CryoPower柴油机效力的重大突破

CryoPower：柴油机效率的重大突破

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下降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本钱、质量和布置制约着动力系统电气化解决方案的效力，而这类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本钱，只要方案对有效负载或范围产生限制，就很难实行，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4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

为应对日趋严格的监管制度，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，下降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，所以终究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，由于燃料约一半的化学能都消耗在废气和内部热消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份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，它们的优势其实不明显”

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，“即使将现今已知的所有改进方法和技术都运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力限值，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到达摄氏度，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，没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早进发动机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 将循环燃气轮机最好的优势（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 技术能否获得成功，本钱也至关重要相对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进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紧缩工作结束后回收到工作气体中这样可以在吸气、紧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

分体式发动机构架并不是创新产品，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，大大下落了从紧缩到喷出少许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， 该高紧缩冷却液氮，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情势排放到大气中

在燃烧缸入口处，液氮进入高度紧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，因此可以使泵气损失最小化

燃烧进程的特性，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类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；通过其他方式则没法实现这些优势此外，CryoPower 凭借其高度混合的低温燃烧进程，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

虽然证明方法和终究的工业化现在非常清晰，风险也不高【并且下降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技术该公司将具有现有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，里卡多将具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愈来愈小；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1需求，可以在提高燃料效力的同时下降燃料本钱；我们对重要使能技术展开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 40 吨牵引车-半拖车组合而言，燃料是最大的运营本钱：高达操作员工资和维修和维护费用的30%在成本驱动型市场中，利润非常低，所以下降燃料成本无疑会大受重型车辆运营商欢迎

通过迄今延续不断的研发，CryoPower已用事实证明，能够将运行燃料本钱降低 20%，将燃料用量降低 30%（与目前的重型发动机相比）；这些预测是在推敲 CryoPower 燃油本钱和液氮经济和能源本钱的基础上做出的如Brewster所言，这会大大减少运营开支

Brewster说：“我们预计，搭载CryoPower的每台重型卡车每一年可为运营商节省大约 9000 英镑（12,500 美元）”“另外，如果将此技术应用到静态分布式发电系统中（极易受燃料本钱影响的另一个市场）

，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觅投资人第一个开发阶段将推出首台采取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6缸发动机，包括两个紧缩缸和四个动力缸此机器尤其适用于重型卡车，由于车载包装将与很多现有产品非常类似虽然发动机只有四个动力缸，但动力缸在“2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度就会点火一次这类方式有助于实现人们希望传统 V8发动机具有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）但燃料消耗量将下落30%，运行本钱将减少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和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本钱如何里卡多首席技术和创新官Neville Jackson教授解释说：“液氮在工业气体行业很常见，通过空气分离装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，所以其蕴藏和车载罐体补充（续加）技术已经很成熟，成本相对较低”

氮气已被广泛使用，由于需求量不是很大，有大量在生产氮的进程中以副产品的情势排放到大气中；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另外，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太高，所以专门供应的本钱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

在商业效力方面，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，这一点特别重要

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类方式产生的液氮作为能量矢量，明显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：吸入的空气在紧缩进程中经液氮冷却，由于特定的紧缩压力消失，紧缩工作减少，因此下降了损耗

真正的米勒循环工作：为达到理想的效力，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紧缩缸（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：废热通过冷却紧缩流程从燃烧结束时循环的高温部分转移到紧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便可，因为实际产生移动的气体量很小

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