CryoPower承诺提升柴油机效率

重新定义了燃烧，这可能是对里卡多颠覆传统重型发动机概念的最佳描述。CryoPower承诺将显著提升长途卡车的燃料效率，而对应的二氧化碳排放量却会降低30%，燃料成本降低20%，同时实现低排放。它还为重型运输车辆使用可再生电能提供了低成本方案。

Anthony Smith在与Dolphin N2团队沟通时了解到，Dolphin N2 是里卡多最新创立的一家子公司，主要负责对革命性 CryoPower 发动机进行商业开发。

穿梭在北美州际间、德国高速公路、日本高速公路或各大洲无数公路上的重型卡车和半拖车承载着现代工业经济的命脉。这些车无处不在，将货物运往各处。如果没有了它们，我们的原材料、燃料、食品和商品的交易都会停止。

因此，重型车辆消耗了大量的燃料，同时也是二氧化碳的主要排放来源。据欧洲委员会估计，重型车辆排放的二氧化碳约占道路运输全部二氧化碳排放量的四分之一，温室气体排放量约占欧盟总排放量的5%，这些指标均超过国际航空或航运业的排放水平。所以，欧盟现在正在效仿日本、美国、加拿大和中国，控制重型车辆的二氧化碳排放量。

但正如里卡多的首席技术和创新官Neville Jackson教授所言，虽然电动和混合动力系统降低了客车和轻型商业车辆的碳排放量，但减少重型货车的二氧化碳排放量仍然任重而道远。他说：“长途重型卡车面临的挑战是，高容量电池系统需要的成本、质量和布置制约着动力系统电气化解决方案的效率，而这种解决方案已被我们成功应用于其他细分市场，能够有效降低二氧化碳排放量。运输业现在非常注重运营效率和资本成本，只要方案对有效负载或范围产生限制，就很难实施，也很难让运营商接受。”

因此，虽然电动解决方案对轻型运输车辆和港口综合体和集散中心等短途运输应用而言非常有效，但重型长途卡车的动力装置基本上都会采用传统的四冲程柴油机。所以迫切需要大幅提升柴油机的效能，而CryoPower便是不二之选。

提升柴油机能效的收益递减法则

为应对日益严格的监管制度，满足运营商对更低运营成本的要求，商业车辆制造商投入大量资源，以期节约燃料，降低二氧化碳排放量。关于车辆自身的改进已进行了大量的研究，例如空气动力、车辆质量和减小滚动阻力，所以最终改进的方向还是回到了动力系统。

Jackson认为：“使用现代柴油机的基础热动力循环，很难将热效率提高50%以上，因为燃料约一半的化学能都消耗在废气和内部热损耗上。在改进基本发动机的同时，很多制造商希望利用增配式系统回收废气中的部分高品质热能。有些能量回收系统效果不错，但相较于所增加的复杂性，它们的优势并不明显。”

传统卡车引擎使用的外部增配式废热回收技术包括有机朗肯循环单元、热电发电机组和复合涡轮系统。但Jackson认为，传统柴油机存在热效率限值，“即使将当今已知的所有改进方法和技术都应用在目前最先进的卡车柴油机动力系统，柴油机仍然无法突破有效的燃料效率限值，如果突破这一限值，不仅成本高昂，而且不切实际。虽然废热的温度可能达到600-700摄氏度，可以加以利用，但就热回收系统的基本热力学方程而言，废热温差不够大，无法从根本上提高能效。”



CryoPower总览

里卡多重新定义内燃机

相比不断改进现有技术的其它方法而言，里卡多 CryoPower 分体式发动机概念重新定义了内燃机的往复循环，使燃烧效率明显高于当前最先进发动机。CryoPower 概念不依赖辅助废热回收装置，它的目标是将废热回收至发动机的实际工作循环中。

Jackson 解释说：“我们利用CryoPower 将循环燃气轮机最佳的优势（后压缩机气体在燃烧前接收废热）与往复内燃机的最佳特性相结合。”“除技术方法外，CryoPower 技术能否取得成功，成本也至关重要。相对于使用昂贵的材料和燃气轮机制造所需要的复杂工艺，Cryopower技术采用了传统的往复发动机结构和材料。”

