses plates-formes de moteurs, TPS "verrouille désormais des partenaires avec lesquels aller sur le marché".

Le système de post-traitement TPS combine un module de puissance à plasma, un réacteur et une électrode qui "zappent" essentiellement les particules et les émissions de NOx avant qu'elles ne sortent du tuyau d'échappement.

"Imaginez regarder l'arrière d'un véhicule ou d'un générateur avec un tuyau d'échappement droit. Nous mettrions un fil au milieu du tuyau, lui appliquerions des impulsions nanosecondes à haute tension et produirions du plasma dans l'échappement", a expliqué Singleton. "Ce que nous comprenons qu'il fait aux particules, c'est qu'il en reconvertit une grande partie en carbone gazeux. En termes de NOx, il le décompose en azote et en oxygène."

Selon l'entreprise, le processus peut réduire les NOx jusqu'à 80 % et les particules diesel jusqu'à 85 %, tout en réduisant la complexité du post-traitement. "L'avantage commercial global est un système plus simple", a déclaré Singleton. "En ce moment, vous avez besoin de deux systèmes : vous avez besoin d'un SCR (réduction catalytique sélective) ou d'un catalyseur d'oxydation diesel (DOC) combiné à un filtre à particules diesel (DPF)."

La solution de post-traitement TPS élimine le DPF et son besoin de régénération, et est plus facile à inspecter et à entretenir. Il est également personnalisable et évolutif pour différents moteurs et équipements, et est disponible à la fois pour le développement de nouveaux produits et en tant que solution de mise à niveau boulonnée.

Alors que de nombreuses entreprises pourraient initialement cibler la petite extrémité du spectre d'applications pour le développement de nouveaux produits, TPS a jeté son dévolu sur les applications lourdes telles que les gros véhicules routiers, les équipements hors route, la production d'électricité et même l'industrie maritime.

"Il n'y a pas de solution miracle - comme, mettez simplement cela sur chaque moteur sous cette forme et vous l'avez résolu", a déclaré Singleton. "Il y a des problèmes de niche que nous résolvons… Pour le travail hors route que nous effectuons, qui représente une grande partie du travail que nous effectuons, il cible des réglementations particulières qui sont spécifiques aux applications."

Par exemple, un équipementier peut s'adresser à TPS pour avoir besoin de réduire les NOx d'une quantité spécifique afin de respecter les réglementations qui pourraient autrement nécessiter un tout nouveau moteur. "Dans chaque marché, c'est un problème différent", a déclaré Singleton. "Nous essayons de travailler avec les équipementiers pour leur dire : voici le problème que nous pouvons résoudre pour vous, et voici à quoi ressemble notre solution sous cette forme.

TPS fabrique des alimentations dans la gamme 1 kW depuis de nombreuses années. "Nous sommes très expérimentés là-bas, nous pouvons donc les livrer rapidement aux plus petits moteurs", a déclaré Singleton. Pourtant, des fonds importants ont été consacrés aux applications lourdes jusqu'aux navires à moteur diesel.

"Cela revient à une décision commerciale. Le problème des navires est un gros problème, c'est pourquoi beaucoup d'argent a été placé là-bas", a déclaré Singleton. "D'un point de vue pratique, il est plus facile de commencer plus petit. Mais s'il y a un besoin critique qui motive le financement, alors vous pouvez aller grand dès le début."

L'utilisation de la technologie plasma dans les solutions de post-traitement a été évaluée par les équipementiers dans le passé.

"L'idée d'appliquer ce type de plasma pour traiter les émissions n'est pas nouvelle", a reconnu Singleton. "En fait, il a été examiné de très près au début des années 2000 par tous les grands noms auxquels vous vous attendez. Ils ont, à l'époque, opté pour l'approche SCR, et la raison en est que les systèmes plasma n'étaient pas prêts. les alimentations électriques n'étaient pas fiables, elles étaient grosses, elles coûtaient cher."

TPS s'efforce de convaincre les équipementiers de l'envisager à nouveau. "Nous visitons maintenant pour dire : il y a des décennies de science montrant que cela fonctionne. Nous savons que vous l'avez essayé, nous savons que vous l'avez examiné. Ce qui est différent maintenant, c'est que nous avons une alimentation commercialisable pour piloter le plasma", dit Singleton. "La principale chose que je veux leur dire, c'est : jetez un autre coup d'œil, car c'est prêt maintenant."

Et bien que le coût du système puisse toujours être une préoccupation, Singleton a déclaré qu'il doit être mesuré par rapport aux systèmes actuels. "Une grande partie de l'endroit où nous avons investi notre capital-risque était dans la réduction des coûts. De toute évidence, augmenter les volumes est un moyen de réduire les coûts, et cela sera essentiel pour l'adopter plus rapidement. Mais ce que nous avons montré l'année dernière et demi est que nous pouvons nous adapter à la structure de coût de la technologie existante, si vous regardez le SCR, le DOC et le filtre à particules diesel. »

Les avantages fournis sont également proportionnels au coût. "Si vous devez respecter une réglementation qui stipule que vous devez [supprimer] 80 % des particules, c'est un coût", a déclaré Singleton. "Si vous aviez un besoin critique - comme, 'Nous allons perdre tout ce marché si nous ne l'atteignons pas à 90%' - cela augmenterait le coût du système mais vous en tireriez plus d'avantages."

Ensuite, il y a la capacité de pérenniser la technologie ICE existante. Non seulement l'équipement actuel peut être modernisé avec le système TPS, mais il est indépendant du carburant. "Si vous passez du diesel à un carburant à faible teneur en carbone, cela fonctionnera toujours", a déclaré Singleton, ajoutant : "Nous pensons qu'en travaillant avec les équipementiers, nous aurons le système prêt pour la prochaine génération de carburants."

