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【技術分享】超級卡車計劃及相關技術分析

2019-01-15 21:00:08·  來源：《車輛與動力技術》  
　
摘要：美國能源部于2010年牽頭組織開展了旨在提高運輸效率、提高發(fā)動機熱效率、降低發(fā)動機油耗的技術研究計劃，即 超級卡車計劃。至2016年，四個項目團隊均達到
摘要：美國能源部于2010年牽頭組織開展了旨在提高運輸效率、提高發(fā)動機熱效率、降低發(fā)動機油耗的技術研究計劃，即 “超級卡車”計劃。至2016年，四個項目團隊均達到了車輛貨運效率提高50%、發(fā)動機熱效率達到50%、展示發(fā)動機熱效率達到55%技術途徑的研究目標; 項目共花費2.73347億美元，其中美國能源部出資1. 33074億美元；超級卡車計劃共牽引出60項新技術，涵蓋發(fā)動機優(yōu)化、傳動系統改進、空氣動力學改進、減重、輪胎阻力減少、能量管理等6個方面。論文介紹了 “超級卡車”計劃項目背景以及目標、經費、各團隊的技術差異性和完成情況，分析了相關技術途徑，對60項新技術及應用前景進行評估，最后進行總結和展望。

關鍵詞：超級卡車；貨運效率；發(fā)動機熱效率；節(jié)能 
 
2009年，美國能源部宣：將在2010年 ～ 2015年針對第8類重型牽引車和掛車開展旨在提高運輸效率、提高發(fā)動機熱效率、降低發(fā)動機油耗的技術研究計劃，即 “超級卡車”計劃。為了實現這一目標，美國能源部與部分世界領先的卡車生產企業(yè)和發(fā)動機廠商合作、共同出資，對發(fā)動機技術和整車技術的重要領域進行創(chuàng)新性研究，使得發(fā)動機熱效率提高、油耗下降、貨運效率提高。
 
據美國能源部的估計，第8類重型牽引車 ( 最大總質量超過15噸) 每年消耗28億加侖燃油，約占總運輸能耗的22%。重型卡車油耗的控制對于美國節(jié)約物流成本和石油資源至關重要。美國在2010年1月1日開始實施的EPA2012法規(guī)，規(guī)定的卡車排放標準比歐六嚴格，堪稱全球最嚴的排放法規(guī)。“超級卡車”計劃在這樣的背景下誕生，并力圖繼續(xù)降低美國重型卡車的油耗和排放，為更進一步的排放標準的實施打下基礎。 
 
1 “超級卡車”計劃概況
 
1. 1 研究目標 
“超級卡車”計劃主要實現以下3個節(jié)能目標：
 1) 車輛貨運效率提高50% 
開發(fā)和演示相關技術，通過每加侖噸公里油耗測量，與2009年一流的第8類半掛汽車列車＜tonmiles/gal＞相比較，車輛長途貨運效率提高50%。該目標通過典型的第8類半掛汽車列車整車長途運輸試驗循環(huán)來演示。 
作為非強制性目標，通過典型的第8類半掛汽 車列車整車24h使用循環(huán)來演示 ( 包括夜間用電) ，實現24h使用循環(huán)車輛貨運效率提高68%。

2) 發(fā)動機熱效率達到50% 
開發(fā)一款在高速公路巡航條件下熱效率達到50%的發(fā)動機 ( 較2009年發(fā)動機的42%熱效率提高約20%) 。該目標通過水平路面65m/h時速的發(fā)動機負載試驗來演示。

3) 展示發(fā)動機熱效率達到55%的技術途徑 
通過建模和分析，識別和評估發(fā)動機熱效率達到55%的潛在方法和技術路線。
1. 2 研究團隊及研究周期和經費 
研究工作由能源部牽頭，從北美主流重卡制造商和發(fā)動機企業(yè)中甄選和競標，先期確定3個團隊，沃爾沃遲一年加入，共4個團隊：
◇康明斯和彼得比爾特 (Cummins ＆ Peterbilt) 
◇戴姆勒和底特律柴油機 (Daimler Trucks North Amercia＆Detroit Diesel Corporation) 
◇納威司達 (Navister) 
◇沃爾沃 ( Volvo Technology of America) 
研究周期和經費情況見表1． 
表1 研究周期和經費情況
1. 3 項目完成情況
4個項目團隊均完成了演示樣車和樣機的研制和試驗，均達到預期目標，項目完成情況見表2， 圖1為長途貨運效率對比。
表2 項目完成情況
圖1 長途行駛循環(huán)貨運效率提高對比
2 技術途徑分析
 
