超級(jí)卡車(chē)計(jì)劃及相關(guān)技術(shù)分析

姜小燕, 張力存, 姜蘇洋, 吳學(xué)雷

(1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2.火箭軍駐濟(jì)南地區(qū)軍事代表室，濟(jì)南，250031；3.火箭軍駐211廠軍事代表室，北京，100076)

2009年，美國(guó)能源部宣布：將在2010年～2015年針對(duì)第8類重型牽引車(chē)和掛車(chē)開(kāi)展旨在提高運(yùn)輸效率、提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的技術(shù)研究計(jì)劃，即“超級(jí)卡車(chē)”計(jì)劃.為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國(guó)能源部與部分世界領(lǐng)先的卡車(chē)生產(chǎn)企業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)廠商合作、共同出資，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和整車(chē)技術(shù)的重要領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性研究，使得發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高、油耗下降、貨運(yùn)效率提高.

據(jù)美國(guó)能源部的估計(jì)，第8類重型牽引車(chē)(最大總質(zhì)量超過(guò)15噸)每年消耗28億加侖燃油，約占總運(yùn)輸能耗的22%.重型卡車(chē)油耗的控制對(duì)于美國(guó)節(jié)約物流成本和石油資源至關(guān)重要.美國(guó)在2010年1月1日開(kāi)始實(shí)施的EPA2012法規(guī)，規(guī)定的卡車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)比歐六嚴(yán)格，堪稱全球最嚴(yán)的排放法規(guī).“超級(jí)卡車(chē)”計(jì)劃在這樣的背景下誕生，并力圖繼續(xù)降低美國(guó)重型卡車(chē)的油耗和排放，為更進(jìn)一步的排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施打下基礎(chǔ).

1 “超級(jí)卡車(chē)”計(jì)劃概況

1.1 研究目標(biāo)

“超級(jí)卡車(chē)”計(jì)劃主要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)節(jié)能目標(biāo)：

1)車(chē)輛貨運(yùn)效率提高50%

開(kāi)發(fā)和演示相關(guān)技術(shù)，通過(guò)每加侖噸公里油耗測(cè)量，與2009年一流的第8類半掛汽車(chē)列車(chē)相比較，車(chē)輛長(zhǎng)途貨運(yùn)效率提高50%.該目標(biāo)通過(guò)典型的第8類半掛汽車(chē)列車(chē)整車(chē)長(zhǎng)途運(yùn)輸試驗(yàn)循環(huán)來(lái)演示.

作為非強(qiáng)制性目標(biāo)，通過(guò)典型的第8類半掛汽車(chē)列車(chē)整車(chē)24 h使用循環(huán)來(lái)演示(包括夜間用電)，實(shí)現(xiàn)24 h使用循環(huán)車(chē)輛貨運(yùn)效率提高68%.

2)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到50%

開(kāi)發(fā)一款在高速公路巡航條件下熱效率達(dá)到50%的發(fā)動(dòng)機(jī)(較2009年發(fā)動(dòng)機(jī)的42%熱效率提高約20%).該目標(biāo)通過(guò)水平路面65 m/h時(shí)速的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載試驗(yàn)來(lái)演示.

3)展示發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到55%的技術(shù)途徑

通過(guò)建模和分析，識(shí)別和評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到55%的潛在方法和技術(shù)路線.

1.2 研究團(tuán)隊(duì)及研究周期和經(jīng)費(fèi)

研究工作由能源部牽頭，從北美主流重卡制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)中甄選和競(jìng)標(biāo)，先期確定3個(gè)團(tuán)隊(duì)，沃爾沃遲一年加入，共4個(gè)團(tuán)隊(duì)：

◇康明斯和彼得比爾特(Cummins & Peterbilt)

◇戴姆勒和底特律柴油機(jī)(Daimler Trucks North Amercia &Detroit Diesel Corporation)

◇納威司達(dá)(Navister)

◇沃爾沃(Volvo Technology of America)

研究周期和經(jīng)費(fèi)情況見(jiàn)表1.