CryoPower将传统的四冲程卡车发动机工作过程放在不同的气缸中完成，一个用来吸气和压缩，另一个用来燃烧和排气。这种方式可以将废热在压缩工作结束后回收到工作气体中。这样可以在吸气、压缩气缸实现米勒循环，而在燃烧、排气气缸实现最高的燃烧效率。



CryoPower与传统柴油燃烧比较

分体式发动机构架并非创新产品，但CryoPower 最大的效果在于将此方法用于回收废热。压缩过程在准等温条件下完成，大大降低了从压缩到喷出少量液氮时产生的温升。液氮充当冷却剂和额外能量流，喷出的液氮可增加流过发动机的工质。然后，与回热式燃气轮机一样，该高压缩冷却液氮，流经热交换器。能量在这里从高温废气转移到液氮中，大大提高了发动机内部的热回收效率；如果得不到回收，这部分能量将以废气形式排放到大气中。

在燃烧缸入口处，液氮进入高度压缩的加热状态。燃料喷射完成后立即进行高效混合，虽然质量流量在当前发动机中较为典型，但Cryopower流量小，因而可以使泵气损失最小化。

燃烧过程的特性，决定了它应该可以适用于各种可再生或传统液体或气体燃料。但这种新工艺最重要的优势是可以通过提高内部热效率，节约燃料，减少二氧化碳等温室气体排放量；通过其他方式则无法实现这些优势。此外，CryoPower 凭借其高度混合的低温燃烧过程，在不影响效率的情况下大大减少了发动机颗粒排放和氮氧化物的排放量。



Dolphin N2：为CryoPower做好入市准备

CryoPower发动机概念一直是近十年来里卡多和布莱顿大学等合作伙伴的研发课题。在此期间，双方系统地研究了多种重要的使能技术，降低了继续开发的风险。

虽然证明方法和最终的工业化现在非常清晰，风险也不高【并且降低重型运输碳强度的要求很明确】，但所需的资源水平却超出里卡多内部研发的承受能力。为此，里卡多决定专门成立一个技术公司。

Dolphin N2 Ltd是一家独立于里卡多的新公司，专门负责开发CryoPower技术。该公司将拥有现有CryoPower知识产权资产和合同，还将接受里卡多的现金投资；在 2018 年初成功完成首轮投资后，里卡多将拥有该公司的少数股权。

首席执行官Simon Brewster负责管理Dolphin N2，他已在里卡多的重型发动机开发领域从业多年。他说：“CryoPower 是一项极具变革性的商业环保技术，市场前景非常广阔。”“传统重型发动机在燃料效率和二氧化碳排放量方面的可改进空间越来越小；要想超越当前的发展水平，必须采用全新的方法。CryoPower 恰好能够满足这一需求，可以在提高燃料效率的同时降低燃料成本；我们对重要使能技术开展的研发工作显著降低了开发风险。”

欧洲汽车制造商协会 ACEA 表示，对于 40 吨牵引车-半拖车组合而言，燃料是最大的运营成本：高达操作员工资以及维修和维护费用的30%。在成本驱动型市场中，利润非常低，所以降低燃料成本无疑会大受重型车辆运营商欢迎。

通过迄今持续不断的研发，CryoPower已经用事实证明，能够将运行燃料成本降低 20%，将燃料用量降低 30%（与目前的重型发动机相比）；这些预测是在考虑 CryoPower 燃油成本以及液氮经济和能源成本的基础上做出的。如Brewster所言，这会大大减少运营开支。

Brewster说：“我们预计，搭载CryoPower的每台重型卡车每年可为运营商节省大约 9000 英镑（12,500 美元）。”“此外，如果将此技术应用到静态分布式发电系统中（极易受燃料成本影响的另一个市场），每兆瓦装机容量可节省180,000英镑（250,000 英镑）。”



