如何實現(xiàn)低碳高效的卡車技術

劉勇

1.前言

在世界上每一個重要經(jīng)濟體中，重型車輛運輸業(yè)都成為碳排放量最大或第二大的來源。這些車輛消耗的燃料和CO2排放量可以通過開發(fā)新技術和制訂政策來消減。

美國于2009年開始推動超級卡車計劃，目標是大幅降低重卡油耗水平，提高運輸效率。在第一階段，把發(fā)動機制動熱效率（BTE）提升到50%，燃油經(jīng)濟性提升20%；在第二階段，把發(fā)動機制動熱效率提升至55%，燃油經(jīng)濟性提升30%。

與此同時，歐盟也制訂了“地平線2020”龐大的科技開發(fā)計劃，提出打造網(wǎng)絡互聯(lián)、安全和低碳的商用車。在該計劃的CORE項目中，于2016年底將完成提升發(fā)動機和動力總成效率的目標，在歐V車輛基礎上，把發(fā)動機效率提升15%，同時達到歐Ⅵ排放標準，于2020年得到應用。

國內企業(yè)和科研院所也開始著手這方面的研究。由此可見，世界主要汽車市場的所在國政府和重卡制造商都極為重視這個技術發(fā)展趨勢。如果超級卡車相關技術得到應用，可以減少卡車油耗達30%，對于提升車輛技術競爭力有極大的作用。當然，這些技術也面臨著成本和商業(yè)化問題，在未來時間里，將會逐漸得到解決。

超級卡車項目的目標是開發(fā)和展示最先進和商業(yè)化應用的8級長途牽引車一掛車（指額定車輛總重（GVWR）達到或超過33000磅的8級卡車）節(jié)能技術。據(jù)美國能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)，牽引車一掛車約占在美國道路機動車保有量的2%，卻占車輛行駛總里程的6%，占2013年消耗運輸業(yè)燃料的20%左右。項目開發(fā)團隊的重點是采取措施提高長途8級卡車的整體效率，在卡車行業(yè)中展示效果。項目中開發(fā)的技術被認為是高風險投資，如果不是這個項目的推動，這些先進技術預計不會在未來十年進入市場應用。這份報告總結了超級卡車團隊采用的路線和得到的結果，為美國正在審議的重型車輛效率法規(guī)提供有關技術數(shù)據(jù)，以及可能為其他地區(qū)市場重型車輛能效項目作為參考。

美國超級卡車項目由能源部（DOE）主導，采取費用分攤、公私合作的方式，耗資2.84億美元，旨在加速目前尚未在市場上得到應用的先進節(jié)能技術的開發(fā)，通過政府部門和企業(yè)的共同努力，開發(fā)這些技術，提高卡車運輸效率，使燃油消耗最小化。與2010年的技術相比，到2015年，該項目在整體上使牽引車一掛車貨運效率增加50%，發(fā)動機效率提高了20%（與制動熱效率（BTE）42%的發(fā)動機相比，達到50%制動熱效率），項目目標見表1：

開發(fā)該項目時，形成四支競爭性的開發(fā)團隊。本文對這四支團隊正在進行的工作進行了調查、比較和評估。技術參數(shù)描述、技術結論，以及各個團隊的技術選擇是以美國能源部的公開數(shù)據(jù)分析、項目行業(yè)報告和團隊成員的溝通為基礎。

2.技術路徑

發(fā)動機開發(fā)的BTE基準線為42%，各團隊正在采取不同的方法實現(xiàn)目標。在這里，量化比較并不是絕對的，因為各團隊采用了不同基準車型，并且是在不同的工作循環(huán)下測量的。

大部分研究團隊都已經(jīng)實現(xiàn)了發(fā)動機BTE值達到50%的目標，僅有納威司達稍稍低于這個目標值為49.6%。所有的團隊都已制訂出實現(xiàn)55%BTE的技術途徑?？得魉箞F隊的工作表明，大約可提高22%的發(fā)動機效率（即BTE從42%增加至51%）。至2016年6月止，康明斯、戴姆勒、納威司達和沃爾沃團隊的發(fā)動機BTE值分別達到51.1%、50.2%、49.6%、50.0%，見表2：

對于戴姆勒，燃燒的技術組合包括泵、摩擦、后處理和燃燒改進。對于沃爾沃，泵技術組合包括渦輪增壓帶來的BTE改善，能量回收技術組合僅包括廢熱回收。

各團隊都在繼續(xù)獲得新的進展，這里顯示的是2016年6月取得的成就。比較結果沒有考慮不同的時間進度、優(yōu)先級和速度不同的因素，僅展示完成結果。在研究開發(fā)發(fā)動機技術潛力時，假設基準BTE為42%，1%的絕對改善值意味著新BTE達到43%。