Le système d'allumage à base de plasma est "un peu plus subtil" dans son fonctionnement, a déclaré Singleton. Le système adaptable remplace les bougies d'allumage utilisées dans un moteur à allumage par étincelle conventionnel par des bougies à plasma non résistives qui se connectent à un module d'allumage, qui est à son tour câblé à une alimentation TPS. Cette combinaison produit des rafales de plasma rapides et contrôlées avec précision pour créer une puissance de crête élevée qui permet un fonctionnement stable et à mélange pauvre du moteur avec un allumage à faible énergie.

"Ce que tous les concepteurs de moteurs ont voulu faire, c'est pouvoir utiliser des modes de combustion plus efficaces", a commenté Singleton. Le système d'allumage TPS élargit cette "fenêtre d'inflammabilité", a-t-il déclaré, permettant d'utiliser beaucoup moins de carburant dans le processus d'allumage, tout en obtenant une meilleure efficacité du moteur et une réduction des émissions de CO2 et de NOx. "Si vous mettez beaucoup moins de carburant et que vous brûlez également à une température plus basse, cela réduira les émissions."

Selon TPS, il a été prouvé que le système améliore le rendement énergétique jusqu'à 20 % aux points de faible charge (par exemple, conduite sur autoroute) et de 10 % à 15 % sur un cycle de conduite complet. Des gains d'efficacité ont été démontrés dans une variété de conceptions de moteurs à allumage par étincelle, y compris l'essence, les hybrides et le gaz naturel.

Le système d'allumage à base de plasma offre également des opportunités avec des carburants alternatifs, comme l'hydrogène. Alors que l'hydrogène est très facile à enflammer, le NOx est un problème important car le carburant brûle à haute température, a noté Singleton. "Encore une fois, vous voudriez mettre moins de carburant pour brûler à une température plus basse, ce qui réduira les NOx."

D'autres carburants alternatifs pour les ICE se sont avérés très lents à brûler et difficiles à allumer. "Les moteurs sont devenus beaucoup plus efficaces qu'ils ne l'étaient il y a même 10 ans. Le dernier type de bloc d'efficacité sur la table avant d'atteindre les limites de la physique est lié à l'allumage", a déclaré Singleton.

"L'avenir sera ce genre de mélange éclectique de différents carburants, différents types de solutions, hybrides - toutes ces sortes de choses pour différents marchés. La technologie d'allumage TPS va élargir la fenêtre de fonctionnement de ce concepteur de moteur. Ils peuvent maintenant s'étendre les limites de ce qu'ils pouvaient faire auparavant.

"Nous considérons cela comme faisant essentiellement partie de chaque solution de combustion à l'avenir."

Alors que Singleton voit diverses applications pour la technologie d'allumage, les cibles initiales explorées ont de nouveau été du côté des poids lourds, y compris la production d'électricité et les camions alimentés au gaz naturel.

"Pendant que nous examinons en quelque sorte la technologie à travers tous les canaux, je pense que l'adoption se fera d'abord du côté des poids lourds, puis nous irons dans l'automobile", a-t-il déclaré, notant que des applications telles que la production d'électricité ont tendance à "se déplacer". plus rapide." "D'un point de vue commercial, leurs délais pour mettre un nouveau produit sur le marché sont plus rapides."

Bien que le système puisse s'avérer une solution rapide et immédiate pour les moteurs à allumage par étincelle de faible puissance tels que ceux qui alimentent les équipements de construction légers, Singleton a déclaré : « Le défi ici, encore une fois, est le coût. Ce sont des moteurs vraiment peu coûteux. pourquoi cette dernière année et demie s'est concentrée sur la réduction des coûts afin que nous puissions sauter là-bas."

TPS a beaucoup travaillé avec les équipementiers pour effectuer des tests sur la technologie d'allumage, obtenir des commentaires et identifier à la fois les opportunités et les défis à venir. "Nous avons appris avec eux… quels sont les problèmes qu'ils voient afin que nous ne le développions pas dans le noir", a déclaré Singleton. "Cela a été une façon très positive de développer un produit avec plusieurs partenaires."

Les partenaires OEM continueront de s'avérer essentiels pour franchir les derniers obstacles à la commercialisation des deux produits.

"Du côté de l'allumage, nous sommes très confiants que nous pouvons [stand up] contre la technologie d'allumage existante et avoir une grande fiabilité. La raison immédiate en est que tout est basé sur des dispositifs à semi-conducteurs connus qui ont de très longues durées de vie ", a déclaré Singleton. a dit.

"Du côté des émissions, cela va demander un peu plus de travail au début car vous devez consacrer du temps à ces systèmes de post-traitement pour savoir quels sont les défis qui vont survenir sur le dispositif physique dans le tuyau d'échappement. Nous avons pas de soucis pour l'alimentation électrique, mais ce qui se passe dans le tuyau d'échappement, nous devons explorer. Donc, encore une fois, cela prend juste des tests et un partenaire qui peut mettre... des milliers d'heures sur les moteurs très rapidement.

"D'un point de vue technologique, nous avons éliminé la plupart des obstacles que… les équipementiers ont définis. Donc, vraiment, il s'agit de commercialisation à ce stade. Il s'agit de verrouiller ces accords de commercialisation et de déterminer qui sont les partenaires qui sont va prendre ça sur la ligne d'arrivée avec nous. C'est ce qui vient ensuite pour nous.