2. 1 能量損失分析 
節(jié)能的主要技術途徑是減少車輛各系統的能量消耗、提高運行效率，經康明斯和彼得比爾特團隊的測試和統計分析，第8類重型牽引車和掛車車輛主要能量損失占比見表3。
表3 車輛能量損失占比 
2. 2 目標分解
針對減少能量損失的總目標，研究團隊提出了減少能耗的5大技術目標，具體內容見表4。
表4 減少能耗的5大技術目標
2. 3 主要技術差異性對比
項目團隊依據各自的技術基礎和技術優(yōu)勢采取各具特點的技術方案，既存在一致性，也具有差異化，主要技術差異在發(fā)動機減小體積、發(fā)動機降速、變速器、混合動力、朗肯循環(huán)、渦輪增壓等方面，詳見表5。
表5 主要技術差異對比 
3 超級卡車新技術及應用前景評估
 
超級卡車計劃共牽引出60項新技術，涵蓋發(fā)動機優(yōu)化、傳動系統改進、空氣動力學改進、減重、輪胎阻力減少、能量管理等6個方面，各自的數量和占比見圖2。其中31項技術已得到商業(yè)應用、16項技術預計未來1 ～ 3年得到商業(yè)應用、13項技術預計未來4～8年得到商業(yè)應用。
圖2 各類新技術數量和占比
3. 1 發(fā)動機優(yōu)化技術 
已得到商業(yè)應用的9項發(fā)動機優(yōu)化技術如下：
1) 降低發(fā)動機轉速；
2) 智能化扭矩管理；
3) 發(fā)動機變速箱一體化控制；
4) 摩擦損失減小 ( 潤滑、材料和涂層)；
5) 寄生損失減小 ( 發(fā)動機附件)；
6) 改進常規(guī)燃燒；
7) 改進后處理；
8) 改進進氣處理 ( 廢氣再循環(huán)，渦輪增壓)；
9) 合成機油；
預計未來1 ～ 3年商業(yè)應用的4項發(fā)動機優(yōu)化技術如下：
10) 高壓燃油噴射系統；
11) 改進燃燒 ( 如活塞碗設計)；
12) 進氣處理的未來改進 ( 渦輪增壓，廢熱再循環(huán))；
13) 電動附件 ( 如水泵、冷卻風扇等)；
預計未來4 ～ 8年商業(yè)應用的3項發(fā)動機優(yōu)化技術如下： 
14) 廢熱回收；
15) 先進的發(fā)動機控制；
16) 耐更高峰值氣缸壓力的發(fā)動機結構材料。
3. 2 傳動系統改進技術 
已得到商業(yè)應用的8項傳動系統改進技術如下：
1) 自動換擋變速箱：
2) 可預測的變速箱換擋；
3) 變速箱速比優(yōu)化用于降低發(fā)動機轉速；
4) 變速箱/發(fā)動機一體化；
5) 6 x 2車橋；
6) 空擋下坡；
7) 減少寄生功率 ( 潤滑和變速箱設計)；
8) 改進傳動系統潤滑，減少摩擦；
預計未來1 ～ 3年商業(yè)應用的2項傳動系統改進技術如下：
9) 雙離合自動換擋變速箱；
10) 減少摩擦的齒輪涂層和潤滑；