2.1康明斯團隊

發(fā)動機

康明斯的研究和開發(fā)基于15升ISX發(fā)動機，通過發(fā)動機設計、氣體流量優(yōu)化、減少寄生損失后處理系統(tǒng)等改進以及廢熱回收系統(tǒng)的突破，當前已證實發(fā)動機效率目標達到51.1%的BTE（峰值BTE測量點在65英里/小時的平路上獲得，不是瞬時（即FTP）或多模穩(wěn)態(tài)（即SET）循環(huán)工況）。

發(fā)動機設計上的改進包括提高壓縮比、優(yōu)化活塞碗形狀、優(yōu)化和校準噴油器規(guī)格等。這些發(fā)動機設計的改進約有+2%的BTE絕對改善。氣流優(yōu)化改進包括廢氣再循環(huán)（EGR）回路中更低的差壓和增加渦輪增壓器效率。這些氣流優(yōu)化改進約有+2%的BTE絕對改善。

相對于ISX2009年度基準發(fā)動機，項目組通過使用減少摩擦的軸封、可變流量潤滑油泵、小功率冷卻泵和燃油泵，和減少摩擦的齒輪系和氣缸組件，實現(xiàn)了發(fā)動機摩擦減少30%（減少平均摩擦有效壓力（FMEP））。這些機械效率方面的改進對整個發(fā)動機轉速/負荷圖產(chǎn)生的益處，在低負載工況獲得的收益最大。這些減少摩擦改進約有+1%的BTE絕對改善。

圖1所示為康明斯廢熱回收系統(tǒng)，它建立在有機朗肯循環(huán)的基礎上，使用對全球變暖危害小的制冷劑作為工作流體。該系統(tǒng)從EGR冷卻器和發(fā)動機廢氣（熱交換器位于后處理系統(tǒng)下游）回收熱能，把熱能轉換為電能，通過機械裝置聯(lián)接到發(fā)動機曲軸輸出端。展示的發(fā)動機通過低溫冷卻液和潤滑油并行循環(huán)散熱獲得益處。該系統(tǒng)有一個熱交換器，即回熱器，它把渦輪膨脹機后面的熱量傳送回冷凝器前面的工作流體回路中。這個熱交換器降低了冷凝器散熱要求，并提高了整個系統(tǒng)的效率。廢熱回收系統(tǒng)貢獻BTE約+3.6%的絕對提升值。該系統(tǒng)的特點是配備有散熱模塊，能夠在沒有冷卻風扇輔助的情況下，使得廢熱回收冷凝器耐熱水平高于高速公路巡航點時的水平。該系統(tǒng)的一個潛在的缺點是增加了重量（雖然它已經(jīng)降低到大約300磅，即136kg）；該系統(tǒng)還沒有被證明具備商業(yè)化的潛力。

作為發(fā)動機效率和NOx排放之間平衡的結果，發(fā)動機NOx排放為4.3g/bhp-hr（測量SET循環(huán)。典型的美國EPA2010發(fā)動機NOx排放約為3.0g/bhp-hr）。在提高發(fā)動機效率的同時，NOx的增加也有助于被動碳煙再生，并減少柴油微粒過濾器（DPF）主動再生的頻率。因此，為了滿足目前的排放法規(guī)，必須提高NOx后處理系統(tǒng)的效率。這些改進包括優(yōu)化NOx傳感器、閉環(huán)控制、集成廢熱回收熱交換器，以及研發(fā)新的選擇性催化還原（SCR）催化劑的制劑。這些改進使得尾氣中NOx排放水平達到0.08g/bhp-hr。這些后處理系統(tǒng)的改進貢獻大約+0。5%的絕對BTE收益。

實現(xiàn)發(fā)動機55%BTE的路徑包括進一步改進閉環(huán)循環(huán)熱效率（即燃燒）、開環(huán)循環(huán)熱效率（即用泵輸送）、機械效率（即摩擦），和廢熱回收系統(tǒng)的進一步改進。尋找潛在燃料和替代燃油的努力正在展開。該團隊正在研究多種方案，包括柴油預混充氣壓縮點火（PCCI）、柴油低溫燃燒、雙燃料均質充氣壓燃（HCCI）和單替代燃料均質充氣壓燃。主要焦點是縮短燃燒持續(xù)時間（更多預混燃燒），并增加燃燒產(chǎn)物的有效膨脹比率。其他提高發(fā)動機效率的計劃有空氣系統(tǒng)的匹配、燃燒均勻性的研究、廢熱回收集成和可變氣門驅動（VVA）。這些分析路線圖將與零部件的測試數(shù)據(jù)一起更新。

運輸效率

康明斯團隊達成了貨運效率目標，實際駕駛循環(huán)顯示，貨運效率提高了76%。彼得比爾特587型牽引車在65000磅車輛總重（32705磅有效載荷）進行了試驗，據(jù)報告燃油經(jīng)濟性值在9.3～10.2mpg之間?？得魉箾]有采用混合動力，對8級卡車在27個驅動循環(huán)進行的汽車能耗分析表明，慣性和制動能量的貢獻在0-2%范圍內。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可看出混合動力不具有優(yōu)先性。沒有考慮部件的電氣化，因為涉及到不同能量轉換效率的倍增效應（發(fā)動機將燃油能量轉換成發(fā)動機的機械能，機械能在發(fā)電機中轉換成電能，電氣化部件再將電能轉換成機械能）?？得魉箞F隊正在通過聯(lián)合使用先進牽引車一掛車空氣動力學改進、高效先進變速器、載貨車一掛車減重、低滾動阻力輪胎、結合燃油經(jīng)濟性工具的駕駛員顯示、以及行駛路線管理系統(tǒng)共同來達成貨運效率目標。