表1 研究周期和經(jīng)費(fèi)情況

1.3 項(xiàng)目完成情況

4個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)均完成了演示樣車(chē)和樣機(jī)的研制和試驗(yàn)，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，項(xiàng)目完成情況見(jiàn)表2，圖1為長(zhǎng)途貨運(yùn)效率對(duì)比.

表2 項(xiàng)目完成情況

續(xù)表2

圖1 長(zhǎng)途行駛循環(huán)貨運(yùn)效率提高對(duì)比

2 技術(shù)途徑分析

2.1 能量損失分析

節(jié)能的主要技術(shù)途徑是減少車(chē)輛各系統(tǒng)的能量消耗、提高運(yùn)行效率，經(jīng)康明斯和彼得比爾特團(tuán)隊(duì)的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析，第8類重型牽引車(chē)和掛車(chē)車(chē)輛主要能量損失占比見(jiàn)表3.

表3 車(chē)輛能量損失占比

2.2 目標(biāo)分解

針對(duì)減少能量損失的總目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)提出了減少能耗的5大技術(shù)目標(biāo)，具體內(nèi)容見(jiàn)表4.

表4 減少能耗的5大技術(shù)目標(biāo)

2.3 主要技術(shù)差異性對(duì)比

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依據(jù)各自的技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)采取各具特點(diǎn)的技術(shù)方案，既存在一致性，也具有差異化，主要技術(shù)差異在發(fā)動(dòng)機(jī)減小體積、發(fā)動(dòng)機(jī)降速、變速器、混合動(dòng)力、朗肯循環(huán)、渦輪增壓等方面，詳見(jiàn)表5.

表5 主要技術(shù)差異對(duì)比

3 超級(jí)卡車(chē)新技術(shù)及應(yīng)用前景評(píng)估

超級(jí)卡車(chē)計(jì)劃共牽引出60項(xiàng)新技術(shù)，涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化、傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)、空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)、減重、輪胎阻力減少、能量管理等6個(gè)方面，各自的數(shù)量和占比見(jiàn)圖2.其中31項(xiàng)技術(shù)已得到商業(yè)應(yīng)用、16項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)未來(lái)1～3年得到商業(yè)應(yīng)用、13項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)未來(lái)4～8年得到商業(yè)應(yīng)用.

圖2 各類新技術(shù)數(shù)量和占比

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的9項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)如下：

1)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

2)智能化扭矩管理；

3)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱一體化控制；

4)摩擦損失減小(潤(rùn)滑、材料和涂層)；

5)寄生損失減小(發(fā)動(dòng)機(jī)附件)；

6)改進(jìn)常規(guī)燃燒；

7)改進(jìn)后處理；

8)改進(jìn)進(jìn)氣處理(廢氣再循環(huán)，渦輪增壓)；

9)合成機(jī)油；

預(yù)計(jì)未來(lái)1～3年商業(yè)應(yīng)用的4項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)如下：

10)高壓燃油噴射系統(tǒng)；

11)改進(jìn)燃燒(如活塞碗設(shè)計(jì))；

12)進(jìn)氣處理的未來(lái)改進(jìn)(渦輪增壓，廢熱再循環(huán))；

13)電動(dòng)附件(如水泵、冷卻風(fēng)扇等)；

預(yù)計(jì)未來(lái)4～8年商業(yè)應(yīng)用的3項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化技術(shù)如下：

14)廢熱回收；

15)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制；

16)耐更高峰值氣缸壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料.