預計未來4 ～ 8年商業(yè)應用的2項傳動系統改 進技術如下：
11) 電動附件 ( 如電動渦輪增壓器、48V電機/發(fā)電機、帶離合器的空氣壓縮機、帶離合器的轉向油泵等)；
12) 混合動力 ( 如混合動力驅動、混合動力怠速管理等)。
3. 3 空氣動力學改進技術 
已得到商業(yè)應用的2項空氣動力學改進技術如下：
1) 牽引車保險杠設計以及駕駛室頂、底盤、牽引車與掛車間整流罩；
2) 掛車側面裙邊、錐型尾、掛車與牽引車間整流罩；
預計未來1 ～ 3年商業(yè)應用的5項空氣動力學改進技術如下：
3) 掛車全部裙邊 ( 包括車輪) 、表面導流設計；
4) 空氣動力學主動特性 ( 格柵式百葉窗等)；
5) 牽引車表面空氣動力學特性的更大面積的再設計 ( 駕駛室、頂棚等)；
6) 牽引車和掛車車體下部的空氣動力學特性；
7) 牽引車/掛車間隙減少；
預計未來4 ～ 8年商業(yè)應用的3項空氣動力學改進技術如下：
8) 攝像頭替代后視鏡；
9) 牽引車與掛車間隙主動開閉；
10) 牽引車和掛車重新布置來減小風阻 ( 如發(fā)動機、變速箱位置等)。
3. 4 減重技術 
已得到商業(yè)應用的4項減重技術如下：
1) 鋁合金鞍座；
2) 鋁合金車輪 ( 牽引車和掛車)；
3) 鋁合金傳動軸；
4) 輕量化制動器；
預計未來1 ～ 3年商業(yè)應用的2項減重技術如下：
5) 輕量化懸架部件 ( 如鋁合金懸架部件、復合材料板簧、輕量化空氣懸架)；
6) 輕量化傳動部件 ( 如輕量化車橋)；
預計未來4 ～ 8年商業(yè)應用的1項減重技術如下：
7) 輕量化車架 ( 鋁合金、復合材料等)。
3. 5 輪胎阻力減少技術 
已得到商業(yè)應用的3項輪胎阻力減少技術如下：
1) 寬基單胎；
2) 減小滾動阻力輪胎配方和設計；
3) 輪胎配方和設計持續(xù)改進；
預計未來1 ～ 3年商業(yè)應用的1項輪胎阻力減少技術如下：
4) 自動的輪胎充氣系統；
預計未來4 ～ 8年商業(yè)應用的1項輪胎阻力減少技術如下：
5) 新穎的低滾動阻力輪胎。
3. 6 能量管理技術 
已得到商業(yè)應用的5項能量管理技術如下：
1) 可預測的GPS巡航控制；
2) 節(jié)能駕駛反饋系統；
3) LED燈光系統；
4) 過夜怠速減少 ( 備用能量單元或電池)；
5) 過夜怠速減少系統改進。 
預計未來1 ～ 3年商業(yè)應用的2項能量管理技術如下：
6) 基于電池的怠速管理系統；
7) 駕駛室熱管理；
預計未來4 ～ 8年商業(yè)應用的3項能量管理技術如下：
8) 發(fā)動機附件和傳動系統先進的預測控制；
9) 基于風/天氣的巡航控制；
10) 太陽能獲取裝置。
4 總結和展望
 