不考慮駕駛室主體的再設計，通過改進牽引車和掛車的空氣動力學能將貨運效率提高24.9%。值得一提的是，僅這一目標跟改進發(fā)動機提高貨運效率的數(shù)值大約相當（約26%）。作為參考，目前經(jīng)美國環(huán)保署SmartWay認證的掛車（SmartWay認證的空氣動力學技術包括高級掛車間隙降低裝置、掛車裙板、掛車端頭導流板和掛車船型尾翼）能將阻力系數(shù)降低14%，帶來的貨運效率提升約7%。唯一需要說明的是，空氣動力學組件使汽車自重增加了2000磅。這相當于慢速行駛或爬坡時——此時空氣動力學優(yōu)勢低或不存在，汽車搭載了額外的負載。

自重降低能將貨運效率提高約3%。圖2給出了空氣動力學裝置和怠速管理系統(tǒng)（負數(shù)表示自重上升及相應的貨運效率降低）增加的重量怎樣被載貨車和掛車的自重降低抵消。

先進的自動手動變速器將和15L發(fā)動機集成，車輛以巡航速度行駛時，發(fā)動機轉速降低約200RPM。較低的發(fā)動機轉速降低了全功率時的寄生損失，將貨運效率提高約3.5%，低滾動阻力輪胎能將貨運效率提高約3.5%，駕駛員輔助工具和路徑管理系統(tǒng)的使用有望再將貨運效率提高約2.5%。

康明斯聲明了另外一個目標，即在確定的24小時驅動循環(huán)（包括怠速）中使貨運效率提高68%。這不是美國能源部的目標，而是康明斯另外確定的目標。通過系統(tǒng)進一步優(yōu)化和怠速管理系統(tǒng)的使用，有望達成在24小時驅動循環(huán)中整個貨運效率提高76%的目標。

2013年初，利用美國Xpress駕駛員和商業(yè)貨運，德克薩斯舉行950英里的駕駛員接受情況測試。通過該活動從最終用戶處獲得了掛車（裝載和未裝載）空氣動力學裝置和汽車整體驅動性最重要、最有價值的反饋。示范卡車引起了用戶的興趣，盼望將之盡快投產(chǎn)。但商業(yè)可行性要求仍然是量產(chǎn)的障礙。例如需要做些工作提高廢熱回收系統(tǒng)的成本效益，因為預計燃料電池輔助動力裝置的量產(chǎn)和商業(yè)化有困難。該團隊正在為怠速管理尋找合適的替代方案，如鋰離子蓄電池系統(tǒng)。

2.2戴姆勒團隊

發(fā)動機

戴姆勒選擇的基準發(fā)動機是DDl5底特律柴油機。該團隊已經(jīng)用小型化的11升發(fā)動機驗證48.1%的發(fā)動機BTE，該發(fā)動機高速公路巡航時轉速較低。圖3對這種方法進行了說明。減少車輛負載后（改善空氣動力學、降低輪胎滾動阻力以及其他因素，使得圖中功率需求大約減少50馬力），發(fā)動機工作點從點1移動到點2。手自一體變速器的使用，使得在相同功率需求水平下發(fā)動機速度下降300-RPM，工作點從點2移動點3。最后的措施是發(fā)動機小型化（點4是相對于綠色凸曲線；第3點是相對于紅色凸曲線），以使發(fā)動機運轉更接近峰值扭矩，這就是發(fā)動機的最低燃油消耗（和最高BTE）區(qū)域。

壓縮比和峰值燃燒壓力已經(jīng)提高，并且對發(fā)動機活塞碗形狀進行了重新設計。燃燒系統(tǒng)已對熱效率（降低EGR率）進行了重新優(yōu)化，稍微影響了發(fā)動機NOx排放（是15升基準發(fā)動機的3至5倍）。這給后處理系統(tǒng)帶來一些限制，因為必須調整后處理系統(tǒng)的尺寸并降低背壓，以實現(xiàn)發(fā)動機高效率。因為發(fā)動機轉速降低，以及降低了EGR率需求，渦輪增壓器的大小已進行調整，以實現(xiàn)更低流速。

減少寄生負載已在水泵和氣缸組件中實現(xiàn)。美國麻省理工學院（MIT）繼續(xù)研究進一步降低寄生負載，通過改變沖程中問區(qū)域冷卻的襯墊、油路和優(yōu)化泵和采用新的潤滑劑配方來實現(xiàn)。

