穿梭在北美州際間、德國高速公路、日本高速公路或各大洲無數(shù)公路上的重型卡車和半拖車承載著現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟的命脈。這些車無處不在，將貨物運往各處。如果沒有了它們，我們的原材料、燃料、食品和商品的交易都會停止。

因此，重型車輛消耗了大量的燃料，同時也是二氧化碳的主要排放來源。據(jù)歐洲委員會估計，重型車輛排放的二氧化碳約占道路運輸全部二氧化碳排放量的四分之一，溫室氣體排放量約占歐盟總排放量的5%，這些指標均超過國際航空或航運業(yè)的排放水平。所以，歐盟現(xiàn)在正在效仿日本、美國、加拿大和中國，控制重型車輛的二氧化碳排放量。

但正如里卡多的首席技術和創(chuàng)新官Neville Jackson教授所言，雖然電動和混合動力系統(tǒng)降低了客車和輕型商業(yè)車輛的碳排放量，但減少重型貨車的二氧化碳排放量仍然任重而道遠。他說：“長途重型卡車面臨的挑戰(zhàn)是，高容量電池系統(tǒng)需要的成本、質(zhì)量和布置制約著動力系統(tǒng)電氣化解決方案的效率，而這種解決方案已被我們成功應用于其他細分市場，能夠有效降低二氧化碳排放量。運輸業(yè)現(xiàn)在非常注重運營效率和資本成本，只要方案對有效負載或范圍產(chǎn)生限制，就很難實施，也很難讓運營商接受?！?/p>

因此，雖然電動解決方案對輕型運輸車輛和港口綜合體和集散中心等短途運輸應用而言非常有效，但重型長途卡車的動力裝置基本上都會采用傳統(tǒng)的四沖程柴油機。所以迫切需要大幅提升柴油機的效能，而CryoPower便是不二之選。

提升柴油機能效的收益遞減法則

為應對日益嚴格的監(jiān)管制度，滿足運營商對更低運營成本的要求，商業(yè)車輛制造商投入大量資源，以期節(jié)約燃料，降低二氧化碳排放量。關于車輛自身的改進已進行了大量的研究，例如空氣動力、車輛質(zhì)量和減小滾動阻力，所以最終改進的方向還是回到了動力系統(tǒng)。

Jackson認為：“使用現(xiàn)代柴油機的基礎熱動力循環(huán)，很難將熱效率提高50%以上，因為燃料約一半的化學能都消耗在廢氣和內(nèi)部熱損耗上。在改進基本發(fā)動機的同時，很多制造商希望利用增配式系統(tǒng)回收廢氣中的部分高品質(zhì)熱能。有些能量回收系統(tǒng)效果不錯，但相較于所增加的復雜性，它們的優(yōu)勢并不明顯。”

傳統(tǒng)卡車引擎使用的外部增配式廢熱回收技術包括有機朗肯循環(huán)單元、熱電發(fā)電機組和復合渦輪系統(tǒng)。但Jackson認為，傳統(tǒng)柴油機存在熱效率限值，“即使將當今已知的所有改進方法和技術都應用在目前最先進的卡車柴油機動力系統(tǒng)，柴油機仍然無法突破有效的燃料效率限值，如果突破這一限值，不僅成本高昂，而且不切實際。雖然廢熱的溫度可能達到600-700攝氏度，可以加以利用，但就熱回收系統(tǒng)的基本熱力學方程而言，廢熱溫差不夠大，無法從根本上提高能效?！?/p>

CryoPower總覽

里卡多重新定義內(nèi)燃機

相比不斷改進現(xiàn)有技術的其它方法而言，里卡多 CryoPower 分體式發(fā)動機概念重新定義了內(nèi)燃機的往復循環(huán)，使燃燒效率明顯高于當前最先進發(fā)動機。CryoPower 概念不依賴輔助廢熱回收裝置，它的目標是將廢熱回收至發(fā)動機的實際工作循環(huán)中。

Jackson 解釋說：“我們利用CryoPower 將循環(huán)燃氣輪機最佳的優(yōu)勢（后壓縮機氣體在燃燒前接收廢熱）與往復內(nèi)燃機的最佳特性相結合?！薄俺夹g方法外，CryoPower 技術能否取得成功，成本也至關重要。相對于使用昂貴的材料和燃氣輪機制造所需要的復雜工藝，Cryopower技術采用了傳統(tǒng)的往復發(fā)動機結構和材料?！?/p>

CryoPower將傳統(tǒng)的四沖程卡車發(fā)動機工作過程放在不同的氣缸中完成，一個用來吸氣和壓縮，另一個用來燃燒和排氣。這種方式可以將廢熱在壓縮工作結束后回收到工作氣體中。這樣可以在吸氣、壓縮氣缸實現(xiàn)米勒循環(huán)，而在燃燒、排氣氣缸實現(xiàn)最高的燃燒效率。