示范阶段

Dolphin N2正在为后续的两个开发阶段寻找投资人。第一个开发阶段将推出首台采用CryoPower技术制造而成的全尺寸发动机样机。该样机很有可能采用内联六缸发动机，包括两个压缩缸和四个动力缸。此机器尤其适用于重型卡车，因为车载包装将与很多现有产品非常相似。虽然发动机只有四个动力缸，但动力缸在“二冲程”模式下运转时（每转一圈产生一次电脉冲），曲轴每转动90度就会点火一次。这种方式有助于实现人们希望传统 V8发动机具备的无障碍动力输送性能。

Brewster说：“我们估计，每升活塞总排量可产生30至40千瓦功率，这些功率会转化到尺寸基本相当的发动机内（与传统发动机相比）。但燃料消耗量将降低30%，运行成本将减少20%。”

它与现在先进的发动机存在着本质上的区别，但目前的发动机制造工厂就可以对其进行生产制造。”

除最初的示范阶段外，Dolphin N2设想了第二个集资环节，计划将此技术引入前工业化开发和商业试点应用中。这些可能意味着，未来十年有望生产出使用液氮以及更加传统的液体化石燃料、生物燃料或天然气的首批超节能卡车。



*包括燃料成本、液氮和电力系统硬件；蓄电池车辆假定在车辆寿命期间更换一个蓄电池。



* 平均小规模可再生能源(光伏£80/兆瓦时和陆上风电£126/兆瓦时) +储能(供电侧设置的锂离子电池£193/兆瓦时)

构建液氮供应链



制定CryoPower概念时，里卡多努力确保车辆运转所需的液氮量与为车辆提供动力的燃料消耗量基本相同，使液氮罐的大小适用于常见的大型卡车，包括非常具有挑战性的欧洲正向控制牵引车。

CryoPower卡车的实用性和液氮的成本如何？里卡多首席技术和创新官NevilleJackson教授解释说：“液氮在工业气体行业很常见，通过空气分离设备直接从空气的液态氧中分离出来或以副产品的形式产生。”“液氮还广泛应用在餐饮行业，充当冷藏车的冷却剂，所以其储藏和车载罐体补充（续加）技术已经很成熟，成本相对较低。”

氮气已经被广泛使用，由于需求量不是很大，有大量在生产氮的过程中以副产品的形式排放到大气中；2013 年，根据低碳未来中心发布的报告，仅英国每天就有约8500吨氮作为废气排放到大气中。此外，将来当液氮的需求量超过现在的消耗量时，CryoPower发动机就不会对纯度要求过高，所以专门供应的成本可能会低于当前的生产成本。

在重型运输业使用可再生能源的途径

在商业效率方面，空气分离厂在以能够最大化利用“错峰时段”低费率供应的方式运营，例如业务电网负荷较低时。随着风能等间歇性可再生资源供电量的增加，这一点尤其重要。

正如Jackson所言，液氮供应链不断扩大，这为错峰时段和可再生能源提供了便捷的吸收和存储方式。他说：“将来CryoPower卡车发动机使用通过这种方式产生的液氮作为能量矢量，显然为长途重型道路运输提供了最有效的可再生能源利用方式。”

CryoPower发动机的基本优势：

减少工作量意味着提高效率：吸入的空气在压缩过程中经液氮冷却，由于特定的压缩压力消失，压缩工作减少，因而降低了损耗。

真正的米勒循环工作：为达到理想的效率，内燃机需要减少压缩工作，增加膨胀工作，传统发动机很难实现这一点。CryoPower概念采用尺寸比膨胀缸小的压缩缸（或压缩缸数量减少），对膨胀工作进行充分利用。

高效内热回收：废热通过冷却压缩流程从燃烧结束时循环的高温部分转移到压缩结束时和下一个冲程的燃料喷射前。

摩擦小和泵送损失低：气体在高压下在两个气缸之间转移，因此质量流量较高，体积流量较低。这意味着仅需使用一个小阀门即可，因为实际发生移动的气体量很小。