4. 1 美國超級卡車計劃總結和未來規(guī)劃 
美國超級卡車計劃在美國能源部的組織下，四個項目團隊對發(fā)動機技術和整車技術的重要領域進行創(chuàng)新性研究，經過6年的努力，達到了發(fā)動機熱效率提高、油耗下降、貨運效率提高的目的。在超級卡車項目研發(fā)過程中，各項目團隊開發(fā)出諸多先進的、前瞻性的技術，并有超過20項節(jié)能成果已得到商業(yè)應用，其他成果也存在商業(yè)化和軍事應用前景。該項研究計劃在車輛節(jié)能領域，對美國和世界各國產生了巨大和深遠的影響。
由于第一階段成效顯著，2016年3月，美國能源部宣布啟動 “超級卡車”二期計劃，出資8000萬美元。“超級卡車”二期的目標是以2009年生產的一流重卡為基準，將長途貨運效率提高100%，并著重強調技術應用的成本效益以及車輛性能。 “超級卡車”二期計劃將進一步利用多種卡車和掛車技術集成，例如發(fā)動機效率、傳動系統效率的提高，空氣阻力、輪胎阻力和車輛質量的降低。
美國能源部還組織建立和研發(fā)團隊的客戶委員會，其由沃爾瑪運輸團隊領導，職責是提供關于貨運線路、技術需求、市場進入的信息，旨在 “超級卡車”技術更快地應用于市場。
此外，美國能源部還宣布提供1200萬美元資金，集中研究重型卡車的插電式電驅動系統。此項研究的目標是將貨運卡車的燃油經濟性提高50% ～100%。資金的3個獲得者分別是羅伯特博世公司 ( 500萬美元) 、康明斯研究和技術公司 (450萬美元) 和麥克拉倫性能技術公司 (450萬美元) 。
至2016年9月，“超級卡車”一期計劃的4個團隊再次確認參加二期計劃，每個項目團隊各分得2000萬美元。
在二期計劃中，康明斯和彼得比爾特團隊的主要研究方向是在空氣動力學優(yōu)化和發(fā)動機技術取得更大突破，在所有風向上將空氣動力學水平提高15%，研究在時速104km/h的條件下，發(fā)動機熱效率達到55%或更高的技術。戴姆勒卡車北美公司的主要研究方向是牽引車整車的空氣動力學優(yōu)化、混合動力研究以及發(fā)動機配件的電氣化。納威司達公司的主要研究方向是設計并制造更高效率的、電氣化的發(fā)動機，以及空氣動力學水準更高的駕駛室。沃爾沃集團北美公司的主要研究任務是利用新的發(fā)動機技術和集成控制技術，制造一款輕量化的牽引車，每噸每英里每加侖的貨運效率提高要超過100%。
“超級卡車”計劃的每一個合作伙伴都發(fā)揮著重要作用，除了整車和發(fā)動機企業(yè)外，還有伊頓電器集團、普利司通集團、美馳集團以及重要的供應商。美國國家可再生能源實驗室 (NationalＲenewable Energy Laboratory) 、普渡大學 (Purdue University) 等也參與其中。 
4. 2 展望
我國已對節(jié)能環(huán)保高度重視，并開始奮起直追。福田戴姆勒提出了超級卡車三步走戰(zhàn)略，并推出了歐曼EST超級卡車。中國汽車工程學會組織行業(yè)力量愈500位專家歷時一年完成了《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》，技術路線圖為《中國制造2025》中的汽車強國目標提供了具體途徑和措施，識別出未來15年汽車產業(yè)技術發(fā)展方向、關鍵技術及其優(yōu)先程度，提出了政府和產業(yè)界聯合推動汽車產業(yè)技術創(chuàng)新的框架，為新技術研發(fā)和應用提供促進作用。2016年10月26日，《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》在 2016中國汽車工程學會年會上正式發(fā)布，包括總體技術路線圖以及節(jié)能汽車技術路線圖、純電動和插電式混合動力汽車技術路線圖、氫燃料電池汽車技術路線圖、智能網聯汽車技術路線圖、汽車制造技術路線圖、汽車動力電池技術路線圖、汽車輕量化技術路線圖七項專題技術路線圖 ( 1 +7) ，低碳化、信息化、智能化作為未來汽車的發(fā)展方向已經取得共識。
節(jié)能汽車技術路線圖中，對于商用汽車提出了總體執(zhí)行動力總成升級優(yōu)化、逐步發(fā)展混合動力、空氣動力學優(yōu)化、降低運行能耗、替代燃料分擔、持續(xù)推進輕量化的六大節(jié)能技術途徑。共提出了12項發(fā)展重點：
①先進內燃機燃燒機理研究；
②自主控制系統開發(fā)；
③全可變氣門技術；
④廢熱能量回收技術；
⑤發(fā)動機熱管理技術；
⑥變速器自動化、高效化及核心零部件技術；
⑦低摩擦技術；
⑧增壓器與應用技術；
⑨先進燃油噴射技術；
⑩48V系統開發(fā)；
?混合動力發(fā)動機技術；
?混合動力機電耦合技術。  
節(jié)能汽車技術路線圖中的技術途徑和目標與美國超級卡車計劃基本相同。
 
未來應進一步對超級卡車相關技術成果、項目管理方法開展深入研究，以《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》為牽引，在國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略指導下，開展相適應的技術方向分析和相關技術研究。以新能源汽車和智能網聯汽車為主要突破口，以動力系統優(yōu)化升級為重點，以智能化水平提升為主線，以先進制造和輕量化等共性技術為支撐，全面推進汽車產業(yè)由大國向強國的歷史轉型。

 
本文來自期刊《車輛與動力技術》
原文作者：姜小燕，張力存，姜蘇洋，吳學雷
整理編輯：Zoe
 
 
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