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【技术分享】超级卡车计划及相关技术分析
2019-01-15 21:00:08· 来源：《车辆与动力技术》
摘要：美国能源部于2010年牵头组织开展了旨在提高运输效率、提高发动机热效率、降低发动机油耗的技术研究计划，即 超级卡车计划。至2016年，四个项目团队均达到
摘要：美国能源部于2010年牵头组织开展了旨在提高运输效率、提高发动机热效率、降低发动机油耗的技术研究计划，即 “超级卡车”计划。至2016年，四个项目团队均达到了车辆货运效率提高50%、发动机热效率达到50%、展示发动机热效率达到55%技术途径的研究目标; 项目共花费2.73347亿美元，其中美国能源部出资1. 33074亿美元；超级卡车计划共牵引出60项新技术，涵盖发动机优化、传动系统改进、空气动力学改进、减重、轮胎阻力减少、能量管理等6个方面。论文介绍了 “超级卡车”计划项目背景以及目标、经费、各团队的技术差异性和完成情况，分析了相关技术途径，对60项新技术及应用前景进行评估，最后进行总结和展望。
关键词：超级卡车；货运效率；发动机热效率；节能
2009年，美国能源部宣：将在2010年 ～ 2015年针对第8类重型牵引车和挂车开展旨在提高运输效率、提高发动机热效率、降低发动机油耗的技术研究计划，即 “超级卡车”计划。为了实现这一目标，美国能源部与部分世界领先的卡车生产企业和发动机厂商合作、共同出资，对发动机技术和整车技术的重要领域进行创新性研究，使得发动机热效率提高、油耗下降、货运效率提高。
据美国能源部的估计，第8类重型牵引车 ( 最大总质量超过15吨) 每年消耗28亿加仑燃油，约占总运输能耗的22%。重型卡车油耗的控制对于美国节约物流成本和石油资源至关重要。美国在2010年1月1日开始实施的EPA2012法规，规定的卡车排放标准比欧六严格，堪称全球最严的排放法规。“超级卡车”计划在这样的背景下诞生，并力图继续降低美国重型卡车的油耗和排放，为更进一步的排放标准的实施打下基础。
1 “超级卡车”计划概况
1. 1 研究目标
“超级卡车”计划主要实现以下3个节能目标：
1) 车辆货运效率提高50%
开发和演示相关技术，通过每加仑吨公里油耗测量，与2009年一流的第8类半挂汽车列车＜tonmiles/gal＞相比较，车辆长途货运效率提高50%。该目标通过典型的第8类半挂汽车列车整车长途运输试验循环来演示。
作为非强制性目标，通过典型的第8类半挂汽 车列车整车24h使用循环来演示 ( 包括夜间用电) ，实现24h使用循环车辆货运效率提高68%。
2) 发动机热效率达到50%
开发一款在高速公路巡航条件下热效率达到50%的发动机 ( 较2009年发动机的42%热效率提高约20%) 。该目标通过水平路面65m/h时速的发动机负载试验来演示。
3) 展示发动机热效率达到55%的技术途径
通过建模和分析，识别和评估发动机热效率达到55%的潜在方法和技术路线。
1. 2 研究团队及研究周期和经费
研究工作由能源部牵头，从北美主流重卡制造商和发动机企业中甄选和竞标，先期确定3个团队，沃尔沃迟一年加入，共4个团队：
◇康明斯和彼得比尔特 (Cummins ＆ Peterbilt)
◇戴姆勒和底特律柴油机 (Daimler Trucks North Amercia＆Detroit Diesel Corporation)
◇纳威司达 (Navister)
◇沃尔沃 ( Volvo Technology of America)
研究周期和经费情况见表1．
表1 研究周期和经费情况
1. 3 项目完成情况
4个项目团队均完成了演示样车和样机的研制和试验，均达到预期目标，项目完成情况见表2， 图1为长途货运效率对比。
表2 项目完成情况
图1 长途行驶循环货运效率提高对比
2 技术途径分析
2. 1 能量损失分析
节能的主要技术途径是减少车辆各系统的能量消耗、提高运行效率，经康明斯和彼得比尔特团队的测试和统计分析，第8类重型牵引车和挂车车辆主要能量损失占比见表3。
表3 车辆能量损失占比
2. 2 目标分解
针对减少能量损失的总目标，研究团队提出了减少能耗的5大技术目标，具体内容见表4。
表4 减少能耗的5大技术目标
2. 3 主要技术差异性对比
项目团队依据各自的技术基础和技术优势采取各具特点的技术方案，既存在一致性，也具有差异化，主要技术差异在发动机减小体积、发动机降速、变速器、混合动力、朗肯循环、涡轮增压等方面，详见表5。
表5 主要技术差异对比
