TECNOLOGÍA. ¿Puede la ignición transitoria por plasma salvar el motor de combustión interna?

  La ignición transitoria del plasma puede aumentar la eficiencia del ICE hasta en un 50 por ciento. Kevin Doncaster / Flickr  ¿Cómo se ve e...

 

La ignición transitoria del plasma puede aumentar la eficiencia del ICE hasta en un 50 por ciento. Kevin Doncaster / Flickr 

¿Cómo se ve el futuro de los automóviles? Resulta que la respuesta varía enormemente de un experto a otro. Algunos dicen que los coches del mañana estarán equipados con  motores de hidrógenoOtros dicen que los próximos años se caracterizarán por la transición lenta y constante del motor de combustión interna a los vehículos eléctricos más tradicionales que están desarrollando Tesla y otros fabricantes. 

Pero sea cual sea el camino que tomemos en la transición de los motores de combustión interna, debe ser largo. Si intentamos hacer la transición demasiado rápido, podría resultar increíblemente destructivo (por decirlo de manera muy suave). 

Afortunadamente, resulta que existe una tecnología emergente que podría llenar el vacío hasta que tengamos un despliegue masivo de vehículos eléctricos y la infraestructura de carga necesaria para alimentarlos a todos. 

La tecnología se llama "ignición transitoria por plasma" y, en teoría, podría aumentar la eficiencia de los motores de combustión interna hasta en un 20 por ciento y reducir el NOx en más del 50 por ciento. No está nada mal. 

De hecho, esta tecnología podría resultar revolucionaria y, de alguna manera, salvar el motor de combustión interna, en opinión de  Transient Plasma Systems (TPS).

¿Qué es el plasma?

La tecnología de encendido por plasma, como la desarrollada por TPS, utiliza plasma de baja temperatura  generada por pulsos eléctricos de nanosegundos, también llamado plasma transitorio,  para impulsar en gran medida el proceso de combustión. El plasma actúa principalmente como una especie de catalizador para la ignición

El plasma, ya sea natural (como en el sol) o plasma atmosférico (cuando el gas se excita por medio de un alto voltaje a presión atmosférica de tal manera que se genera un plasma) es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia que tiene algunos propiedades únicas que lo hacen muy útil para ciertas aplicaciones, como el encendido. 

Un gas ionizado, el plasma es una mezcla de partículas cargadas que se comporta de manera muy diferente al gas estándar. El plasma natural que forma una estrella está extremadamente caliente y en equilibrio térmico. En otras palabras, los electrones y los iones están aproximadamente a la misma temperatura.

Los plasmas artificiales, por otro lado, vienen en una variedad de "sabores" dependiendo de cómo se generen. Un tipo se llama plasma térmico artificial , como los creados por arcos de soldadura.

Otro es el plasma no térmico artificial, que es el tipo de plasma que se encuentra a menudo en entornos industriales. Es este segundo tipo el que se utiliza en aplicaciones como los sistemas transitorios de encendido por plasma.

En este tipo de plasmas, los electrones y los iones no están en equilibrio térmico. Esto es por diseño para que los electrones energéticos o "calientes" puedan lograr algo útil, como romper un enlace químico, mientras se minimiza la energía impartida a los iones "fríos" y especies neutrales.

Debido a que los iones y neutrones representan casi la totalidad de la masa de la corriente de plasma, mantenerlos fríos evita el calor extremo asociado con los plasmas térmicos.

Fuente: GANDALF_GREY / Flickr


En el plasma industrial a presión atmosférica, se proporciona energía al plasma aplicando un voltaje eléctrico que acelera las partículas cargadas. Los electrones son mucho más livianos (tienen mucha menos masa) que los iones, por lo que responden mucho más rápidamente y se mueven a velocidades aproximadamente 100 veces más rápidas que los iones.

Estos electrones obtienen rápidamente suficiente energía para ionizar partículas adicionales, creando más electrones libres para romper enlaces o proporcionar la energía de activación necesaria para las reacciones químicas deseadas. Esto es increíblemente eficiente porque las velocidades de reacción impulsadas por electrones energéticos pueden ser hasta 1000 veces más rápidas que las impulsadas por el calentamiento térmico de los reactivos.

