一种用于稀燃发动机的低能脉冲等离子火花塞

今天世界上的道路上大约有10亿辆汽车，几乎所有的汽车都是由内燃机驱动的。事实上，这项有150年历史的技术是大多数交通工具的核心，无论是飞机、火车还是轮船。引擎对…的重要性。嗯，一切，意味着一代又一代真正聪明的人已经奉献了他们的一生-以及数不清的数十亿美元-来让它变得更好。但是，无论内燃机多么接近完美，它总会有一个重大缺陷：它正在扼杀我们的星球。

大多数内燃机燃烧化石燃料，在这个过程中会产生二氧化碳和氮氧化物等温室气体。在美国，尽管有许多政策旨在限制其对环境的影响，但交通运输占温室气体排放的近三分之一。内燃机从根本上来说是一项肮脏的技术，但有很多方法可以让它变得更清洁。它们从火花开始--或者更准确地说，是火花塞。

大卫·豪厄尔是能源部车辆技术办公室主任，他花了很多时间思考如何制造更好的发动机。今年，大约7000万美元-几乎占他办公室年度预算的四分之一-将用于燃烧和燃料研发。豪厄尔说：“我们看到电池电动汽车取得了很大进展，但内燃机将以某种形式存在很长一段时间。”“在提高效率和减少排放方面，我们还有很长的路要走。”

在内燃机中，效率和排放之间有很深的联系。效率更高的发动机使用更少的燃料来完成相同的工作量，而更少的燃料意味着更低的排放。有几种方法可以利用这些效率收益。多年来，车辆技术办公室一直专注于用更环保的生物燃料取代传统汽油。

豪厄尔说：“内燃机可以使用多种燃料，其中一些可以部分可再生。”但要在加油站将汽油赶下台还需要一段时间。这些新的生物燃料不仅要表现得和汽油一样好，而且还要便宜。而且汽油有很大的领先优势。豪厄尔说：“汽油已经存在了一个世纪，在燃烧性能方面已经有了很多优化。”因此，在能源部奇特的新燃料向公众推出之前，其他研究人员正在寻找方法，让普通的旧汽油在今天的发动机中得到更好的使用。

典型的汽车发动机在燃烧室中将空气和气体结合，然后用火花塞点燃混合物。这项具有百年历史的技术位于燃烧室中，安装在气缸盖发动机顶部附近。当活塞向顶腔移动，压缩燃料-空气混合物时，插头会产生短暂的电火花。火花启动了一个分子马什坑，产生热量并产生温室气体，这些气体作为废气从发动机中排出。

减少排放的一种方法是在燃烧过程中将更多的空气与燃料混合，这被称为“稀薄燃烧”。这个想法很简单-用更多的空气稀释燃料-空气混合物-但让它发挥作用却并非如此。内燃机在燃料与空气的比例非常特定的情况下工作得最好。偏离这一比例会很快使发动机的催化转化器-一种后处理系统，旨在将氮氧化物等有害气体转化为更无害的物质-变得无效。在某一点上，空气太多，发动机根本无法点燃燃料-空气混合物。

明尼苏达大学发动机实验室负责人威廉·诺斯罗普(William Northrop)说：“如果你能跑得非常瘦，在发动机效率方面可能会有一些真正的好处。”“很长一段时间以来，汽车制造商一直在努力实现发动机的节约化。但在某种程度上，你会达到可燃性的极限，这就是我们所说的瘦极限。“

石溪大学(Stony Brook University)高级燃烧专家迪米特里斯·阿萨尼斯(Dimitris Assanis)称之为“热力学圣杯”。混合物中的额外空气起到了热沉的作用，吸收了燃烧过程中释放的部分能量。这降低了燃烧温度，这对提高发动机的效率和减少排放至关重要。但是有一个问题。

“你不能用传统的火花塞点燃那些空气稀释的混合物，”瞬态等离子体系统公司的首席执行官兼联合创始人丹·辛格尔顿(Dan Singleton)说。“它们传递能量的速度太慢了。”燃烧室中的额外空气在火花扩散到足以启动燃烧反应之前冷却了来自火花的热量。自2009年以来，Singleton和他在瞬态等离子体系统公司的同事们一直在开发一种点火系统，以解决稀燃发动机的这一挑战。它的工作原理是将兆瓦的能量凝聚成纳秒脉冲的等离子体，这些等离子体是由插头电极周围的空气电离而产生的；这是比闪电速度快数百倍的六个半克拉释放的能量。

瞬变等离子体的点火系统由一个看起来有点像互联网路由器的电源组成。它连接到发动机每个气缸的一系列等离子插头上。电源将汽车电池中的能量储存起来，并通过插头释放出超快的蓝色等离子。这是一种能量更高的脉冲动力系统的低能量、低温版本，如轨道炮和物理学家用来模拟核爆炸的激光。