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的8項(xiàng)傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)如下：

1)自動(dòng)換擋變速箱；

2)可預(yù)測(cè)的變速箱換擋；

3)變速箱速比優(yōu)化用于降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

4)變速箱/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化；

5)6 x 2車(chē)橋；

6)空擋下坡；

7)減少寄生功率(潤(rùn)滑和變速箱設(shè)計(jì))；

8)改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑，減少摩擦；

預(yù)計(jì)未來(lái)1～3年商業(yè)應(yīng)用的2項(xiàng)傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)如下：

9)雙離合自動(dòng)換擋變速箱；

10)減少摩擦的齒輪涂層和潤(rùn)滑；

預(yù)計(jì)未來(lái)4～8年商業(yè)應(yīng)用的2項(xiàng)傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)如下：

11)電動(dòng)附件(如電動(dòng)渦輪增壓器、48V電機(jī)/發(fā)電機(jī)、帶離合器的空氣壓縮機(jī)、帶離合器的轉(zhuǎn)向油泵等)；

12)混合動(dòng)力(如混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力怠速管理等).

3.3 空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的2項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)技術(shù)如下：

1)牽引車(chē)保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)以及駕駛室頂、底盤(pán)、牽引車(chē)與掛車(chē)間整流罩；

2)掛車(chē)側(cè)面裙邊、錐型尾、掛車(chē)與牽引車(chē)間整流罩；

預(yù)計(jì)未來(lái)1～3年商業(yè)應(yīng)用的5項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)技術(shù)如下：

3)掛車(chē)全部裙邊(包括車(chē)輪)、表面導(dǎo)流設(shè)計(jì)；

4)空氣動(dòng)力學(xué)主動(dòng)特性(格柵式百葉窗等)；

5)牽引車(chē)表面空氣動(dòng)力學(xué)特性的更大面積的再設(shè)計(jì)(駕駛室、頂棚等)；

6)牽引車(chē)和掛車(chē)車(chē)體下部的空氣動(dòng)力學(xué)特性；

7)牽引車(chē)/掛車(chē)間隙減少；

預(yù)計(jì)未來(lái)4～8年商業(yè)應(yīng)用的3項(xiàng)空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)技術(shù)如下：

8)攝像頭替代后視鏡；

9)牽引車(chē)與掛車(chē)間隙主動(dòng)開(kāi)閉；

10)牽引車(chē)和掛車(chē)重新布置來(lái)減小風(fēng)阻(如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱位置等).

3.4 減重技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的4項(xiàng)減重技術(shù)如下：

1)鋁合金鞍座；

2)鋁合金車(chē)輪(牽引車(chē)和掛車(chē))；

3)鋁合金傳動(dòng)軸；

4)輕量化制動(dòng)器；

預(yù)計(jì)未來(lái)1～3年商業(yè)應(yīng)用的2項(xiàng)減重技術(shù)如下：

5)輕量化懸架部件(如鋁合金懸架部件、復(fù)合材料板簧、輕量化空氣懸架)；

6)輕量化傳動(dòng)部件(如輕量化車(chē)橋)；

預(yù)計(jì)未來(lái)4～8年商業(yè)應(yīng)用的1項(xiàng)減重技術(shù)如下：

7)輕量化車(chē)架(鋁合金、復(fù)合材料等).

3.5 輪胎阻力減少技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的3項(xiàng)輪胎阻力減少技術(shù)如下：

1)寬基單胎；

2)減小滾動(dòng)阻力輪胎配方和設(shè)計(jì)；

3)輪胎配方和設(shè)計(jì)持續(xù)改進(jìn)；

預(yù)計(jì)未來(lái)1～3年商業(yè)應(yīng)用的1項(xiàng)輪胎阻力減少技術(shù)如下：

4)自動(dòng)的輪胎充氣系統(tǒng)；

預(yù)計(jì)未來(lái)4～8年商業(yè)應(yīng)用的1項(xiàng)輪胎阻力減少技術(shù)如下：

5)新穎的低滾動(dòng)阻力輪胎.

3.6 能量管理技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的5項(xiàng)能量管理技術(shù)如下：

1)可預(yù)測(cè)的GPS巡航控制；

2)節(jié)能駕駛反饋系統(tǒng)；

3)LED燈光系統(tǒng)；

4)過(guò)夜怠速減少(備用能量單元或電池)；

5)過(guò)夜怠速減少系統(tǒng)改進(jìn).

