汽车的未来是什么样的?事实证明，答案因专家而异。有人说，明天的汽车将配备氢发动机。其他人表示，未来几年的特点是从内燃机缓慢而稳定地过渡到特斯拉和其他公司正在开发的更传统的电动汽车。
但是，无论我们从内燃机过渡到什么道路，都需要很长的一段路。如果我们尝试过快地过渡，它可能会被证明具有难以置信的破坏性(说得委婉一点)。
幸运的是，事实证明，有一种新兴技术可以填补这一空白，直到我们大规模推出电动汽车和为它们供电所需的充电基础设施。
这项技术被称为“瞬态等离子点火”，理论上它可以将内燃机的效率提高 20%，并将氮氧化物减少 50% 以上。不是太寒酸。
事实上，这项技术可以证明是革命性的，并且在某些方面可以拯救内燃机。我们聘请了Transient Plasma Systems (TPS) 的创始人兼首席执行官 Dan Singleton来帮助解释。
什么是等离子体?
与 TPS 开发的等离子体点火技术一样，它利用由纳秒电脉冲产生的低温等离子体(也称为瞬态等离子体)来极大地促进燃烧过程。等离子体主要充当一种点火催化剂。
等离子体，无论是自然的(如在太阳中)还是大气等离子体(当气体在大气压下通过高压以产生等离子体的方式被激发时)是物质的四种基本状态之一，具有一些非常使其对某些应用(如点火)非常有用的独特特性。
等离子体是一种电离气体，是一种带电粒子的混合物，其行为与标准气体大不相同。构成恒星的自然等离子体非常热且处于热平衡状态。换句话说，电子和离子处于大致相同的温度。
另一方面，人造等离子体根据其产生方式有多种“风味”。一种称为人工热等离子体，如由焊接电弧产生的等离子体。
另一种是人工非热等离子体，这是工业环境中常见的等离子体类型。正是第二种用于瞬态等离子点火系统等应用。
在这些类型的等离子体中，电子和离子不处于热平衡状态。这是设计使高能或“热”电子可以完成一些有用的事情，例如破坏化学键，同时最小化传递给“冷”离子和中性物质的能量。
由于离子和中子几乎占等离子体流的全部质量，因此保持它们冷却可以避免与热等离子体相关的极端热量。
在大气压工业等离子体中，通过施加加速带电粒子的电压为等离子体提供能量。电子比离子轻得多(质量少得多)，因此它们的响应速度要快得多，并且以大约比离子快 100 倍的速度快速移动。
这些电子迅速获得足够的能量来电离额外的粒子，产生更多的自由电子来破坏键或提供所需化学反应所需的活化能。这是非常有效的，因为高能电子驱动的反应速率比加热反应物驱动的反应速率快 1,000 倍。
因此，人造非热大气等离子体可用于驱动高效、快速的化学反应——就像在内燃机中一样。此类等离子体还具有其他有用的功能，例如臭氧生成、清洁、去污、表面活化以改善粘合、涂层固化和功能性薄膜沉积。
但是，稍后会详细介绍。
什么是瞬态等离子点火?
