圖為CyroPower六缸發(fā)動機(jī)技術(shù)，包括兩個壓縮氣缸和四個提供動力的膨脹氣缸。

隨著交通運輸業(yè)開始進(jìn)入新型動力來源的時代，消費者在動力系統(tǒng)方面也有了更多新的選擇。目前，這個過去曾由汽油火花點火和柴油壓燃發(fā)動機(jī)主導(dǎo)的行業(yè)，開始涌現(xiàn)了一系列豐富的新型動力系統(tǒng)，包括電力、天然氣、氫燃料電池及生物能源動力系統(tǒng)等。然而，由于重型長途卡車對行駛里程和負(fù)載的要求較高，因此這些 新興動力系統(tǒng)可能并非都適合重型長途卡車。

全球工程和環(huán)境咨詢公司里卡多 (Ricardo) 開發(fā)了一種名為 CryoPower 的新型發(fā)動機(jī)概念。這家公司認(rèn)為，CryoPower新型概念發(fā)動機(jī)可以顯著降低當(dāng)前柴油動力系統(tǒng)的排放水平和燃料成本。目前，這款發(fā)動機(jī)經(jīng)過 10 年潛心研發(fā)，現(xiàn)已做好準(zhǔn)備進(jìn)入完整系統(tǒng)演示和后續(xù)試點應(yīng)用驗證環(huán)節(jié)。為了更好地進(jìn)入下一階段，里卡多公司已經(jīng)將 CryoPower 技術(shù)及相關(guān)資產(chǎn)從公司剝離，并成立一家獨立的公司，名為 Dolphin N2 Ltd。

為了降低排放和燃耗水平，CryoPower 發(fā)動機(jī)結(jié)合使用了兩種獨特的燃燒技術(shù)，分別為液氮和分式燃燒。里卡多公司聲稱，這種發(fā)動機(jī)的二氧化碳排放和運營燃料成本將分別下降 30% 和 20%，長途運輸卡車和固定式發(fā)電機(jī)組將成為這些新技術(shù)的首批受益者。

“我們的目標(biāo)是重型發(fā)動機(jī)市場，”里卡多公司首席技術(shù)和創(chuàng)新官 Neville Jackson 告訴《卡車和非公路工程》雜志，“挑選大型發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵在于完整生命周期內(nèi)的總成本。我們的優(yōu)勢在于可以降低燃料成本，而燃料成本在車輛全生命周期的總成本中占據(jù)了相當(dāng)大的比例，這使得我們的解決方案非常具有吸引力?！?/p>

未來，CryoPower技術(shù)下一步可能用于恒定動力設(shè)備和火車發(fā)動機(jī)等。然而，公司也意識到并非所有市場都可以用到 CryoPower 替代解決方案?！皩τ谳p型負(fù)載或短途的車輛應(yīng)用來說，電氣化的確可以提供一些非常強(qiáng)大的好處，” Jackson 表示，“然而，當(dāng)您的負(fù)載或續(xù)航里程增加到一定程度時，比如 500 或 1000 英里以上時，電池的能量密度就無法滿足這種水平的需求了?！?/p>

液氮和分式燃燒過程

CryoPower 的燃燒過程開始與大多數(shù)發(fā)動機(jī)沒什么不同，但隨后很快出現(xiàn)差別?？諝庠谶M(jìn)氣沖程中進(jìn)入氣缸。液氮則在進(jìn)氣門關(guān)閉后，在燃燒沖程中注入氣缸。隨后，隨著壓力不斷升高，這些液氮汽化蒸發(fā)，并對流入的空氣進(jìn)行冷卻。在 TDC（上止點）附近，排氣閥開啟，缸內(nèi)的高壓空氣將釋放至熱交換器中。

一旦進(jìn)入熱交換器，這部分氣體將經(jīng)過排氣加熱。隨后，進(jìn)氣混合物將在上止點附近的短曲柄釋放進(jìn)入第二氣缸內(nèi)。然后，燃料將注入這種高壓和高溫環(huán)境，實現(xiàn)點火和膨脹，無需傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的混合和翻轉(zhuǎn)過程。在動力沖程后，燃燒氣體將通過排氣閥從膨脹氣缸釋放，并通過熱交換器返回。這種設(shè)計使用或不使用 EGR（排氣再循環(huán)）系統(tǒng)均可。

“我們的發(fā)動機(jī)效率更高，這并非是因為分式循環(huán)技術(shù)本身，而是分式循環(huán)可以讓我們擁有更大的技術(shù)應(yīng)用空間。”Jackson 解釋說，“我們的主要創(chuàng)新分為三大方面：首先，當(dāng)我們在壓縮氣缸中壓縮氣體或冷卻氣體時，這種發(fā)動機(jī)的壓縮功要比相同壓縮壓力水平的傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)少 15％ 到 20％；其次，我們會回收廢氣熱量，并將其輸送至一些循環(huán)的高溫部分，比如回?zé)釟怏w渦輪機(jī)等；最后，我們?yōu)榘l(fā)動機(jī)設(shè)計了兩個掃氣量不同的氣缸，也就是說，我們壓縮氣缸的掃氣量低于膨脹氣缸，因此可以實現(xiàn)真正的米勒循環(huán)?！?/p>