分體式發(fā)動機構架并非創(chuàng)新產(chǎn)品，但CryoPower 最大的效果在于將此方法用于回收廢熱。壓縮過程在準等溫條件下完成，大大降低了從壓縮到噴出少量液氮時產(chǎn)生的溫升。液氮充當冷卻劑和額外能量流，噴出的液氮可增加流過發(fā)動機的工質(zhì)。然后，與回熱式燃氣輪機一樣， 該高壓縮冷卻液氮，流經(jīng)熱交換器。能量在這里從高溫廢氣轉(zhuǎn)移到液氮中，大大提高了發(fā)動機內(nèi)部的熱回收效率；如果得不到回收，這部分能量將以廢氣形式排放到大氣中。

在燃燒缸入口處，液氮進入高度壓縮的加熱狀態(tài)。燃料噴射完成后立即進行高效混合，雖然質(zhì)量流量在當前發(fā)動機中較為典型，但Cryopower流量小，因而可以使泵氣損失最小化。

燃燒過程的特性，決定了它應該可以適用于各種可再生或傳統(tǒng)液體或氣體燃料。但這種新工藝最重要的優(yōu)勢是可以通過提高內(nèi)部熱效率，節(jié)約燃料，減少二氧化碳等溫室氣體排放量；通過其他方式則無法實現(xiàn)這些優(yōu)勢。此外，CryoPower 憑借其高度混合的低溫燃燒過程，在不影響效率的情況下大大減少了發(fā)動機顆粒排放和氮氧化物的排放量。

Dolphin N2：為CryoPower做好入市準備

CryoPower發(fā)動機概念一直是近十年來里卡多和布萊頓大學等合作伙伴的研發(fā)課題。在此期間，雙方系統(tǒng)地研究了多種重要的使能技術，降低了繼續(xù)開發(fā)的風險。

雖然證明方法和最終的工業(yè)化現(xiàn)在非常清晰，風險也不高【并且降低重型運輸碳強度的要求很明確】，但所需的資源水平卻超出里卡多內(nèi)部研發(fā)的承受能力。為此，里卡多決定專門成立一個技術公司。

Dolphin N2 Ltd是一家獨立于里卡多的新公司，專門負責開發(fā)CryoPower技術。該公司將擁有現(xiàn)有CryoPower知識產(chǎn)權資產(chǎn)和合同，還將接受里卡多的現(xiàn)金投資；在 2018 年初成功完成首輪投資后，里卡多將擁有該公司的少數(shù)股權。

首席執(zhí)行官Simon Brewster負責管理Dolphin N2，他已在里卡多的重型發(fā)動機開發(fā)領域從業(yè)多年。他說：“CryoPower 是一項極具變革性的商業(yè)環(huán)保技術，市場前景非常廣闊?！薄皞鹘y(tǒng)重型發(fā)動機在燃料效率和二氧化碳排放量方面的可改進空間越來越小；要想超越當前的發(fā)展水平，必須采用全新的方法。CryoPower 恰好能夠滿足這一需求，可以在提高燃料效率的同時降低燃料成本；我們對重要使能技術開展的研發(fā)工作顯著降低了開發(fā)風險。”

歐洲汽車制造商協(xié)會 ACEA 表示，對于 40 噸牽引車-半拖車組合而言，燃料是最大的運營成本：高達操作員工資以及維修和維護費用的30%。在成本驅(qū)動型市場中，利潤非常低，所以降低燃料成本無疑會大受重型車輛運營商歡迎。

通過迄今持續(xù)不斷的研發(fā)，CryoPower已經(jīng)用事實證明，能夠?qū)⑦\行燃料成本降低 20%，將燃料用量降低 30%（與目前的重型發(fā)動機相比）；這些預測是在考慮 CryoPower 燃油成本以及液氮經(jīng)濟和能源成本的基礎上做出的。如Brewster所言，這會大大減少運營開支。

Brewster說：“我們預計，搭載CryoPower的每臺重型卡車每年可為運營商節(jié)省大約 9000 英鎊（12,500 美元）?！薄按送?，如果將此技術應用到靜態(tài)分布式發(fā)電系統(tǒng)中（極易受燃料成本影響的另一個市場），每兆瓦裝機容量可節(jié)省180,000英鎊（250,000 英鎊）?！?/p>

示范階段

Dolphin N2正在為后續(xù)的兩個開發(fā)階段尋找投資人。第一個開發(fā)階段將推出首臺采用CryoPower技術制造而成的全尺寸發(fā)動機樣機。該樣機很有可能采用內(nèi)聯(lián)六缸發(fā)動機，包括兩個壓縮缸和四個動力缸。此機器尤其適用于重型卡車，因為車載包裝將與很多現(xiàn)有產(chǎn)品非常相似。雖然發(fā)動機只有四個動力缸，但動力缸在“二沖程”模式下運轉(zhuǎn)時（每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次電脈沖），曲軸每轉(zhuǎn)動90度就會點火一次。這種方式有助于實現(xiàn)人們希望傳統(tǒng) V8發(fā)動機具備的無障礙動力輸送性能。