Por lo tanto, los plasmas atmosféricos artificiales no térmicos se pueden utilizar para impulsar reacciones químicas rápidas y eficientes, como en los motores de combustión interna. Dichos plasmas también tienen otras funciones útiles como generación de ozono, limpieza, descontaminación, activación de superficies para mejorar la unión, curado de recubrimientos y deposición funcional de película delgada.

¿Qué es la ignición transitoria del plasma?

Los sistemas de encendido por plasma, como los que está desarrollando Transient Plasma Systems, funcionan liberando un pulso eléctrico de nanosegundos para crear un pulso de plasma de alta potencia y baja energía. El pulso no es caliente pero tiene suficiente energía para encender inmediatamente la mezcla de aire y gasolina en un motor de combustión interna.

Un sistema de plasma transitorio, a diferencia de otros tipos de sistemas de encendido por plasma, es fundamentalmente diferente, porque cada pulso de alto voltaje se aplica durante solo 10-20 nanosegundos.

Fuente: Will Folsom / Flickr

Durante cada pulso de alto voltaje increíblemente rápido, los electrones extremadamente ligeros obtienen rápidamente la energía necesaria para las aplicaciones industriales. Como se explicó anteriormente, esta configuración significa que los iones más masivos no tienen tiempo para absorber energía y están efectivamente estacionarios durante el pulso.

Este tipo de plasma de pulso de nanosegundos se usa para ayudar a impulsar muchas reacciones químicas en diversas aplicaciones industriales y de fabricación, como limpiar superficies antes de pintarlas, activar el caucho para una mejor adhesión o aplicar recubrimientos de película delgada sobre el vidrio. O, en este caso, mejorar el proceso de combustión en un motor de gasolina. 

El plasma liberado, es decir, los electrones libres que contiene, chocan con la mezcla de aire y combustible del pistón. Esto produce especies químicamente reactivas que catalizan el proceso de combustión y, a su vez, mejoran la ignición y estabilizan la combustión pobre.

La distribución espacial del plasma en sistemas como el Transient Plasma Ignition System permite que una sola descarga de serpentina impacte un gran volumen.

En este proceso, más combustible se convierte en energía útil, lo que reduce la cantidad de combustible necesaria para la misma producción y, por extensión, aumenta considerablemente la eficiencia del combustible. 

Estos sistemas se pueden instalar en motores existentes con una pequeña modificación. Por ejemplo, el sistema desarrollado por TPS consta de un módulo electrónico que se alimenta directamente de la batería principal del vehículo. 

Fuente: TPS

El módulo, o fuente de alimentación pulsada, se comunica con la unidad de control del motor (ECU) proporcionando pulsos de encendido según sea necesario. Esta fuente de alimentación de plasma, a su vez, está conectada a un conjunto de bujías estándar que tienen electrodos modificados para proporcionar un rendimiento óptimo.

La tecnología se puede aplicar a la mayoría de "motores de gasolina y gas natural que se encuentran en vehículos de pasajeros, vehículos comerciales y aplicaciones fuera de carretera como equipos de construcción o generadores de energía.  

Además, el sistema de encendido por plasma transitorio TPS amplifica otras mejoras de eficiencia desarrolladas por los fabricantes de equipos originales (OEM) de automóviles. A diferencia de los sistemas de la competencia que implican costosos rediseños del motor y el desplazamiento de la arquitectura actual del motor de combustión, el sistema de encendido TPS funciona en conjunto con los diseños de motores existentes y las técnicas de eficiencia como como recirculación de gases de escape (EGR), inyección directa de gasolina (GDI), turbocompresor y e-boost, mejorando significativamente el ahorro de combustible y la reducción de emisiones a través de una solución simple plug-and-play (es decir, no se necesitan modificaciones en el motor OEM). 

¿Existe alguna limitación para la ignición por plasma? 

Como tantas cosas en la vida, no hay una solución perfecta para ningún problema, solo compromisos. Lo mismo es definitivamente cierto para la ignición por plasma. 

La mayoría de los sistemas de plasma industriales modernos funcionan con altos voltajes oscilantes que van desde unos pocos hercios hasta gigahercios. Cuando se aplica energía en una escala de tiempo que dura más de 100 nanosegundos, los iones más pesados ​​tienen tiempo suficiente para absorber parte de la energía y desempeñar un papel más activo en la descarga.