預(yù)計(jì)未來(lái)1～3年商業(yè)應(yīng)用的2項(xiàng)能量管理技術(shù)如下：

6)基于電池的怠速管理系統(tǒng)；

7)駕駛室熱管理；

預(yù)計(jì)未來(lái)4～8年商業(yè)應(yīng)用的3項(xiàng)能量管理技術(shù)如下：

8)發(fā)動(dòng)機(jī)附件和傳動(dòng)系統(tǒng)先進(jìn)的預(yù)測(cè)控制；

9)基于風(fēng)/天氣的巡航控制；

10)太陽(yáng)能獲取裝置.

4 總結(jié)和展望

4.1 美國(guó)超級(jí)卡車(chē)計(jì)劃總結(jié)和未來(lái)規(guī)劃

美國(guó)超級(jí)卡車(chē)計(jì)劃在美國(guó)能源部的組織下，四個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和整車(chē)技術(shù)的重要領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性研究，經(jīng)過(guò)6年的努力，達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高、油耗下降、貨運(yùn)效率提高的目的.在超級(jí)卡車(chē)項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中，各項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出諸多先進(jìn)的、前瞻性的技術(shù)，并有超過(guò)20項(xiàng)節(jié)能成果已得到商業(yè)應(yīng)用，其他成果也存在商業(yè)化和軍事應(yīng)用前景.該項(xiàng)研究計(jì)劃在車(chē)輛節(jié)能領(lǐng)域，對(duì)美國(guó)和世界各國(guó)產(chǎn)生了巨大和深遠(yuǎn)的影響.

由于第一階段成效顯著，2016年3月，美國(guó)能源部宣布啟動(dòng)“超級(jí)卡車(chē)”二期計(jì)劃，出資8 000萬(wàn)美元.“超級(jí)卡車(chē)”二期的目標(biāo)是以2009年生產(chǎn)的一流重卡為基準(zhǔn)，將長(zhǎng)途貨運(yùn)效率提高100%，并著重強(qiáng)調(diào)技術(shù)應(yīng)用的成本效益以及車(chē)輛性能.“超級(jí)卡車(chē)”二期計(jì)劃將進(jìn)一步利用多種卡車(chē)和掛車(chē)技術(shù)集成，例如發(fā)動(dòng)機(jī)效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率的提高，空氣阻力、輪胎阻力和車(chē)輛質(zhì)量的降低.

美國(guó)能源部還組織建立和研發(fā)團(tuán)隊(duì)的客戶委員會(huì)，其由沃爾瑪運(yùn)輸團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)，職責(zé)是提供關(guān)于貨運(yùn)線路、技術(shù)需求、市場(chǎng)進(jìn)入的信息，旨在“超級(jí)卡車(chē)”技術(shù)更快地應(yīng)用于市場(chǎng).

此外，美國(guó)能源部還宣布提供1 200萬(wàn)美元資金，集中研究重型卡車(chē)的插電式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).此項(xiàng)研究的目標(biāo)是將貨運(yùn)卡車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高50%～100%.資金的3個(gè)獲得者分別是羅伯特博世公司(500萬(wàn)美元)、康明斯研究和技術(shù)公司(450萬(wàn)美元)和麥克拉倫性能技術(shù)公司(450萬(wàn)美元).

至2016年9月，“超級(jí)卡車(chē)”一期計(jì)劃的4個(gè)團(tuán)隊(duì)再次確認(rèn)參加二期計(jì)劃，每個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)各分得2 000萬(wàn)美元.