一種新的可預測型發(fā)動機控制器正在開發(fā)中，它能使發(fā)動機在不同轉速和負載之間轉換時，停留在最佳燃油經(jīng)濟性工作點。這種控制器選擇用寬廣發(fā)動機運行圖搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，優(yōu)化燃料效率（相比基準發(fā)動機達5%的燃料消耗改善）和減少校準復雜性。

有機朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)已經(jīng)證明使用乙醇作為工作流體能夠達到+13%的BTE絕對改善。該系統(tǒng)從發(fā)動機廢氣回收熱量，并使用電動機為電動混合動力驅動系統(tǒng)或高壓電池充電提供動力。另外，從散熱器和進氣中冷回收熱量預計能實現(xiàn)額外的0.7%的BTE絕對改善（總共+2.0%）。附加燃燒系統(tǒng)優(yōu)化、降低寄生負載和降低背壓渦輪增壓器預計可提供1.2%的BTE絕對改善，最終實現(xiàn)3"50%的BTE目標。

對于55%的BTE目標，戴姆勒計劃采用精細校準、減少空氣壓縮機和動力轉向、可能還有渦輪增壓的寄生負荷來獲得+4.5%的BTE絕對改善。廢熱回收系統(tǒng)預計將被改進，以獲得+2.5%的BTE絕對改善。

運輸效率

2009款福萊納Cascadia高頂臥鋪駕駛室被選為戴姆勒的基礎車型。該團隊面臨的一個重要挑戰(zhàn)是將多個新部件和子系統(tǒng)集成到最終車輛上，解決它們的功能和效率之間的平衡問題。圖4給出了8個跨功能的提升超級卡車貨運效率50%的技術領域。2013年中期以來，該團隊使用計算機輔助仿真工具進行開發(fā)設計，也已經(jīng)制造了一個完整的原型樣車。

貨運效率提高50%的技術路線包括牽引車和掛車空氣動力學改進、混合動力傳動系、冷卻系統(tǒng)集成（位于發(fā)動機、廢熱回收和混合系統(tǒng)之間）、低滾動阻力輪胎、預測技術、經(jīng)濟駕駛員反饋、電動空調，和一個燃料電池輔助動力裝置。

因此，已經(jīng)在單系統(tǒng)層面測量了貨運效率提升56.5%，將發(fā)動機效率從42%的制動熱效率提高到48.1%制動熱效率，能使貨運效率提高14.5%，其他16%的提升來源于牽引車和掛車空氣動力學改進，約有一半的降低來源于掛車。動力系和傳動系技術帶來16.5%的提升。這一類包括牽引車和掛車混合系統(tǒng)、變速器、橋、輪端、車輪、低滾動阻力輪胎的優(yōu)化。其中混合系統(tǒng)使用并聯(lián)結構（其中電機位于發(fā)動機和變速器之間）能提供60kW的驅動力。該系統(tǒng)將再生制動能量儲存在3kW蓄電池中，工作電壓為360V。自動手動變速器能使發(fā)動機轉速下降。汽車輕量化提供另外5%的提升。其他技術如能量管理（例如降低怠速）帶來3.5%的提升，降低寄生損失帶來1%的提升。下一步包括將各個子系統(tǒng)集成到整車上，以及超級卡車示范車輛的制造。

開發(fā)的技術中，有些目前可以商業(yè)化應用，有些還存在應用障礙，有些在短期內還無法實現(xiàn)商業(yè)化，見圖5：

2.3納威司達團隊

發(fā)動機

納威司達超級卡車團隊于2010年10月啟動項目后，曾于2012年10月暫停，解決生產(chǎn)問題，2014年4月重啟超級卡車活動，將于今年9月完成目標。該團隊已經(jīng)展示了49.6%的發(fā)動機BTE。納威司達的基準發(fā)動機為13升M～LxxForce發(fā)動機，BTE為42.15%。燃燒系統(tǒng)采用更高壓縮比、更高峰值氣缸壓力（220bar）和運行在2900bar的共軌噴射系統(tǒng)（+3%的BTE絕對改善），增強其效果。改進空氣系統(tǒng)（與VVA共同發(fā)揮作用）和兩級渦輪增壓器的應用可以進一步增加+1%的BTE絕對改善。采用電動變速油泵和水泵，可以減少發(fā)動機摩擦，增加+1%的BTE絕對改善。電控渦輪增壓（渦輪/發(fā)電機反饋電力到電動機，后者聯(lián)接到發(fā)動機輸出軸）可以增加+1.5%的BTE絕對改善。

由于復雜性、重量和有機朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)預計投資回收期較長，該團隊決定不把這些技術納入50%的BTE目標。相反，減少摩擦部件摩擦被采用，還采用了下一代渦輪增壓系統(tǒng)和再優(yōu)化燃燒技術。納威司達是唯一介紹了技術成本信息的團隊，見表3。其最終項目方案顯示，上述發(fā)動機技術的平均預期投資回收期在1年以內。然而，混合動力系統(tǒng)的預計投資回收期信息沒有給出。需要注意的是，其最終預測顯示，其相對改善為17.4%，BTE目標為49.6%。這些改善值加起來沒有達到50%BTE的最終目標。