等离子点火系统，如 Transient Plasma Systems 开发的系统，通过释放纳秒电脉冲来产生高功率、低能量的等离子脉冲。脉冲并不热，但有足够的能量立即点燃内燃机中的汽油-空气混合物。
与其他类型的等离子点火系统相比，瞬态等离子系统有着根本的不同，因为每个高压脉冲只施加 10-20 纳秒。
在每个令人难以置信的快速高压脉冲期间，极轻的电子会迅速获得工业应用所需的能量。如前所述，这种设置意味着更大质量的离子没有时间吸收能量，它们在脉冲期间实际上是静止的。
这种类型的纳秒脉冲等离子体用于帮助推动各种工业和制造应用中的许多化学反应，例如在涂漆前清洁表面、活化橡胶以获得更好的附着力，或在玻璃上施加薄膜涂层。或者，在这种情况下，改进汽油发动机的燃烧过程。
释放的等离子体，即其中的自由电子，与活塞中的空气燃料混合物发生碰撞。这会产生催化燃烧过程的化学活性物质，进而增强点火并稳定稀薄燃烧。
瞬态等离子体点火系统等系统中等离子体的空间分布使单个流注放电能够影响大体积。
“TPS 瞬态等离子体点火系统使用纳秒电脉冲产生等离子体，以比传统火花更快的速度产生瞬时高功率。这种高功率但低能量的脉冲产生不会点燃火柴的低温等离子体，但可以有效且立即地点燃稀释的空气燃料混合物，”丹·辛格尔顿向“有趣的工程”解释道。
在这个过程中，更多的燃料实际上转化为有用的能量，减少了相同输出所需的燃料量，进而大大提高了燃料效率。
正如 Singleton 解释的那样，瞬态等离子体提供“更快的燃烧、更高压缩比下的稳定点火以及改进的燃烧正时。结果是一种点火解决方案，允许发动机使用高度稀释的燃烧模式(用 EGR 稀释或用空气稀释)，这提高燃料效率并减少温室气体排放。传统的点火系统难以点燃稀释的空气燃料混合物”。
此类系统只需稍作修改即可安装在现有发动机中。例如，TPS 开发的系统由一个直接由车辆主电池供电的电子模块组成。
“我们的纳秒脉冲等离子点火系统与发动机设计和原始设备制造商 (OEM) 部署的其他效率改进技术协同工作，增加了这些解决方案的环保优势，”Singleton 补充道。
该模块或脉冲电源与发动机控制单元 (ECU) 通信，根据需要提供点火脉冲。反过来，该等离子电源连接到一组标准火花塞，这些火花塞具有改进的电极以提供最佳性能。
辛格尔顿告诉我们，该技术可应用于大多数“乘用车、商用车和非公路应用(如建筑设备或发电机)中的汽油和天然气燃料发动机”。
但它会变得更好。
“此外，TPS 瞬态等离子点火系统放大了汽车原始设备制造商开发的其他效率改进。与涉及昂贵的发动机重新设计和当前内燃机架构置换的竞争系统不同，TPS 点火系统与现有发动机设计和效率技术协同工作，例如作为废气再循环 (EGR)、汽油直喷 (GDI)、涡轮增压和电子增压，通过简单的即插即用解决方案(即无需修改 OEM 发动机)显着提高燃油经济性和减少排放，”辛格尔顿补充道。
一切都非常令人兴奋，但我们还得再等一会儿，你才能拿到手。
“TPS 技术正在接受运输行业的一些参与者的评估。最早的潜在发布日期是 2023 年中期，”辛格尔顿希望。
等离子点火有任何限制吗?
就像生活中的许多事情一样，任何问题都没有完美的解决方案，只有妥协。等离子点火也是如此。
大多数现代工业等离子系统都是由几赫兹到千兆赫兹的振荡高压驱动的。当以超过 100 纳秒的时间尺度施加能量时，较重的离子有足够的时间来吸收部分能量并在放电中发挥更积极的作用。
当离子和中性物质被加热时，等离子体中会产生热不稳定性——这是一个潜在的问题。当等离子体从均匀的辉光变为等离子体球中更混乱的闪电集合时，您可以看到这一点。
这会导致电弧或火花的形成，从而使等离子体不均匀并可能损坏工艺的目标物质。至少可以说，这会适得其反。
