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，美國能源部宣布：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(jī)熱效率、降低發(fā)動機(jī)油耗的技術(shù)研究計劃，即“超級卡車”計劃.為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，美國能源部與部分世界領(lǐng)先的卡車生產(chǎn)企業(yè)和發(fā)動機(jī)廠商合作、共同出資，對發(fā)動機(jī)技術(shù)和整車技術(shù)的重要領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性研究，使得發(fā)動機(jī)熱效率提高、油耗下降、貨運效率提高.

據(jù)美國能源部的估計，第8類重型牽引車(最大總質(zhì)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)比歐六嚴(yán)格，堪稱全球最嚴(yán)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(jìn)一步的排放標(biāo)準(zhǔn)的實施打下基礎(chǔ).

1 “超級卡車”計劃概況

1.1 研究目標(biāo)

“超級卡車”計劃主要實現(xiàn)以下3個節(jié)能目標(biāo)：

1)車輛貨運效率提高50%

開發(fā)和演示相關(guān)技術(shù)，通過每加侖噸公里油耗測量，與2009年一流的第8類半掛汽車列車相比較，車輛長途貨運效率提高50%.該目標(biāo)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(qiáng)制性目標(biāo)，通過典型的第8類半掛汽車列車整車24 h使用循環(huán)來演示(包括夜間用電)，實現(xiàn)24 h使用循環(huán)車輛貨運效率提高68%.

2)發(fā)動機(jī)熱效率達(dá)到50%

開發(fā)一款在高速公路巡航條件下熱效率達(dá)到50%的發(fā)動機(jī)(較2009年發(fā)動機(jī)的42%熱效率提高約20%).該目標(biāo)通過水平路面65 m/h時速的發(fā)動機(jī)負(fù)載試驗來演示.

3)展示發(fā)動機(jī)熱效率達(dá)到55%的技術(shù)途徑

通過建模和分析，識別和評估發(fā)動機(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)隊及研究周期和經(jīng)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(jī)企業(yè)中甄選和競標(biāo)，先期確定3個團(tuán)隊，沃爾沃遲一年加入，共4個團(tuán)隊：

◇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)費情況見表1.

表1 研究周期和經(jīng)費情況

1.3 項目完成情況

4個項目團(tuán)隊均完成了演示樣車和樣機(jī)的研制和試驗，均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，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

續(xù)表2

圖1 長途行駛循環(huán)貨運效率提高對比

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)途徑是減少車輛各系統(tǒng)的能量消耗、提高運行效率，經(jīng)康明斯和彼得比爾特團(tuán)隊的測試和統(tǒng)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(biāo)分解

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

表4 減少能耗的5大技術(shù)目標(biāo)

2.3 主要技術(shù)差異性對比

項目團(tuán)隊依據(jù)各自的技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)優(yōu)勢采取各具特點的技術(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)動機(jī)減小體積、發(fā)動機(jī)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(shù)差異對比

3 超級卡車新技術(shù)及應(yīng)用前景評估

超級卡車計劃共牽引出60項新技術(shù)，涵蓋發(fā)動機(jī)優(yōu)化、傳動系統(tǒng)改進(jìn)、空氣動力學(xué)改進(jìn)、減重、輪胎阻力減少、能量管理等6個方面，各自的數(shù)量和占比見圖2.其中31項技術(shù)已得到商業(yè)應(yīng)用、16項技術(shù)預(yù)計未來1～3年得到商業(yè)應(yīng)用、13項技術(shù)預(yù)計未來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)動機(jī)優(yōu)化技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的9項發(fā)動機(jī)優(yōu)化技術(shù)如下：

1)降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；

2)智能化扭矩管理；

3)發(fā)動機(jī)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(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)計未來1～3年商業(yè)應(yīng)用的4項發(fā)動機(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)；

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

13)電動附件(如水泵、冷卻風(fēng)扇等)；

預(yù)計未來4～8年商業(yè)應(yīng)用的3項發(fā)動機(jī)優(yōu)化技術(shù)如下：

14)廢熱回收；

15)先進(jìn)的發(fā)動機(jī)控制；

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

3.2 傳動系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)

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

1)自動換擋變速箱；

2)可預(yù)測的變速箱換擋；

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

4)變速箱/發(fā)動機(jī)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(shè)計)；

8)改進(jìn)傳動系統(tǒng)潤滑，減少摩擦；

預(yù)計未來1～3年商業(yè)應(yīng)用的2項傳動系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)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(yù)計未來4～8年商業(yè)應(yīng)用的2項傳動系統(tǒng)改進(jìn)技術(shù)如下：

11)電動附件(如電動渦輪增壓器、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)混合動力(如混合動力驅(qū)動、混合動力怠速管理等).

3.3 空氣動力學(xué)改進(jìn)技術(shù)

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

1)牽引車保險杠設(shè)計以及駕駛室頂、底盤、牽引車與掛車間整流罩；

2)掛車側(cè)面裙邊、錐型尾、掛車與牽引車間整流罩；

預(yù)計未來1～3年商業(yè)應(yīng)用的5項空氣動力學(xué)改進(jìn)技術(shù)如下：

3)掛車全部裙邊(包括車輪)、表面導(dǎo)流設(shè)計；

4)空氣動力學(xué)主動特性(格柵式百葉窗等)；

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

6)牽引車和掛車車體下部的空氣動力學(xué)特性；

7)牽引車/掛車間隙減少；

預(yù)計未來4～8年商業(yè)應(yīng)用的3項空氣動力學(xué)改進(jìn)技術(shù)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(fēng)阻(如發(fā)動機(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項減重技術(shù)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(yù)計未來1～3年商業(yè)應(yīng)用的2項減重技術(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)輕量化傳動部件(如輕量化車橋)；

預(yù)計未來4～8年商業(yè)應(yīng)用的1項減重技術(shù)如下：

7)輕量化車架(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項輪胎阻力減少技術(shù)如下：

1)寬基單胎；

2)減小滾動阻力輪胎配方和設(shè)計；

3)輪胎配方和設(shè)計持續(xù)改進(jìn)；

預(yù)計未來1～3年商業(yè)應(yīng)用的1項輪胎阻力減少技術(shù)如下：

4)自動的輪胎充氣系統(tǒng)；

預(yù)計未來4～8年商業(yè)應(yīng)用的1項輪胎阻力減少技術(shù)如下：

5)新穎的低滾動阻力輪胎.

