トランジェントプラズマ技術は排出削減のための新たな火花を提供します

ベッキー・シュルツ著 2023年1月16日

2000 年代以前に生まれた人にとって、プラズマテクノロジに初めて触れたのは、かつて話題になったプラズマフラットスクリーンテレビだったかもしれません。しかし、プラズマはあなたが思っているよりもはるかに一般的であり（たとえば、コンロのトップから火花が出るなど）、その用途は、発売から10年ちょっとで消えた初期の視覚的な「驚異」よりもはるかに多様で、長く持続します。。

実際、プラズマ技術は内燃機関 (ICE) の脱炭素化に向けた取り組みにおいて長期的に大きな可能性を示しており、二酸化炭素排出量を削減する取り組みに間もなく新たな命を吹き込む可能性があります。カリフォルニア州トーランスに本拠を置く技術開発会社トランジェント・プラズマ・システムズ（TPS）は、「これまでアクセスできなかったプラズマの能力を解放する」ことができる独自のナノ秒パルス電力を利用する、後処理システムと点火システムという2つの商用化可能なソリューションを提供している。

2009 年に設立された TPS は、数十年にわたって「過渡プラズマ」の研究を行ってきた南カリフォルニア大学からスピンオフした企業です。通常、過熱物質によって生成される従来のプラズマとは異なり、低温過渡プラズマは、過熱を防ぐ程度にイオン化プロセスを制御する高電圧の超短（ナノ秒）電気パルスによって生成されます。この「過渡」状態では、プラズマは燃焼や排出制御などの用途に優れた利点をもたらします。

TPS は、この過渡プラズマ技術を市場性のある製品およびシステムに転換するという明確な目的を持って設立されました。ソリッドステートの高電圧スイッチングの進歩により、さらに多くの機会が開かれ、同社はよりコンパクトなパッケージで高出力ソリューションを開発できるようになりました。

TPSの共同創設者兼最高経営責任者（CEO）のダン・シングルトン氏は、「排出削減に潜在的に価値があるとして長い間研究されてきたこの技術が突然、実現可能になった」と語った。

2019 年のベンチャー投資資金の注入により、TPS は製品開発の最後の推進を行うことができました。どちらのソリューションも多くのエンジンプラットフォームで排出ガスと効率を改善することが示されているため、TPS は現在「市場に投入するパートナーを確保している」。

TPS 後処理システムは、プラズマパワーモジュール、反応器、電極を組み合わせたもので、微粒子と NOx 排出物が排気管から排出される前に基本的に「除去」します。

「真っ直ぐな排気管を備えた車両や発電機の後部を想像してみてください。パイプの中央にワイヤーを置き、そこに高電圧のナノ秒パルスを印加し、排気ガス内にプラズマを生成します」とシングルトン氏は説明した。「これが微粒子に及ぼす影響は、その大部分がガス状の炭素に戻されることだと私たちは理解しています。NOx に関して言えば、それは基本的に窒素と酸素に分解されます。」

同社によれば、このプロセスにより後処理の複雑さを軽減しながら、NOx を最大 80%、ディーゼル微粒子を最大 85% 削減できるという。「全体的な商業的利点は、システムがよりシンプルであることです」とシングルトン氏は言う。「現時点では 2 つのシステムが必要です。SCR (選択的触媒還元)、またはディーゼル酸化触媒 (DOC) とディーゼル微粒子フィルター (DPF) の組み合わせが必要です。」

TPS 後処理ソリューションにより、DPF とその再生の必要性がなくなり、さらに検査とメンテナンスが容易になります。また、さまざまなエンジンや機器に合わせてカスタマイズおよび拡張可能で、新製品開発とボルトオン改造ソリューションの両方に利用できます。

多くの企業は当初、新製品開発のアプリケーション範囲の小規模なアプリケーションをターゲットにするかもしれませんが、TPS は大型のオンハイウェイ車両、オフハイウェイ機器、発電、さらには海洋産業などのヘビーデューティアプリケーションに照準を合わせています。