該系統(tǒng)僅需要增加少量組件，包括液氮儲罐、噴射器及壓縮和膨脹氣缸之間的熱交換器，也就是里卡多公司口中的“回?zé)崞鳌薄ryoPower 發(fā)動機(jī)的應(yīng)用示意圖展示了這款發(fā)動機(jī)的六缸配置，包括 2 個壓縮氣缸和 4 個膨脹氣缸。在這種設(shè)計下，由于膨脹氣缸的工作周期為 2 個沖程，因此曲柄每轉(zhuǎn)動一圈可實現(xiàn) 4 個動力沖程。

十年研發(fā)成果

過去 10 年中，里卡多公司一直在進(jìn)行 CryoPower 技術(shù)的相關(guān)研發(fā)，主要集中在將動力總成整合到一個完整系統(tǒng)前，對各個部分進(jìn)行獨立優(yōu)化。目前，經(jīng)過里卡多的測試，液氮在注入和蒸發(fā)過程中的性能表現(xiàn)已經(jīng)可以得到保證。事實上，公司還曾對其他氣體進(jìn)行過測試，但作為一種穩(wěn)定的惰性氣體，氮氣憑借良好的蒸發(fā)性能脫穎而出。此外，發(fā)動機(jī)的氣門也經(jīng)過專門設(shè)計，可用于應(yīng)對分式燃燒過程。

然而，我們曾在研發(fā)中遇到一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?！叭紵到y(tǒng)是我們一直試圖攻克的關(guān)鍵部分，” Jackson 告訴《卡車和非公路工程》，“最近，我們在使能及優(yōu)化燃燒系統(tǒng)性能方面取得了巨大進(jìn)展，也就是我們在分式循環(huán)方面取得的突破?！?/p>

現(xiàn)階段，里卡多公司還與英國本地大學(xué)合作，合作完成部分研發(fā)。比如，布萊頓大學(xué)和南安普敦大學(xué)也協(xié)助完成了部分模擬工作，驗證新型燃燒技術(shù)的可行性。雖然里卡多一直都是 CryoPower 研發(fā)的主力，但這些大學(xué)的協(xié)助也讓更多實驗性探索成為可能，共同推動了燃燒領(lǐng)域的進(jìn)展。

后續(xù)行動：演示和繼續(xù)改進(jìn)

隨著這些技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)在是時候?qū)⑵鋺?yīng)用至示范和試點項目了。為了更好的進(jìn)行相關(guān)工作，里卡多已將 CryoPower 技術(shù)和資產(chǎn)剝離出來，成立了一個獨立的專門公司 Dolphin N2。雖然，里卡多仍將然是 Dolphin N2 公司的主力成員，但現(xiàn)在是時候讓其他合作伙伴加入研發(fā)了。

“現(xiàn)在，我們所有的子系統(tǒng)均已進(jìn)入成熟階段，”Dolphin N2 首席執(zhí)行官Simon Brewster 告訴《卡車和非公路工程》，“現(xiàn)在是時候?qū)⑦@些子系統(tǒng)集中在一起，作為一個整體演示多缸發(fā)動機(jī)的性能。這款新型發(fā)動機(jī)從外觀與普通發(fā)動機(jī)無異，可以直接安裝至車輛或發(fā)電機(jī)組?！?/p>

未來，Dolphin N2 公司的下一階段任務(wù)，即將 CryoPower 技術(shù)投產(chǎn)至量產(chǎn)車輛的成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過某一家公司可以負(fù)擔(dān)的水平。在此背景下，Dolphin N2 現(xiàn)已進(jìn)入風(fēng)險投資領(lǐng)域，可能獲得不止一家公司的投資。里卡多公司曾評估過僅通過一家客戶，將這款發(fā)動機(jī)推向市場的可能性，但最終認(rèn)為，CryoPower 技術(shù)仍需要持續(xù)發(fā)展，在短時間內(nèi)可能很難有某家公司具備條件。

Dolphin N2 公司明白，長途運輸卡車和發(fā)電行業(yè)急需提高燃油效率并減少排放，從而滿足未來的法規(guī)和消費者需求。過去 10 年中，CryoPower 系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了長期研究，而現(xiàn)在的市場也已準(zhǔn)備好迎接這些替代電源的技術(shù)了。液氮和分式燃燒技術(shù)可以在盡可能不更改當(dāng)下基礎(chǔ)架構(gòu)的前提下，讓我們可以對發(fā)動機(jī)進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化。

在不久的將來，我們將迎來這種全新的動力總成方案。