納威司達達成55%BTE的方法基于反應性控制壓燃（RCCI）概念，由阿貢國家實驗室開發(fā)。目前工作重點放在與乙醇/汽油和柴油的混合物進行低溫燃料的燃燒反應測試。獲得的最佳BTE已達45.1%（僅從燃燒角度分析，并展望47%的BTE），具有更好的PM和NOx發(fā)動機排放控制。納威司達的后處理方案目標是發(fā)動機排放低于lg/bhp-hr氮氧化物和0.02g/hhp-hr顆粒物，允許使用約80%的SCR轉化率。目前的目標是氮氧化物低于0.15g/bhp-hr的水平下。獲得BTE達47%以上。另外實現(xiàn)55%BTE效率展示路徑有進一步降低發(fā)動機摩擦渦輪、優(yōu)化渦輪增壓、VVA，以及可能的基于有機朗肯循環(huán)的余熱回收系統(tǒng)。

運輸效率

納威司達團隊選擇用混合動力和牽引車一掛車空氣動力學特性改善提高汽車貨運效率。阿文美馳混合動力系使用雙模式結構（串聯(lián)，并聯(lián)結構）省去了離合器，見圖6。汽車速度低于50mpg時，將以串聯(lián)模式行駛（即僅使用電動動力行駛）；速度更大時，則轉換到并聯(lián)模式。該系統(tǒng)使用高功率（350kW，750V）液體冷卻的鋰離子蓄電池，容量為28kWh。這一雙模式系統(tǒng)允許柴油機在接近峰值熱效率的操作點持續(xù)工作，不管是給蓄電池充電還是通過兩速超速檔變速器給主動軸提供動力。

設計該系統(tǒng)時，盡量降低尺寸和重量，最終其尺寸和重量與傳統(tǒng)變速器（帶離合器）相當。該系統(tǒng)也給電動輔助裝置（如動力轉向液體泵、空壓機和空調壓縮機）提供動力。該輕量化的混合動力系能將貨運效率提升約6%（納威司達用于驗證的試驗循環(huán)包括75%公路循環(huán)和25%城市道路循環(huán)。如果應用更多的城市驅動循環(huán)，混合系統(tǒng)的潛在節(jié)省將增加到約10%。仿真表明，瞬態(tài)驅動循環(huán)時，貨運效率提升為15-25%。）。

納威司達還開發(fā)了許多空氣動力學改進的、按比例縮小的樣車模型，并在風洞中進行了試驗。通過載貨車和掛車改進，空氣動力學阻力有望降低42%（換句話說，概念車的貨運效率大約提升21%）。納威司達正在研究載貨車的后置發(fā)動機概念，使用后置發(fā)動機，可以將駕駛員和風窗前移，允許改進車身的空氣動力學形狀。美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室正在開發(fā)空氣動力學掛車概念。圖7給出了納威司達在牽引車和掛車的空氣動力學提升情況。

除混合動力和空氣動力學改進之外，納威司達還開發(fā)了預測性循環(huán)控制系統(tǒng)，預測性巡航控制系統(tǒng)使用地圖上的高度數(shù)據(jù)和GPS定位預測前路上的上坡和下坡。據(jù)稱，該系統(tǒng)能將燃油經(jīng)濟性提高3～10%。

該團隊已經(jīng)制造并試驗了第一輛使用混合動力系統(tǒng)的原型樣車。第二輛車還使用了其他技術如渦輪復合技術、主動鞍座技術、乘坐高度自動調節(jié)技術、6×2后橋、盤式制動器，而且空氣動力學掛車已經(jīng)裝配好，但還未經(jīng)過試驗。項目末期時，該團隊計劃制造第3輛超級卡車最終示范車。

綜上所述，納威司達在該項目中使用了以下技術，見圖8。

2.4沃爾沃

項目分為兩個階段進行，見表4：

第一階段（2011-2013年），識別這些技術和理念，進行概念選擇，基礎發(fā)動機測試、相關技術開發(fā)、概念評估，在中期時間里最大程度提高貨運效率和投資回報率。

第二階段（2014-2016年），進一步深化第一階段選擇的先進概念，進行技術改進、驗證、發(fā)動機試驗、整合、底盤演示、優(yōu)化和車輛展示等，把新技術整合到展示車輛中，把最成熟的技術商業(yè)化，獲得可接受的投資回報率。

發(fā)動機

沃爾沃動力傳動系統(tǒng)采用“正確尺寸”的方法，其中小型化、發(fā)動機降速用于在發(fā)動機曲線圖中高熱效率區(qū)域的運行。圖中點1表示為基準車輛典型道路負載條件。隨著車輛水平的改進，如空氣動力學和低滾動阻力輪胎降低對負荷的要求，發(fā)動機運行移向點2。發(fā)動機降速移向點3，通過改變變速箱，驅動軸的齒輪比來實現(xiàn)。最后，發(fā)動機小型化使工作點移向點4，位于小型發(fā)動機運行圖的峰值效率區(qū)域附近，見圖9：