3 超级卡车新技术及应用前景评估
超级卡车计划共牵引出60项新技术，涵盖发动机优化、传动系统改进、空气动力学改进、减重、轮胎阻力减少、能量管理等6个方面，各自的数量和占比见图2。其中31项技术已得到商业应用、16项技术预计未来1 ～ 3年得到商业应用、13项技术预计未来4～8年得到商业应用。
图2 各类新技术数量和占比
3. 1 发动机优化技术
已得到商业应用的9项发动机优化技术如下：
1) 降低发动机转速；
2) 智能化扭矩管理；
3) 发动机变速箱一体化控制；
4) 摩擦损失减小 ( 润滑、材料和涂层)；
5) 寄生损失减小 ( 发动机附件)；
6) 改进常规燃烧；
7) 改进后处理；
8) 改进进气处理 ( 废气再循环，涡轮增压)；
9) 合成机油；
预计未来1 ～ 3年商业应用的4项发动机优化技术如下：
10) 高压燃油喷射系统；
11) 改进燃烧 ( 如活塞碗设计)；
12) 进气处理的未来改进 ( 涡轮增压，废热再循环)；
13) 电动附件 ( 如水泵、冷却风扇等)；
预计未来4 ～ 8年商业应用的3项发动机优化技术如下：
14) 废热回收；
15) 先进的发动机控制；
16) 耐更高峰值气缸压力的发动机结构材料。
3. 2 传动系统改进技术
已得到商业应用的8项传动系统改进技术如下：
1) 自动换挡变速箱：
2) 可预测的变速箱换挡；
3) 变速箱速比优化用于降低发动机转速；
4) 变速箱/发动机一体化；
5) 6 x 2车桥；
6) 空挡下坡；
7) 减少寄生功率 ( 润滑和变速箱设计)；
8) 改进传动系统润滑，减少摩擦；
预计未来1 ～ 3年商业应用的2项传动系统改进技术如下：
9) 双离合自动换挡变速箱；
10) 减少摩擦的齿轮涂层和润滑；
预计未来4 ～ 8年商业应用的2项传动系统改 进技术如下：
11) 电动附件 ( 如电动涡轮增压器、48V电机/发电机、带离合器的空气压缩机、带离合器的转向油泵等)；
12) 混合动力 ( 如混合动力驱动、混合动力怠速管理等)。
3. 3 空气动力学改进技术
已得到商业应用的2项空气动力学改进技术如下：
1) 牵引车保险杠设计以及驾驶室顶、底盘、牵引车与挂车间整流罩；
2) 挂车侧面裙边、锥型尾、挂车与牵引车间整流罩；
预计未来1 ～ 3年商业应用的5项空气动力学改进技术如下：
3) 挂车全部裙边 ( 包括车轮) 、表面导流设计；
4) 空气动力学主动特性 ( 格栅式百叶窗等)；
5) 牵引车表面空气动力学特性的更大面积的再设计 ( 驾驶室、顶棚等)；
6) 牵引车和挂车车体下部的空气动力学特性；
7) 牵引车/挂车间隙减少；
预计未来4 ～ 8年商业应用的3项空气动力学改进技术如下：
8) 摄像头替代后视镜；
9) 牵引车与挂车间隙主动开闭；
10) 牵引车和挂车重新布置来减小风阻 ( 如发动机、变速箱位置等)。
3. 4 减重技术
已得到商业应用的4项减重技术如下：
1) 铝合金鞍座；
2) 铝合金车轮 ( 牵引车和挂车)；
3) 铝合金传动轴；
4) 轻量化制动器；
预计未来1 ～ 3年商业应用的2项减重技术如下：
5) 轻量化悬架部件 ( 如铝合金悬架部件、复合材料板簧、轻量化空气悬架)；
6) 轻量化传动部件 ( 如轻量化车桥)；
预计未来4 ～ 8年商业应用的1项减重技术如下：
7) 轻量化车架 ( 铝合金、复合材料等)。
3. 5 轮胎阻力减少技术
已得到商业应用的3项轮胎阻力减少技术如下：
1) 宽基单胎；
2) 减小滚动阻力轮胎配方和设计；
3) 轮胎配方和设计持续改进；
预计未来1 ～ 3年商业应用的1项轮胎阻力减少技术如下：
4) 自动的轮胎充气系统；
预计未来4 ～ 8年商业应用的1项轮胎阻力减少技术如下：
5) 新颖的低滚动阻力轮胎。
3. 6 能量管理技术
已得到商业应用的5项能量管理技术如下：
1) 可预测的GPS巡航控制；
2) 节能驾驶反馈系统；
3) LED灯光系统；
4) 过夜怠速减少 ( 备用能量单元或电池)；
5) 过夜怠速减少系统改进。
预计未来1 ～ 3年商业应用的2项能量管理技术如下：
6) 基于电池的怠速管理系统；
7) 驾驶室热管理；
预计未来4 ～ 8年商业应用的3项能量管理技术如下：
8) 发动机附件和传动系统先进的预测控制；
9) 基于风/天气的巡航控制；
10) 太阳能获取装置。
4 总结和展望
4. 1 美国超级卡车计划总结和未来规划
