Depuis maintenant une dizaine d’années, l’entreprise américaine Transient Plasma Systems Inc. (TPS) développe des systèmes d’allumage de moteurs par plasma pulsé, avec pour objectifs d’améliorer leur rendement énergétique et de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre et de NOx. Récemment, cette technique d’allumage a franchi une nouvelle étape dans ses essais sur les moteurs multicylindres à combustion interne avec sa première démonstration sur un moteur fonctionnant au gaz naturel fabriqué en série pour la route.
Les batteries de tests ont été conduites à l’Argonne National Laboratory, un laboratoire de recherche dépendant du ministère américain de l’Énergie, grâce à une subvention de la Commission Californienne de l’Energie (CEC) et avec les soutiens de SoCalGas et Cummins Westport. Les essais ont démontré le fonctionnement stable du système d’allumage par plasma pulsé dans des conditions routières, y compris la réduction des émissions de CO et de NOx et l’extension de la tolérance de dilution de la recirculation des gaz d’échappement.
L’approche de Transient Plasma Systems est basée sur des impulsions de l’ordre de la nanoseconde, ce qui la démarque fortement des autres systèmes d’allumage au plasma. Ce système d’allumage produit, sur une nanoseconde, une impulsion de forte puissance de crête (supérieur à 5 MW) et de faible énergie (inférieur à 100 mJ). Lors d’un tel allumage, les électrons entrent en collision avec le mélange air-carburant, produisant des espèces chimiquement réactives qui catalysent le processus de combustion. Ainsi, une seule décharge en flux continu va avoir un impact sur un grand volume.
Cela permet de stabiliser la combustion à mélange pauvre (ratio air/combustible élevé) du carburant dans le moteur en condition de routes, ce qui est un enjeu majeur. En effet, un mélange pauvre, contenant moins de carburant pour un même volume d’air qu’habituellement, va souffrir de ce que l’on appelle une instabilité de flamme, une difficulté d’allumage du mélange air-combustible. En permettant la stabilité de la combustion diluée (ou à mélange pauvre), moins de combustible est nécessaire à l’explosion d’un même volume d’air. Ce mélange pauvre amène une combustion complète du carburant permettant ainsi de diminuer la quantité de combustible utilisé à chaque explosion dans le moteur (jusqu’à 20 % en moins pour le gaz), mais également de réduire les émissions de NOx et de gaz à effet de serre qui seraient causées par les gaz imbrulés.
Outre cela, contrairement aux systèmes concurrents, le système d’allumage à plasma transitoire de Transient Plasma Systems n’implique pas de modifications coûteuses de la conception et/ou de l’architecture des moteurs. En effet, celui-ci fonctionne en parallèle des conceptions et autres dispositifs visant à améliorer l’efficacité énergétique des moteurs tels que la recirculation des gaz d’échappement, l’injection directe d’essence, la turbo compression et le e-boost, améliorant considérablement les performances des moteurs au travers d’une solution simple. Cette innovation pourrait impacter très fortement le marché de la mobilité gaz. En effet, pour les constructeurs de moteurs et d’automobiles, ces systèmes d’allumages à plasma pulsé seraient un nouvel outil rentable permettant des combustions fortement diluées (correspondant à un ratio air/combustible élevé). Les systèmes d’allumages TPS présentent donc des avantages économiques et écologiques permettant d’améliorer l’efficacité énergétique des véhicules tout en se conformant aux réglementations de plus en plus exigeantes sur les émissions de NOx et de gaz à effet de serre. Tous ces résultats les ont amenés à se trouver parmi les finalistes des « Business Green Technology Awards » et dans le magazine Forbes en février 2020.
Pour aller plus loin : Transient Plasma Systems successfully completes multi-cylinder engine testing with nanosecond pulsed plasma ignition technology – Green Car Congress