Brewster說：“我們估計，每升活塞總排量可產(chǎn)生30至40千瓦功率，這些功率會轉(zhuǎn)化到尺寸基本相當?shù)陌l(fā)動機內(nèi)（與傳統(tǒng)發(fā)動機相比）。但燃料消耗量將降低30%，運行成本將減少20%。”

它與現(xiàn)在先進的發(fā)動機存在著本質(zhì)上的區(qū)別，但目前的發(fā)動機制造工廠就可以對其進行生產(chǎn)制造?！?

除最初的示范階段外，Dolphin N2設想了第二個集資環(huán)節(jié)，計劃將此技術引入前工業(yè)化開發(fā)和商業(yè)試點應用中。這些可能意味著，未來十年有望生產(chǎn)出使用液氮以及更加傳統(tǒng)的液體化石燃料、生物燃料或天然氣的首批超節(jié)能卡車。

*包括燃料成本、液氮和電力系統(tǒng)硬件；蓄電池車輛假定在車輛壽命期間更換一個蓄電池。

* 平均小規(guī)模可再生能源(光伏￡80/兆瓦時和陸上風電￡126/兆瓦時) +儲能(供電側(cè)設置的鋰離子電池￡193/兆瓦時)

構建液氮供應鏈

制定CryoPower概念時，里卡多努力確保車輛運轉(zhuǎn)所需的液氮量與為車輛提供動力的燃料消耗量基本相同，使液氮罐的大小適用于常見的大型卡車，包括非常具有挑戰(zhàn)性的歐洲正向控制牽引車。

CryoPower卡車的實用性和液氮的成本如何？里卡多首席技術和創(chuàng)新官Neville Jackson教授解釋說：“液氮在工業(yè)氣體行業(yè)很常見，通過空氣分離設備直接從空氣的液態(tài)氧中分離出來或以副產(chǎn)品的形式產(chǎn)生?！薄耙旱€廣泛應用在餐飲行業(yè)，充當冷藏車的冷卻劑，所以其儲藏和車載罐體補充（續(xù)加）技術已經(jīng)很成熟，成本相對較低?！?/p>

氮氣已經(jīng)被廣泛使用，由于需求量不是很大，有大量在生產(chǎn)氮的過程中以副產(chǎn)品的形式排放到大氣中；2013 年，根據(jù)低碳未來中心發(fā)布的報告，僅英國每天就有約8500噸氮作為廢氣排放到大氣中。此外，將來當液氮的需求量超過現(xiàn)在的消耗量時，CryoPower發(fā)動機就不會對純度要求過高，所以專門供應的成本可能會低于當前的生產(chǎn)成本。

在重型運輸業(yè)使用可再生能源的途徑

在商業(yè)效率方面，空氣分離廠在以能夠最大化利用“錯峰時段”低費率供應的方式運營，例如業(yè)務電網(wǎng)負荷較低時。隨著風能等間歇性可再生資源供電量的增加，這一點尤其重要。

正如Jackson所言，液氮供應鏈不斷擴大，這為錯峰時段和可再生能源提供了便捷的吸收和存儲方式。他說：“將來CryoPower卡車發(fā)動機使用通過這種方式產(chǎn)生的液氮作為能量矢量，顯然為長途重型道路運輸提供了最有效的可再生能源利用方式?！?/p>

CryoPower發(fā)動機的基本優(yōu)勢：

減少工作量意味著提高效率：吸入的空氣在壓縮過程中經(jīng)液氮冷卻，由于特定的壓縮壓力消失，壓縮工作減少，因而降低了損耗。

真正的米勒循環(huán)工作：為達到理想的效率，內(nèi)燃機需要減少壓縮工作，增加膨脹工作，傳統(tǒng)發(fā)動機很難實現(xiàn)這一點。CryoPower概念采用尺寸比膨脹缸小的壓縮缸（或壓縮缸數(shù)量減少），對膨脹工作進行充分利用。

高效內(nèi)熱回收：廢熱通過冷卻壓縮流程從燃燒結束時循環(huán)的高溫部分轉(zhuǎn)移到壓縮結束時和下一個沖程的燃料噴射前。

摩擦小和泵送損失低：氣體在高壓下在兩個氣缸之間轉(zhuǎn)移，因此質(zhì)量流量較高，體積流量較低。這意味著僅需使用一個小閥門即可，因為實際發(fā)生移動的氣體量很小。