沃爾沃11升發(fā)動機還采用其它一些技術，例如減小動力氣缸機構的摩擦、高壓燃料噴射系統(tǒng)、改進燃燒室、改進后處理系統(tǒng)，以及改進潤滑油和冷卻回路。相較于其他團隊，沃爾沃正在計劃實施渦輪增壓和廢熱回收這兩項技術。該廢熱回收系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，為提供路況多變的公路駕駛提供穩(wěn)態(tài)控制。初步測試已經(jīng)超出了預期，廢熱回收涵蓋77%的時間，包括短暫的公路駕駛循環(huán)的暖車。2014年，研究團隊已經(jīng)在實驗室驗證動力傳動系統(tǒng)達到48%BTE，比計劃提前1.5年。用于道路評估的底盤安裝正在進行，預計燃油經(jīng)濟性改善達10%左右。在圖3中，渦輪增壓的益處都包含在“泵”組合中，因此“能量回收”組合只包括廢熱回收。渦輪增壓和有機朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)通過機械方式連接到發(fā)動機輸出軸。

沃爾沃針對55%BTE的目標，工作集中在研究創(chuàng)新發(fā)動機配置和燃燒模式。完整的戰(zhàn)略正在細化中，建立在項目第一階段平行調查結果的基礎上。賓夕法尼亞州立大學正在研究多種燃料的先進燃燒。初期發(fā)動機試驗達到51%的BTE，采用混合模式HCCI（均質充量壓燃）燃燒，用20%的二甲醚（DME）能源替代和30%的丙烷能源替代。接下來的步驟包括全發(fā)動機仿真，以及持續(xù)的研究發(fā)動機測試，以驗證概念。

運輸效率

由于超級卡車項目的驅動，帶來一系列的技術提升：車頂整流罩、外張的底盤整流罩、空氣動力學優(yōu)化的保險杠、車尾整流罩優(yōu)化、車廂裙部優(yōu)化、間隙整流罩優(yōu)化、LED前大燈、LED車內照明、6×2軸配置、鋁傳動軸、發(fā)動機寄生損失減少等，見圖10：

沃爾沃將貨運效率提高50%的方法依賴整車技術集成，使用仿真來預測部件提升對整車效率提升的作用，以識別和評估最有希望的技術。這些仿真表明空氣動力學的改進和滾動阻力的降低會導致下坡時需要更大的制動力來控制汽車速度。預測性汽車控制裝置和扭矩管理工具也許可以解決這一問題。經(jīng)過長途驅動循環(huán)分析之后，沃爾沃團隊考慮到重量和成本等問題，決定不采用完全混合動力系統(tǒng)。但是，沃爾沃團隊正在評估各種能量回收系統(tǒng)（可能包括某種形式的微混），以利用額外的制動能量。

通過計算機流體動力學仿真優(yōu)化整車幾何尺寸（牽引車和掛車），以平衡動力系統(tǒng)冷卻和空氣動力學的要求。圖11給出了沃爾沃的空氣動力學概念?？諝鈩恿W阻力降低20%，則貨運效率提升10%，道路試驗已經(jīng)驗證了這一點。阻力降低目標被設定為40%（貨運效率提升約16%）。低滾動阻力輪胎的使用目標是（與基礎車輛相比）將負載降低20%，帶來貨運效率提升約5%。

該團隊計劃使用雙離合器變速器，扭矩中斷更少，換擋過程瞬態(tài)作用更少。使用該變速器能使發(fā)動機轉速降低，從而提高燃油效率。因為通過保持渦輪增壓器增壓，不斷開傳動系，發(fā)動機能保持扭矩，允許在更低的發(fā)動機轉速巡航。正在研究的項目還有“智能”6×2車橋結構，它能通過降低運動部件和嚙合齒輪的數(shù)目而降低寄生負載和重量。

該團隊正在研究降低載貨車自重的各種設計，以彌補新技術裝置（如空氣動力學裝置、廢熱回收裝置、渦輪復合裝置）帶來的重量上升。新概念車架、輕量化懸架、鋁車輪、頂棚復合材料、發(fā)動機尺寸下降和6×2車橋有望提供同等的重量降低。

沃爾沃計劃將輔助負載降低25%。在這些方法中，新LED燈帶來的燃油節(jié)省超過100加侖/年·車。（假如每年行駛12萬英里，燃油效率為6mpg，100加侖/年占到總燃油消耗的0.5%）。集成能量管理和預測巡航控制也有望提高汽車效率。沃爾沃正在概念車上嘗試使用概念動力系，下一步是進行路試來驗證整車性能。

3.面臨挑戰(zhàn)