Cuando los iones y las especies neutrales se calientan, se pueden acumular inestabilidades térmicas en el plasma , lo que constituye un problema potencial. Esto puede dar lugar a la formación de arcos o chispas que pueden hacer que el plasma no sea uniforme y pueda dañar la sustancia objetivo del proceso. Esto sería contraproducente. 

Para evitar esto, la mayoría de los plasmas industriales tienden a ser impulsados ​​por pulsos largos de voltajes estables u oscilantes que deben mantenerse dentro de una ventana muy ajustada y controlada. Este es un buen equilibrio, ya que debe ser capaz de proporcionar al plasma la energía suficiente para impulsar la reacción deseada, pero no demasiada para crear un plasma potencialmente muy inestable. 

El plasma transitorio podría ser la solución provisional necesaria para nuestra transición de los ICE a los vehículos eléctricos. Fuente: Peter Miller / Flickr

Cuando se opera a presión atmosférica, este delicado equilibrio debe controlarse cuidadosamente para evitar la transición a un plasma térmico inestable de mayor temperatura. Esto no es fácil. 

Aquí es donde el plasma transitorio entra en juego. De hecho, permite lograr un equilibrio al reducir el riesgo de inestabilidad térmica, lo que resulta en un plasma mucho más fácilmente manejable y sintonizable.

El plasma transitorio se caracteriza por electrones que rápidamente obtienen energía a partir de pulsos de alto voltaje extremadamente cortos y controlados con precisión. Como tal, los electrones de plasma transitorios realizan las mismas funciones útiles que las de un sistema industrial de plasma a presión atmosférica, pero con ventajas adicionales en términos de eficiencia y versatilidad.

Este uso de pulsos extremadamente cortos, pero intensos, dentro del plasma transitorio permite que los iones y las especies neutras se mantengan consistentemente fríos. Esto se debe principalmente a que no tienen suficiente tiempo para absorber suficiente energía para volverse inestables. 

En virtud de esto, los sistemas de plasma transitorio eliminan los riesgos de formación de arcos eléctricos e inestabilidad térmica, lo que permite un funcionamiento versátil en una amplia gama de amplitudes de pulso, tasas de repetición de pulsos y tasas de flujo de gas. Esto es increíblemente útil y permite que los sistemas de plasma transitorios se puedan utilizar para permitir una variedad más amplia de aplicaciones en comparación con los sistemas de plasma industriales convencionales a presión atmosférica.

Fuente:  sl-f / iStock

También podría ser la clave para permitirnos realizar una transición completa a los vehículos eléctricos.  Sabemos que los vehículos eléctricos están llegando, pero no llegarán de la noche a la mañana, y los motores de combustión interna (ICE) no desaparecerán de la noche a la mañana.

Eso no significa que no podamos abordar la crisis climática en este momento al continuar mejorando los ICE y reduciendo las emisiones. La tecnología Transient Plasma Ignition es la última mejora significativa que se puede hacer a los ICE, que se puede implementar como una solución plug-and-play para los diseños de ICE existentes a un costo mínimo para los OEM.

Además, hasta que los vehículos eléctricos se vuelvan omnipresentes, los vehículos ICE (combustión interna) se seguirán produciendo, vendiendo, utilizando y contaminando durante décadas. Es imperativo que lograr vehículos más limpios y la tecnología TPS definitivamente puede contribuir a ello.

Con respecto a los motores diésel, la tecnología TPS se puede aplicar en el extremo del escape para reducir las emisiones (partículas, NOx, etc.). Los resultados de algunas pruebas iniciales realizadas por TPS bajo una subvención del DOE (Departamento de Energía de EE.UU.) han sido alentadores. Esta solución de remediación de emisiones del diésel aún está en desarrollo ya que el enfoque de TPS se ha centrado en la ignición.

Por ahora, quizás, solo quizás, el plasma transitorio podría resultar ser el recurso provisional necesario antes de que nosotros, como sociedad, podamos completar la transición a vehículos totalmente eléctricos, impulsados ​​por hidrógeno o, quién sabe, incluso si a vehículos  micro-nucleares . 

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