在二期計(jì)劃中，康明斯和彼得比爾特團(tuán)隊(duì)的主要研究方向是在空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)取得更大突破，在所有風(fēng)向上將空氣動(dòng)力學(xué)水平提高15%，研究在時(shí)速104 km/h的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到55%或更高的技術(shù).戴姆勒卡車(chē)北美公司的主要研究方向是牽引車(chē)整車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、混合動(dòng)力研究以及發(fā)動(dòng)機(jī)配件的電氣化.納威司達(dá)公司的主要研究方向是設(shè)計(jì)并制造更高效率的、電氣化的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及空氣動(dòng)力學(xué)水準(zhǔn)更高的駕駛室.沃爾沃集團(tuán)北美公司的主要研究任務(wù)是利用新的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和集成控制技術(shù)，制造一款輕量化的牽引車(chē)，每噸每英里每加侖的貨運(yùn)效率提高要超過(guò)100%.

“超級(jí)卡車(chē)”計(jì)劃的每一個(gè)合作伙伴都發(fā)揮著重要作用，除了整車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)外，還有伊頓電器集團(tuán)、普利司通集團(tuán)、美馳集團(tuán)以及重要的供應(yīng)商.美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory)、普渡大學(xué)(Purdue University)等也參與其中.

4.2 展望

我國(guó)已對(duì)節(jié)能環(huán)保高度重視，并開(kāi)始奮起直追.福田戴姆勒提出了超級(jí)卡車(chē)三步走戰(zhàn)略，并推出了歐曼EST超級(jí)卡車(chē).中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)組織行業(yè)力量愈500位專家歷時(shí)一年完成了《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》，技術(shù)路線圖為《中國(guó)制造2025》中的汽車(chē)強(qiáng)國(guó)目標(biāo)提供了具體途徑和措施，識(shí)別出未來(lái)15年汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向、關(guān)鍵技術(shù)及其優(yōu)先程度，提出了政府和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的框架，為新技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用提供促進(jìn)作用.2016年10月26日，《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》在2016中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)上正式發(fā)布，包括總體技術(shù)路線圖以及節(jié)能汽車(chē)技術(shù)路線圖、純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)路線圖、氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)路線圖、智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)路線圖、汽車(chē)制造技術(shù)路線圖、汽車(chē)動(dòng)力電池技術(shù)路線圖、汽車(chē)輕量化技術(shù)路線圖七項(xiàng)專題技術(shù)路線圖(1+7)，低碳化、信息化、智能化作為未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向已經(jīng)取得共識(shí).

節(jié)能汽車(chē)技術(shù)路線圖中，對(duì)于商用汽車(chē)提出了總體執(zhí)行動(dòng)力總成升級(jí)優(yōu)化、逐步發(fā)展混合動(dòng)力、空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、降低運(yùn)行能耗、替代燃料分擔(dān)、持續(xù)推進(jìn)輕量化的六大節(jié)能技術(shù)途徑.共提出了12項(xiàng)發(fā)展重點(diǎn)：

①先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒機(jī)理研究；

②自主控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；

③全可變氣門(mén)技術(shù)；

④廢熱能量回收技術(shù)；

⑤發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)；

⑥變速器自動(dòng)化、高效化及核心零部件技術(shù)；

⑦低摩擦技術(shù)；

⑧增壓器與應(yīng)用技術(shù)；

⑨先進(jìn)燃油噴射技術(shù)；

⑩48V系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；

節(jié)能汽車(chē)技術(shù)路線圖中的技術(shù)途徑和目標(biāo)與美國(guó)超級(jí)卡車(chē)計(jì)劃基本相同.

未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步對(duì)超級(jí)卡車(chē)相關(guān)技術(shù)成果、項(xiàng)目管理方法開(kāi)展深入研究，以《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》為牽引，在國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，開(kāi)展相適應(yīng)的技術(shù)方向分析和相關(guān)技術(shù)研究.以新能源汽車(chē)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)為主要突破口，以動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)為重點(diǎn)，以智能化水平提升為主線，以先進(jìn)制造和輕量化等共性技術(shù)為支撐，全面推進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)由大國(guó)向強(qiáng)國(guó)的歷史轉(zhuǎn)型.