3.1研發(fā)政策

汽車業(yè)需要公共部門和私營部門共同投資和努力，才能達成長期經(jīng)濟效益和環(huán)境目標。

私營企業(yè)研發(fā)投資通過以短期研發(fā)為目標，要求短期內回報率較高（如增加銷量或市場份額）。投資長期技術涉及到的風險（可能或不可能獲得商業(yè)成功）阻礙私營企業(yè)投資于技術開發(fā)?？紤]到這一點，不寄望于僅靠私營部門就完成所需的改變。

公共部門的目標如能源安全、經(jīng)濟效率、環(huán)境保護需要長期的、確定技術優(yōu)先性和政策方向的研發(fā)戰(zhàn)略。在基本研發(fā)和應用研發(fā)的最初階段，和在預先競爭力演示和商業(yè)化的第二階段相比，政府的作用更大。超級卡車項目成本分擔使得國營單位和私營企業(yè)通過分擔長期研發(fā)的風險，鼓勵私營企業(yè)參與，促進技術開發(fā)與示范運營的過程。

該項目的另一個有利特性是其“系統(tǒng)級”方法，它以更廣泛的形式使商用車行業(yè)受益。許多制造商和供應商以多種程度參與，并在多個領域如發(fā)動機、變速器、控制裝置、空氣動力學裝置、輪胎、集成掛車設計、輕量化材料、后處理裝置和怠速降低裝置等進行技術開發(fā)的合作。

3.2項目困難

各超級卡車項目團隊都遇到了需要解決的問題和克服的障礙。

重量與封裝

節(jié)油技術如空氣動力學導流罩和廢熱回收系統(tǒng)會增加汽車自重，影響燃油效率。為避免汽車有效載荷的改變，一個重要挑戰(zhàn)是降低整車重量以適應這些技術，而不影響這些技術帶來的好處。某些團隊提到他們最后的示范車輛能降低一些重量，但幅度并不大。另一個相關問題是需要附加部件的正確組合，比如不影響設計限制條件或汽車空氣動力學特性，例如廢熱回收系統(tǒng)的熱交換器或混合蓄電池組。

系統(tǒng)集成

不同系統(tǒng)之間存在復雜的相互依賴性，使得在汽車上正確集成這些系統(tǒng)還面臨著挑戰(zhàn)。建模和仿真起著主要作用，這已用于理論分析，并將分析結果用于制造原型樣車前的概念驗證。作為主要集成問題的例子，優(yōu)化發(fā)動機提高燃油經(jīng)濟性和降低NOx排放之間有此消彼長的關系，這需要SCR系統(tǒng)轉換效率更高（SCR系統(tǒng)中使用的車用尿素，即尿素水溶液DEF，會增加車輛運營成本。車用尿素消耗量約為柴油消耗量的2%～5%。當前每加侖車用尿素成本是每加侖燃油成本的70%-90%）。同時后處理系統(tǒng)需要燃油效率高的熱管理，因為發(fā)動機效率更高能降低排氣溫度（在低負載和冷氣候條件下，與SCR系統(tǒng)運營相關的NOX排放高）。這一固有的、發(fā)動機效率和NOx排放之間的此消彼長的關系需要找到平衡點，使發(fā)動機最終能實現(xiàn)排放達標，同時整體效率和成本效益最大化。峰值發(fā)動機熱效率經(jīng)常出現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)條件下，這樣對后處理系統(tǒng)有利。發(fā)動機試驗時進行排放達標測量（瞬態(tài)FTP和多模式穩(wěn)態(tài)發(fā)動機試驗SET），在用車不超過這個數(shù)值時進行試驗，希望這些試驗能解釋瞬態(tài)特性和排放溫度更低的區(qū)域）。

另一個重要的集成問題是，汽車設計師在設計更好的空氣動力學特性卡車時不能忽視掛車形狀。即使牽引車的空氣動力學特性得到優(yōu)化，空氣動力學特性不好的掛車也會影響該車的整體效率。牽引車一掛車完全集成是達成汽車效率目標的主要路徑。

其他一些集成問題：

廢熱回收和渦輪復合對排氣（和后處理催化裝置）溫度和冷卻的要求。

發(fā)動機效率提升和汽車負載降低對排氣溫度以及廢熱回收和渦輪復合的能量可獲取性的作用；

冷卻裝置和空氣動力學裝置之問的熱和流體動力學折衷（如廢熱回收系統(tǒng)需要加大散熱，但是冷卻裝置放置在更小的發(fā)動機艙中，有助于降低汽車的空氣動力學阻力）；

發(fā)動機、輔助裝置、混合系統(tǒng)、先進變速器、廢熱回收系統(tǒng)和后處理裝置的關鍵瞬態(tài)參數(shù)的集成控制。

最終用戶接受情況

當將這些技術應用在汽車上，可能會有終端用戶體驗問題，所以可能會有以下討論：

發(fā)動機轉速降低帶來的動力系振動和噪音問題；

更緊湊、轉速更低的發(fā)動機使用“發(fā)動機制動”帶來的安全與可靠性問題；

廢熱回收系統(tǒng)用乙醇作為工作液體帶來的安全隱患；

空氣動力學改進帶來的操作困難。例如使用掛車裙板，輪胎和傳動系進行機械檢查更難；掛車車門處使用船型尾翼會妨礙裝貨和卸貨。如果牽引車一掛車間隙降低，卡車操控性可能會受影響；