美国超级卡车计划在美国能源部的组织下，四个项目团队对发动机技术和整车技术的重要领域进行创新性研究，经过6年的努力，达到了发动机热效率提高、油耗下降、货运效率提高的目的。在超级卡车项目研发过程中，各项目团队开发出诸多先进的、前瞻性的技术，并有超过20项节能成果已得到商业应用，其他成果也存在商业化和军事应用前景。该项研究计划在车辆节能领域，对美国和世界各国产生了巨大和深远的影响。
由于第一阶段成效显著，2016年3月，美国能源部宣布启动 “超级卡车”二期计划，出资8000万美元。“超级卡车”二期的目标是以2009年生产的一流重卡为基准，将长途货运效率提高100%，并着重强调技术应用的成本效益以及车辆性能。 “超级卡车”二期计划将进一步利用多种卡车和挂车技术集成，例如发动机效率、传动系统效率的提高，空气阻力、轮胎阻力和车辆质量的降低。
美国能源部还组织建立和研发团队的客户委员会，其由沃尔玛运输团队领导，职责是提供关于货运线路、技术需求、市场进入的信息，旨在 “超级卡车”技术更快地应用于市场。
此外，美国能源部还宣布提供1200万美元资金，集中研究重型卡车的插电式电驱动系统。此项研究的目标是将货运卡车的燃油经济性提高50% ～100%。资金的3个获得者分别是罗伯特博世公司 ( 500万美元) 、康明斯研究和技术公司 (450万美元) 和麦克拉伦性能技术公司 (450万美元) 。
至2016年9月，“超级卡车”一期计划的4个团队再次确认参加二期计划，每个项目团队各分得2000万美元。
在二期计划中，康明斯和彼得比尔特团队的主要研究方向是在空气动力学优化和发动机技术取得更大突破，在所有风向上将空气动力学水平提高15%，研究在时速104km/h的条件下，发动机热效率达到55%或更高的技术。戴姆勒卡车北美公司的主要研究方向是牵引车整车的空气动力学优化、混合动力研究以及发动机配件的电气化。纳威司达公司的主要研究方向是设计并制造更高效率的、电气化的发动机，以及空气动力学水准更高的驾驶室。沃尔沃集团北美公司的主要研究任务是利用新的发动机技术和集成控制技术，制造一款轻量化的牵引车，每吨每英里每加仑的货运效率提高要超过100%。
“超级卡车”计划的每一个合作伙伴都发挥着重要作用，除了整车和发动机企业外，还有伊顿电器集团、普利司通集团、美驰集团以及重要的供应商。美国国家可再生能源实验室 (NationalＲenewable Energy Laboratory) 、普渡大学 (Purdue University) 等也参与其中。
4. 2 展望
我国已对节能环保高度重视，并开始奋起直追。福田戴姆勒提出了超级卡车三步走战略，并推出了欧曼EST超级卡车。中国汽车工程学会组织行业力量愈500位专家历时一年完成了《节能与新能源汽车技术路线图》，技术路线图为《中国制造2025》中的汽车强国目标提供了具体途径和措施，识别出未来15年汽车产业技术发展方向、关键技术及其优先程度，提出了政府和产业界联合推动汽车产业技术创新的框架，为新技术研发和应用提供促进作用。2016年10月26日，《节能与新能源汽车技术路线图》在 2016中国汽车工程学会年会上正式发布，包括总体技术路线图以及节能汽车技术路线图、纯电动和插电式混合动力汽车技术路线图、氢燃料电池汽车技术路线图、智能网联汽车技术路线图、汽车制造技术路线图、汽车动力电池技术路线图、汽车轻量化技术路线图七项专题技术路线图 ( 1 +7) ，低碳化、信息化、智能化作为未来汽车的发展方向已经取得共识。
节能汽车技术路线图中，对于商用汽车提出了总体执行动力总成升级优化、逐步发展混合动力、空气动力学优化、降低运行能耗、替代燃料分担、持续推进轻量化的六大节能技术途径。共提出了12项发展重点：
①先进内燃机燃烧机理研究；
②自主控制系统开发；
③全可变气门技术；
④废热能量回收技术；
⑤发动机热管理技术；
⑥变速器自动化、高效化及核心零部件技术；
⑦低摩擦技术；
⑧增压器与应用技术；
⑨先进燃油喷射技术；
⑩48V系统开发；
⑪混合动力发动机技术；
⑫混合动力机电耦合技术。
节能汽车技术路线图中的技术途径和目标与美国超级卡车计划基本相同。
未来应进一步对超级卡车相关技术成果、项目管理方法开展深入研究，以《节能与新能源汽车技术路线图》为牵引，在国家创新驱动发展战略和军民融合发展战略指导下，开展相适应的技术方向分析和相关技术研究。以新能源汽车和智能网联汽车为主要突破口，以动力系统优化升级为重点，以智能化水平提升为主线，以先进制造和轻量化等共性技术为支撑，全面推进汽车产业由大国向强国的历史转型。
本文来自期刊《车辆与动力技术》
原文作者：姜小燕，张力存，姜苏洋，吴学雷
整理编辑：Zoe
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