图为CyroPower六缸发动机技术，包括两个压缩气缸和四个提供动力的膨胀气缸。
随着交通运输业开始进入新型动力来源的时代，消费者在动力系统方面也有了更多新的选择。目前，这个过去曾由汽油火花点火和柴油压燃发动机主导的行业，开始涌现了一系列丰富的新型动力系统，包括电力、天然气、氢燃料电池及生物能源动力系统等。然而，由于重型长途卡车对行驶里程和负载的要求较高，因此这些 新兴动力系统可能并非都适合重型长途卡车。
全球工程和环境咨询公司里卡多 (Ricardo) 开发了一种名为 CryoPower 的新型发动机概念。这家公司认为，CryoPower新型概念发动机可以显著降低当前柴油动力系统的排放水平和燃料成本。目前，这款发动机经过 10 年潜心研发，现已做好准备进入完整系统演示和后续试点应用验证环节。为了更好地进入下一阶段，里卡多公司已经将 CryoPower 技术及相关资产从公司剥离，并成立一家独立的公司，名为 Dolphin N2 Ltd。
为了降低排放和燃耗水平，CryoPower 发动机结合使用了两种独特的燃烧技术，分别为液氮和分式燃烧。里卡多公司声称，这种发动机的二氧化碳排放和运营燃料成本将分别下降 30% 和 20%，长途运输卡车和固定式发电机组将成为这些新技术的首批受益者。
“我们的目标是重型发动机市场，”里卡多公司首席技术和创新官 Neville Jackson 告诉《卡车和非公路工程》杂志，“挑选大型发动机的关键在于完整生命周期内的总成本。我们的优势在于可以降低燃料成本，而燃料成本在车辆全生命周期的总成本中占据了相当大的比例，这使得我们的解决方案非常具有吸引力。”
未来，CryoPower技术下一步可能用于恒定动力设备和火车发动机等。然而，公司也意识到并非所有市场都可以用到 CryoPower 替代解决方案。“对于轻型负载或短途的车辆应用来说，电气化的确可以提供一些非常强大的好处，” Jackson 表示，“然而，当您的负载或续航里程增加到一定程度时，比如 500 或 1000 英里以上时，电池的能量密度就无法满足这种水平的需求了。”
液氮和分式燃烧过程
CryoPower 的燃烧过程开始与大多数发动机没什么不同，但随后很快出现差别。空气在进气冲程中进入气缸。液氮则在进气门关闭后，在燃烧冲程中注入气缸。随后，随着压力不断升高，这些液氮汽化蒸发，并对流入的空气进行冷却。在 TDC（上止点）附近，排气阀开启，缸内的高压空气将释放至热交换器中。
一旦进入热交换器，这部分气体将经过排气加热。随后，进气混合物将在上止点附近的短曲柄释放进入第二气缸内。然后，燃料将注入这种高压和高温环境，实现点火和膨胀，无需传统发动机的混合和翻转过程。在动力冲程后，燃烧气体将通过排气阀从膨胀气缸释放，并通过热交换器返回。这种设计使用或不使用 EGR（排气再循环）系统均可。
“我们的发动机效率更高，这并非是因为分式循环技术本身，而是分式循环可以让我们拥有更大的技术应用空间。”Jackson 解释说，“我们的主要创新分为三大方面：首先，当我们在压缩气缸中压缩气体或冷却气体时，这种发动机的压缩功要比相同压缩压力水平的传统发动机少 15％ 到 20％；其次，我们会回收废气热量，并将其输送至一些循环的高温部分，比如回热气体涡轮机等；最后，我们为发动机设计了两个扫气量不同的气缸，也就是说，我们压缩气缸的扫气量低于膨胀气缸，因此可以实现真正的米勒循环。”
该系统仅需要增加少量组件，包括液氮储罐、喷射器及压缩和膨胀气缸之间的热交换器，也就是里卡多公司口中的“回热器”。CryoPower 发动机的应用示意图展示了这款发动机的六缸配置，包括 2 个压缩气缸和 4 个膨胀气缸。在这种设计下，由于膨胀气缸的工作周期为 2 个冲程，因此曲柄每转动一圈可实现 4 个动力冲程。
十年研发成果
过去 10 年中，里卡多公司一直在进行 CryoPower 技术的相关研发，主要集中在将动力总成整合到一个完整系统前，对各个部分进行独立优化。目前，经过里卡多的测试，液氮在注入和蒸发过程中的性能表现已经可以得到保证。事实上，公司还曾对其他气体进行过测试，但作为一种稳定的惰性气体，氮气凭借良好的蒸发性能脱颖而出。此外，发动机的气门也经过专门设计，可用于应对分式燃烧过程。
然而，我们曾在研发中遇到一个严峻挑战。“燃烧系统是我们一直试图攻克的关键部分，” Jackson 告诉《卡车和非公路工程》，“最近，我们在使能及优化燃烧系统性能方面取得了巨大进展，也就是我们在分式循环方面取得的突破。”
现阶段，里卡多公司还与英国本地大学合作，合作完成部分研发。比如，布莱顿大学和南安普敦大学也协助完成了部分模拟工作，验证新型燃烧技术的可行性。虽然里卡多一直都是 CryoPower 研发的主力，但这些大学的协助也让更多实验性探索成为可能，共同推动了燃烧领域的进展。
后续行动：演示和继续改进
随着这些技术的不断成熟，现在是时候将其应用至示范和试点项目了。为了更好的进行相关工作，里卡多已将 CryoPower 技术和资产剥离出来，成立了一个独立的专门公司 Dolphin N2。虽然，里卡多仍将然是 Dolphin N2 公司的主力成员，但现在是时候让其他合作伙伴加入研发了。
“现在，我们所有的子系统均已进入成熟阶段，”Dolphin N2 首席执行官Simon Brewster 告诉《卡车和非公路工程》，“现在是时候将这些子系统集中在一起，作为一个整体演示多缸发动机的性能。这款新型发动机从外观与普通发动机无异，可以直接安装至车辆或发电机组。”
未来，Dolphin N2 公司的下一阶段任务，即将 CryoPower 技术投产至量产车辆的成本将远远超过某一家公司可以负担的水平。在此背景下，Dolphin N2 现已进入风险投资领域，可能获得不止一家公司的投资。里卡多公司曾评估过仅通过一家客户，将这款发动机推向市场的可能性，但最终认为，CryoPower 技术仍需要持续发展，在短时间内可能很难有某家公司具备条件。
Dolphin N2 公司明白，长途运输卡车和发电行业急需提高燃油效率并减少排放，从而满足未来的法规和消费者需求。过去 10 年中，CryoPower 系统已经进行了长期研究，而现在的市场也已准备好迎接这些替代电源的技术了。液氮和分式燃烧技术可以在尽可能不更改当下基础架构的前提下，让我们可以对发动机进行继续优化。
在不久的将来，我们将迎来这种全新的动力总成方案。
来源：SAEInternational