为避免这种情况，大多数工业等离子体往往由稳定或振荡电压的长脉冲驱动，这些脉冲必须保持在一个非常紧密和受控的窗口内。这是一个很好的平衡，因为它必须能够为等离子体提供足够的能量来驱动所需的反应，但不能太多以产生潜在的非常不稳定的等离子体，如上所述。
在大气压下操作时，必须小心控制这种微妙的平衡，以避免过渡到更高温度、不稳定的热等离子体。这并不容易。
这就是瞬态等离子体发挥作用的地方。实际上，它设法通过降低热不稳定性的风险来达到平衡，从而产生更易于管理和可调的等离子体。
瞬态等离子体的特点是电子从极短且精确控制的高压脉冲中快速获得能量。因此，瞬态等离子体电子执行与工业大气压等离子体系统相同的有用功能，但在效率和多功能性方面具有额外的优势。
这种在瞬态等离子体中使用极短而强烈的脉冲使离子和中性物质能够始终保持凉爽。这主要是因为他们没有足够的时间吸收足够的能量而变得不稳定。
凭借这一点，瞬态等离子系统消除了电弧和热不稳定性的风险，实现了在广泛的脉冲幅度、脉冲重复率和气体流速范围内的通用操作。这非常有用，与传统的工业大气压等离子系统相比，瞬态等离子系统可用于实现更广泛的应用。
非常棒。
它也可能是让我们完全过渡到电动汽车的关键。
“我们知道电动汽车即将到来，但它们不会在一夜之间到达，内燃机 (ICE) 不会在一夜之间消失，”辛格尔顿告诉 IE。
“然而，这并不意味着我们现在不能通过继续改进 ICE 和减少排放来解决气候危机。我们相信瞬态等离子点火技术是可以对 ICE 进行的最后一项重大改进，它可以作为以最低的成本为 OEM 提供适用于现有 ICE 设计的即插即用解决方案，”他补充道。
“此外，在电动汽车变得无处不在之前，ICE 车辆将继续生产、销售、使用并会污染数十年。我们必须使这些车辆更清洁，而 TPS 技术绝对可以帮助解决这一问题，”辛格尔顿解释说。
一切都非常有趣，但它是如何运作的呢?
等离子点火是如何工作的?
由于该系统主要是为内燃机设计的，因此可能值得花一些时间简要介绍一下现有内燃机中如何产生点火。
就其核心而言，内燃机依靠燃料和空气混合物燃烧的化学过程来释放能量。然后将这种能量用于提供某种机械功，例如转动轴。
为此，典型的发动机由固定气缸和移动活塞组成。膨胀的燃烧气体推动活塞，从而使曲轴旋转。最终，通过动力系统中的齿轮系统，这种运动会驱动车辆的车轮。
目前，使用的发动机最常见的两种形式是火花点火式汽油发动机和压燃式柴油发动机，但后者显然已在世界许多国家逐步淘汰。在大多数情况下，这些发动机被称为四冲程，这意味着完成一个循环需要四个活塞冲程。
一个“循环”包括四个主要过程：进气、压缩、燃烧和做功冲程以及排气。
两种类型的发动机之间的主要区别在于燃料(和空气)在发动机中的供应和点燃方式。在火花点火式汽油发动机中，燃料与空气混合，然后在发动机循环的“进气”阶段被引入气缸。
然后该混合物被来自火花塞的电火花压缩并点燃。燃烧气体的膨胀在做功冲程期间推动活塞，其余的都是历史。
对于柴油发动机，只有空气被吸入发动机并被进一步压缩。然后，柴油发动机以合适的、可测量的速率将燃料雾喷入热压缩空气中，使其点燃。
对于汽油发动机，由于在发动机多次循环后碳在暴露的电极上积聚，该过程会导致火花塞随时间退化。最终，构建会变得如此糟糕，以至于每 30,000 英里左右就需要更换或翻新插头。
与安装在大多数内燃机中的传统火花塞不同，等离子点火系统随着时间的推移变得更加高效。
通过用等离子点火装置替换塞子，这种方式的积碳大大减少。不仅如此，排放量，尤其是潜在有害的氮氧化物排放量，可以减少多达 50%。
与更传统的点火系统相比，瞬态等离子点火还具有其他非常重要的优势。
例如，TPS 点火启用，提高发动机效率的属性，例如
更高的压缩比
提高比热比
更快的燃烧
改进的燃烧时间
增加抗震性
减少传热损失
减少泵送损失