「特効薬はありません。この形式のすべてのエンジンにこれを取り付ければ問題は解決します」とシングルトン氏は述べた。「私たちが解決しようとしているニッチな問題があります…私たちが取り組んでいるオフハイウェイの仕事は、私たちの仕事の多くを占めていますが、それはアプリケーションに特有の特定の規制を対象としています。」

たとえば、OEM は、まったく新しいエンジンが必要になる可能性がある規制を満たすために、特定の量だけ NOx を削減する必要がある TPS を利用する場合があります。シングルトン氏は「市場ごとに問題は異なる」と述べた。「私たちは OEM と協力して、『私たちが解決できる問題はこれであり、私たちのソリューションはこの形でどのようになるか』と伝えようとしています。

TPS は長年にわたって 1 kW 範囲の電源を製造してきました。「私たちはそこでの経験が豊富なので、それらをより小型のエンジンに迅速に提供できます」とシングルトン氏は言いました。しかし、ディーゼル動力の船舶に至るまで、大型用途に多額の資金が投入されてきました。

「それはビジネス上の決断にかかっています。船舶問題は大きな問題です。だからこそ多額の資金がそこに投じられてきたのです」とシングルトン氏は語った。「現実的な観点から見ると、小規模で始めるほうが簡単です。しかし、資金調達を促進する重要なニーズがある場合は、最初から大きくすることができます。」

後処理ソリューションにおけるプラズマ技術の使用は、過去に OEM によって評価されてきました。

「この種のプラズマを排気ガスの処理に応用するという考えは新しいものではない」とシングルトン氏は認めた。「実際、2000 年代初頭には、ご想像のとおりの有名企業がこの技術に非常に厳しく注目していました。当時、彼らは SCR アプローチを採用しましたが、その理由はプラズマシステムの準備が整っていなかったためです。電源は信頼性が低く、大きく、高価でした。」

TPS は OEM に再度検討するよう説得することに取り組んでいます。「我々は今、こう言うためにここを訪れている。『この効果は何十年にもわたって科学で証明されている。私たちはあなたがそれを試したことがあることを知っているし、調べたことがあることを知っている。今までと違うのは、プラズマを駆動するための商用化可能な電源を持っているということだ。』シングルトンは言った。「私が彼らに一番言いたいのは、もう準備ができているからもう一度見てください、ということです。」

また、システムのコストが依然として懸念されるかもしれないが、シングルトン氏は、現在のシステムと比較して評価する必要があると述べた。「私たちがベンチャーキャピタルの資金を投じた大部分は、コスト削減に当てられました。明らかに、より大量の生産を行うことはコスト削減の 1 つの方法であり、それをより早く採用するにはそれが重要になります。しかし、私たちがこの 1 年間に示したことは、そして半分は、SCR、DOC、ディーゼル微粒子フィルターに注目すると、既存の技術のコスト構造内に収まることができるということです。」

提供されるメリットもコストに見合ったものになります。「微粒子の 80% を除去しなければならないという規制を満たす必要がある場合、それは 1 つのコストです」とシングルトン氏は言います。「『90% まで達成できなければ、この市場全体を失うことになる』といった重大なニーズがある場合、システムのコストは増加しますが、そこからより多くの利益が得られます。」

さらに、既存の ICE テクノロジーを将来にわたって保証する機能もあります。現在の機器に TPS システムを後付けできるだけでなく、燃料に依存しません。シングルトン氏は「ディーゼルから低炭素燃料に移行しても、まだ機能するだろう」と述べ、「OEMと協力することで、システムを次世代の燃料に対応できると感じている」と付け加えた。

シングルトン氏によると、プラズマベースの点火システムはその仕組みが「もう少し微妙」だという。この改造可能なシステムは、従来の火花点火エンジンで使用されている点火プラグを、点火モジュールに接続する無抵抗プラズマプラグに置き換え、点火モジュールは TPS 電源に配線されます。この組み合わせにより、高速かつ正確に制御されたプラズマのバーストが生成され、高いピーク出力が生成され、低エネルギー点火によるエンジンの安定したリーンバーン動作が可能になります。

