圖為CyroPower六缸發動機技術，包括兩個壓縮氣缸和四個提供動力的膨脹氣缸。

隨著交通運輸業開始進入新型動力來源的時代，消費者在動力系統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動機主導的行業，開始涌現了一系列豐富的新型動力系統，包括電力、天然氣、氫燃料電池及生物能源動力系統等。然而，由于重型長途卡車對行駛里程和負載的要求較高，因此這些 新興動力系統可能并非都適合重型長途卡車。

全球工程和環境咨詢公司里卡多 (Ricardo) 開發了一種名為 CryoPower 的新型發動機概念。這家公司認為，CryoPower新型概念發動機可以顯著降低當前柴油動力系統的排放水平和燃料成本。目前，這款發動機經過 10 年潛心研發，現已做好準備進入完整系統演示和后續試點應用驗證環節。為了更好地進入下一階段，里卡多公司已經將 CryoPower 技術及相關資產從公司剝離，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 發動機結合使用了兩種獨特的燃燒技術，分別為液氮和分式燃燒。里卡多公司聲稱，這種發動機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電機組將成為這些新技術的首批受益者。

“我們的目標是重型發動機市場，”里卡多公司首席技術和創新官 Neville Jackson 告訴《卡車和非公路工程》雜志，“挑選大型發動機的關鍵在于完整生命周期內的總成本。我們的優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了相當大的比例，這使得我們的解決方案非常具有吸引力。”

未來，CryoPower技術下一步可能用于恒定動力設備和火車發動機等。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。“對于輕型負載或短途的車輛應用來說，電氣化的確可以提供一些非常強大的好處，” Jackson 表示，“然而，當您的負載或續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。”

液氮和分式燃燒過程

CryoPower 的燃燒過程開始與大多數發動機沒什么不同，但隨后很快出現差別。空氣在進氣沖程中進入氣缸。液氮則在進氣門關閉后，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，并對流入的空氣進行冷卻。在 TDC（上止點）附近，排氣閥開啟，缸內的高壓空氣將釋放至熱交換器中。

一旦進入熱交換器，這部分氣體將經過排氣加熱。隨后，進氣混合物將在上止點附近的短曲柄釋放進入第二氣缸內。然后，燃料將注入這種高壓和高溫環境，實現點火和膨脹，無需傳統發動機的混合和翻轉過程。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。這種設計使用或不使用 EGR（排氣再循環）系統均可。

“我們的發動機效率更高，這并非是因為分式循環技術本身，而是分式循環可以讓我們擁有更大的技術應用空間。”Jackson 解釋說，“我們的主要創新分為三大方面：首先，當我們在壓縮氣缸中壓縮氣體或冷卻氣體時，這種發動機的壓縮功要比相同壓縮壓力水平的傳統發動機少 15％ 到 20％；其次，我們會回收廢氣熱量，并將其輸送至一些循環的高溫部分，比如回熱氣體渦輪機等；最后，我們為發動機設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，因此可以實現真正的米勒循環。”

該系統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“回熱器”。CryoPower 發動機的應用示意圖展示了這款發動機的六缸配置，包括 2 個壓縮氣缸和 4 個膨脹氣缸。在這種設計下，由于膨脹氣缸的工作周期為 2 個沖程，因此曲柄每轉動一圈可實現 4 個動力沖程。

十年研發成果

過去 10 年中，里卡多公司一直在進行 CryoPower 技術的相關研發，主要集中在將動力總成整合到一個完整系統前，對各個部分進行獨立優化。目前，經過里卡多的測試，液氮在注入和蒸發過程中的性能表現已經可以得到保證。事實上，公司還曾對其他氣體進行過測試，但作為一種穩定的惰性氣體，氮氣憑借良好的蒸發性能脫穎而出。此外，發動機的氣門也經過專門設計，可用于應對分式燃燒過程。

然而，我們曾在研發中遇到一個嚴峻挑戰。“燃燒系統是我們一直試圖攻克的關鍵部分，” Jackson 告訴《卡車和非公路工程》，“最近，我們在使能及優化燃燒系統性能方面取得了巨大進展，也就是我們在分式循環方面取得的突破。”

現階段，里卡多公司還與英國本地大學合作，合作完成部分研發。比如，布萊頓大學和南安普敦大學也協助完成了部分模擬工作，驗證新型燃燒技術的可行性。雖然里卡多一直都是 CryoPower 研發的主力，但這些大學的協助也讓更多實驗性探索成為可能，共同推動了燃燒領域的進展。

后續行動：演示和繼續改進

隨著這些技術的不斷成熟，現在是時候將其應用至示范和試點項目了。為了更好的進行相關工作，里卡多已將 CryoPower 技術和資產剝離出來，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，但現在是時候讓其他合作伙伴加入研發了。

“現在，我們所有的子系統均已進入成熟階段，”Dolphin N2 首席執行官Simon Brewster 告訴《卡車和非公路工程》，“現在是時候將這些子系統集中在一起，作為一個整體演示多缸發動機的性能。這款新型發動機從外觀與普通發動機無異，可以直接安裝至車輛或發電機組。”

未來，Dolphin N2 公司的下一階段任務，即將 CryoPower 技術投產至量產車輛的成本將遠遠超過某一家公司可以負擔的水平。在此背景下，Dolphin N2 現已進入風險投資領域，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，將這款發動機推向市場的可能性，但最終認為，CryoPower 技術仍需要持續發展，在短時間內可能很難有某家公司具備條件。

Dolphin N2 公司明白，長途運輸卡車和發電行業急需提高燃油效率并減少排放，從而滿足未來的法規和消費者需求。過去 10 年中，CryoPower 系統已經進行了長期研究，而現在的市場也已準備好迎接這些替代電源的技術了。液氮和分式燃燒技術可以在盡可能不更改當下基礎架構的前提下，讓我們可以對發動機進行繼續優化。

在不久的將來，我們將迎來這種全新的動力總成方案。