駕駛員對先進變速器和動力系的接受程度。

成本效益性和商業(yè)化

雖然該項目的目標包括開發(fā)可商業(yè)化的技術，但是缺少成本信息。只有一個團隊給出了預計技術投資回收期。提高燃油效率的技術如果尚未成熟或成本太高，則商業(yè)化可能是個問題。不是所有該項目過程中開發(fā)的技術都具有短期內實現(xiàn)商業(yè)化的可行性。某些技術還在原型階段或者仍需要其他領域的開發(fā)，以提升可行性（例如電儲存技術的改進能促進部件的電氣化和混合系統(tǒng)的使用）。尚處于早期開發(fā)階段的技術還沒有證明在各種環(huán)境和應用情況（如該車使用壽命超過100萬英里）大范圍應用的可行性。然而，項目成果對確定哪項技術非常有希望、應該優(yōu)先開發(fā)的判斷非常有用。

最近公布的項目益處分析報告的結論是：如果技術成本和燃油價格有利，超級卡車技術對市場滲透會比較大，2020年估計在19%～59%之間，2050年估計在36%～73%之間（研究兩個技術平臺，即混合平臺和非混合平臺，兩個汽車成本增加案例（高、低），兩個油價案例（高和低），涵蓋了研究的最低和最高市場潛力案例）。按照保守估計，超級卡車技術的目標是至2050年降30%的燃油消耗和溫室氣體排放，節(jié)約60億桶油。smartWay認證將有助于最有希望的技術進入市場。

大多數(shù)團隊認為成本效益最高的技術是那些與空氣動力學有關的技術，特別是改善掛車空氣動力學的技術。其他準備好投入生產(chǎn)且能立即帶來節(jié)省的技術是6×2雙聯(lián)橋和低滾動阻力輪胎（結合自動充氣系統(tǒng)）。關注這些應用類型很重要，因為成本效益性計算建立在預計循環(huán)周期和汽車每年行駛里程的基礎上。該項目開發(fā)的某些技術僅用于長途行駛車輛，用于其他類型車輛也許沒有可行性。最佳卡車技術規(guī)范是針對具體工作循環(huán)、卡車整個生命周期都用這一工作循環(huán)工作的技術規(guī)范。

4.結論

超級卡車項目能確保新技術的開發(fā)，這些新技術對達成能源、環(huán)境、經(jīng)濟等目標很重要。美國能源部承擔了相當多的研發(fā)費用，否則，沒有機構有能力或者愿意獨自承擔這么大的研發(fā)費用。

經(jīng)過評估，發(fā)現(xiàn)每個團隊在通往項目目標的路上都取得了長足的進步。特別是四個團隊都達成了牽引車一掛車車隊目標——50%貨運效率提升。這些超級卡車項目研究結果表明，整車道路運輸效率有了很大提升。該項目的結果為（例如相當于將滿載的牽引車一掛車在公路巡航速度時的）燃油經(jīng)濟性從約6～7mpg提高到約9～10.5mpg（即，相對于百公里油耗從33.6～39.2升減少到22.4～26.1升）。

除了超級卡車團隊的整車目標取得了成功，發(fā)動機開發(fā)目標也取得了類似的成功?；仡櫚l(fā)動機開發(fā)進展，所有團隊都實現(xiàn)了發(fā)動機BTE達到或接近50%的發(fā)動機熱效率目標。所有團隊已經(jīng)制訂達成55%發(fā)動機BTE目標的技術路徑。

這樣的研究先進效率技術的綜合項目意義深遠。重型車行業(yè)是高度全球化的行業(yè)，許多技術在很大程度是可以得到應用的，而且可以根據(jù)市場情況進行調整。超級卡車項目的全球制造商和供應商推進了發(fā)動機、變速器、控制裝置、空氣動力學裝置、輪胎、一體式掛車設計、輕量化材料、后處理裝置以及怠速降低裝置的技術進步。這些技術的推廣目前還受到限制，但是，政府與企業(yè)的合作加快了這些技術的推廣，使之能夠更快地得到應用。

有關先進效率技術在市場上的可行性的其他實踐活動和市場因素，正在進一步的調研。只有當該技術進入市場或者獲得商業(yè)化成功，研發(fā)投資帶來的好處才能實現(xiàn)。因此，檢查各個超級卡車技術用于更大批量的重型車車隊是否具備成本效益和商業(yè)可行性很重要，理解各個系統(tǒng)集成、重量和組件以及終端用戶接受度問題很重要。目前超級卡車項目第一階段已基本結束，達到設定目標；從目前起到2020年期間，超級卡車項目開發(fā)將處于第二階段，筆者將持續(xù)為大家介紹項目的開發(fā)進展情況，以及已開發(fā)技術的商業(yè)化應用進展。

參考資料：美國能源部對超級卡車項目的相關報道。