「すべてのエンジン設計者が望んでいたのは、より効率的な燃焼モードを実行できるようにすることでした」とシングルトン氏はコメントした。 TPS点火システムはその「着火範囲」を広げ、点火プロセスで使用する燃料を大幅に削減できると同時に、エンジン効率の向上とCO2とNOxの削減を実現すると同氏は述べた。「はるかに少ない燃料を投入し、より低い温度で燃焼するなら、排出量も減るだろう。」

TPS によると、このシステムは、低負荷点 (高速道路走行など) で燃料効率を 20% も改善し、運転サイクル全体では 10% ～ 15% 改善することが証明されています。効率の向上は、ガソリン、ハイブリッド、天然ガスを含むさまざまな火花点火エンジン設計で実証されています。

プラズマベースの点火システムは、水素などの代替燃料を使用する機会も提供します。水素は非常に発火しやすいが、燃料は高温で燃焼するため、NOx が重大な問題になるとシングルトン氏は指摘する。「繰り返しになりますが、より低い温度で燃焼させるには、投入する燃料を減らしたほうがよいでしょう。そうすれば、NOx が削減されます。」

ICE 用の他の代替燃料は、燃焼が非常に遅く、着火が難しいことが証明されています。「エンジンは10年前と比べてもはるかに効率が良くなっている。物理学の限界に達する前に検討すべき最後の効率のブロックは点火に関係する」とシングルトン氏は語った。

「将来は、さまざまな燃料、さまざまなタイプのソリューション、ハイブリッドなど、さまざまな市場向けにさまざまな種類のものを折衷的に組み合わせることになるでしょう。TPS 点火技術は、エンジン設計者の操作範囲を広げることになるでしょう。それらは現在、拡張可能です」彼らが以前にできることの限界。

「私たちは、これが今後のあらゆる燃焼ソリューションの一部になると考えています。」

シングルトン社は点火技術のさまざまな用途を検討していますが、最初に検討されたターゲットは、やはり発電や天然ガスを動力とするトラックなどの大型用途でした。

「我々はすべてのチャネルを通じて技術を精査しているところだが、採用はまずヘビーデューティー側で、その後自動車分野に進むだろう」と同氏は述べ、発電などの用途は「移動する傾向にある」と指摘した。もっと早く。" 「ビジネスの観点から見ると、新製品を市場に投入するまでのスケジュールがより早くなります。」

このシステムは、軽量建設機械に動力を供給するような低馬力の火花点火エンジンにとっては迅速なドロップインソリューションであることが証明される可能性があるが、シングルトン氏は「課題はやはりコストだ。それらは本当に安価なエンジンだ。なぜこの1年半はコストを下げることに集中して、そこに飛びつくことができるのか。」

TPS は、OEM と幅広く協力して点火技術のテストを実施し、フィードバックを得て、今後の機会と課題の両方を特定してきました。「私たちは彼らと一緒に学びました…彼らが見ている問題は何なのか、だから私たちは闇の中で開発することはありません」とシングルトン氏は語った。「複数のパートナーと製品を開発するための非常に前向きな方法でした。」

OEM パートナーは、両製品の商品化への最終的な障壁を越える上で重要であることが引き続き証明されます。

「点火の面では、既存の点火技術に対抗でき、高い信頼性を持っていると非常に自信を持っています。その直接の理由は、すべて非常に長い寿命を持つ既知のソリッドステートデバイスに基づいているためです。」とシングルトン氏は述べています。言った。

「排出ガスの面では、排気管内の物理的なデバイスにどのような問題が発生するかを知るために後処理システムに時間を費やす必要があるため、最初はもう少し作業が増えるでしょう。電源については心配ありませんが、テールパイプで何が起こっているのかを調査する必要があります。したがって、繰り返しになりますが、それにはテストと、非常に迅速に何千時間もエンジンを稼働させることができるパートナーが必要です。

「テクノロジーの観点から見ると、私たちは OEM が設定したハードルのほとんどをクリアしました。つまり、実際のところ、現時点では商業化が重要です。商業化契約を締結し、誰がパートナーであるかを把握することです。これを私たちと一緒にゴールラインに持ち込むつもりだ。それが私たちの次に来ることだ。」