等离子火花塞与传统火花塞的主要不同之处在于它不会通过传递热量来点燃燃烧反应。事实上，它甚至没有足够的热能来点燃一根火柴。相反，它直接用电子轰击空气分子，将它们分解成更具反应性的元素，如原子氧。这种非热能的快速注入会导致分子在燃料混合物中猛烈碰撞，从而启动燃烧反应。如果说传统的火花塞就像打火机，那么Singleton的等离子火花塞更像是闪电。当谈到稀燃发动机时，速度是最重要的。

威斯康星大学发动机研究中心的负责人贾尔·甘地说：“发动机的基本理念是，你希望所有的东西都能同时燃烧。”“如果你能让燃料在活塞位于顶部、死角的时候燃烧，你就能获得最好的效率。”就效率而言，燃烧事件才是最重要的。“。

使用低能量脉冲动力系统来实现快速燃烧的想法并不完全是新的。辛格尔顿的博士导师马丁·甘德森(Martin Gundersen)领导着南加州大学的脉冲功率研究小组，自20世纪90年代初以来一直在研究这些类型的点火系统。虽然这些早期的脉冲动力点火系统在减少排放方面起到了作用，但它们昂贵、笨重，而且不太可靠。辛格尔顿说：“技术很酷，但还不够。”

当Singleton完成他的博士学位时，一个负担得起的可靠系统所需的技术已经成熟到似乎最终有可能将它们带出实验室的地步。关键的突破是在21世纪初出现的固态高压开关。开关技术的进步现在允许Singleton的脉冲等离子体系统在纳秒内切换兆瓦的功率，并持续数十万次。因此，在2009年，他与甘德森和他在南加州大学的同事安迪·库蒂(Andy Kuthi)和杰森·桑德斯(Jason Sanders)共同创立了瞬态等离子体系统公司，将等离子体点火商业化。

最初，该公司专注于开发一种航空系统。喷气发动机是全球温室气体排放的主要贡献者，但很明显，汽车才是真正的杀手级应用。他认为，如果辛格尔顿和他的团队能够说服汽车公司使用他们的火花塞，就可以极大地减少车辆排放。

加利福尼亚州桑迪亚国家实验室燃烧研究设施的首席研究员艾萨克·埃科托(Isaac Ekoto)表示：“如果你想知道今天发动机研究人员在看什么，看看航空航天研究人员昨天在看什么是有用的。”“这就是这项技术的很多来源。”

Ekoto和他的同事Magnus Sjöberg领导着该设施的一些汽油燃烧实验室，2014年，他们主持了瞬态等离子体系统公司对其汽车发动机等离子插头的首次重大测试。Sjöberg和Ekoto的实验室配备了定制的单缸发动机，旨在允许研究人员在点火过程中使用高速摄像机和激光测量燃烧动力学来窥视燃烧室内部。

内燃机的效率在很大程度上取决于它的使用方式。例如，发动机在低速和低功率时往往效率最低，这是在城市中驾车时可能会遇到的情况。因此，Sjöberg和瞬态等离子团队在一系列与不同场景松散相关的操作模式下测试了发动机的点火系统，比如在高速公路上驾驶。在桑迪亚的测试中，瞬态等离子体系统的插头表明，相对于采用传统火花插头的商用内燃机的性能，它在这些驾驶模式下可以提供高达20%的燃油效率提高。

辛格尔顿说，桑迪亚测试的结果很快就引起了汽车业的注意。在过去的几年里，瞬态等离子体系统公司一直在与几家未披露的汽车制造商合作，用这些公司的发动机测试该系统。他说，他乐观地认为，第一批使用该系统的汽车可能在未来五年内上路。

但精益发动机可能不一定需要等离子点火系统才能启动，瞬态等离子体系统公司并不是唯一家致力于解决这一问题的公司。来自石溪的燃烧专家阿萨尼斯说：“每个人都在努力延长点火极限，让更稀薄的混合物点燃。”例如，普渡大学(Purdue University)的研究人员正在探索一种发动机架构，这种架构使用具有传统空燃比的“预燃室”来启动燃烧反应，然后燃烧反应进入装满空气稀释燃料的主燃烧室。像马自达这样的公司正在追求完全不需要火花塞的发动机。取而代之的是，发动机压缩稀薄的燃料，直到它自发燃烧。

就环境而言，稀燃燃烧到底是如何实现的，最终没有规模化实现时那么重要。不管你喜不喜欢，内燃机至少在接下来的几十年里都会存在。如果有希望遏制气候变化，我们需要一台能让燃料走得更远的引擎。

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