3.6 能量管理技術(shù)

已得到商業(yè)應(yīng)用的5項能量管理技術(shù)如下：

1)可預(yù)測的GPS巡航控制；

2)節(jié)能駕駛反饋系統(tǒng)；

3)LED燈光系統(tǒng)；

4)過夜怠速減少(備用能量單元或電池)；

5)過夜怠速減少系統(tǒng)改進(jìn).

預(yù)計未來1～3年商業(yè)應(yīng)用的2項能量管理技術(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)計未來4～8年商業(yè)應(yīng)用的3項能量管理技術(shù)如下：

8)發(fā)動機(jī)附件和傳動系統(tǒng)先進(jìn)的預(yù)測控制；

9)基于風(fēng)/天氣的巡航控制；

10)太陽能獲取裝置.

4 總結(jié)和展望

4.1 美國超級卡車計劃總結(jié)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(tuán)隊對發(fā)動機(jī)技術(shù)和整車技術(shù)的重要領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新性研究，經(jīng)過6年的努力，達(dá)到了發(fā)動機(jī)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(tuán)隊開發(fā)出諸多先進(jìn)的、前瞻性的技術(shù)，并有超過20項節(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.該項研究計劃在車輛節(jié)能領(lǐng)域，對美國和世界各國產(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，美國能源部宣布啟動“超級卡車”二期計劃，出資8 000萬美元.“超級卡車”二期的目標(biāo)是以2009年生產(chǎn)的一流重卡為基準(zhǔn)，將長途貨運效率提高100%，并著重強(qiáng)調(diào)技術(shù)應(yīng)用的成本效益以及車輛性能.“超級卡車”二期計劃將進(jìn)一步利用多種卡車和掛車技術(shù)集成，例如發(fā)動機(jī)效率、傳動系統(tǒng)效率的提高，空氣阻力、輪胎阻力和車輛質(zhì)量的降低.

美國能源部還組織建立和研發(fā)團(tuán)隊的客戶委員會，其由沃爾瑪運輸團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)，職責(zé)是提供關(guān)于貨運線路、技術(shù)需求、市場進(jìn)入的信息，旨在“超級卡車”技術(shù)更快地應(yīng)用于市場.

此外，美國能源部還宣布提供1 200萬美元資金，集中研究重型卡車的插電式電驅(qū)動系統(tǒng).此項研究的目標(biāo)是將貨運卡車的燃油經(jīng)濟(jì)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(shù)公司(450萬美元)和麥克拉倫性能技術(shù)公司(450萬美元).

至2016年9月，“超級卡車”一期計劃的4個團(tuán)隊再次確認(rèn)參加二期計劃，每個項目團(tuán)隊各分得2 000萬美元.

在二期計劃中，康明斯和彼得比爾特團(tuán)隊的主要研究方向是在空氣動力學(xué)優(yōu)化和發(fā)動機(jī)技術(shù)取得更大突破，在所有風(fēng)向上將空氣動力學(xué)水平提高15%，研究在時速104 km/h的條件下，發(fā)動機(jī)熱效率達(dá)到55%或更高的技術(shù).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(xué)優(yōu)化、混合動力研究以及發(fā)動機(jī)配件的電氣化.納威司達(dá)公司的主要研究方向是設(shè)計并制造更高效率的、電氣化的發(fā)動機(jī)，以及空氣動力學(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)動機(jī)技術(shù)和集成控制技術(shù)，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(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.美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)、普渡大學(xué)(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(xué)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(shù)路線圖》，技術(shù)路線圖為《中國制造2025》中的汽車強(qiáng)國目標(biāo)提供了具體途徑和措施，識別出未來15年汽車產(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)合推動汽車產(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)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》在2016中國汽車工程學(xué)會年會上正式發(fā)布，包括總體技術(shù)路線圖以及節(jié)能汽車技術(shù)路線圖、純電動和插電式混合動力汽車技術(shù)路線圖、氫燃料電池汽車技術(shù)路線圖、智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)路線圖、汽車制造技術(shù)路線圖、汽車動力電池技術(shù)路線圖、汽車輕量化技術(shù)路線圖七項專題技術(shù)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(jīng)取得共識.

節(jié)能汽車技術(shù)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(xué)優(yōu)化、降低運行能耗、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項發(fā)展重點：

①先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒機(jī)理研究；

②自主控制系統(tǒng)開發(fā)；

③全可變氣門技術(shù)；

④廢熱能量回收技術(shù)；

⑤發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)；

⑥變速器自動化、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)開發(fā)；

節(jié)能汽車技術(shù)路線圖中的技術(shù)途徑和目標(biāo)與美國超級卡車計劃基本相同.

未來應(yīng)進(jìn)一步對超級卡車相關(guān)技術(shù)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(shù)路線圖》為牽引，在國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，開展相適應(yīng)的技術(shù)方向分析和相關(guān)技術(shù)研究.以新能源汽車和智能網(wǎng)聯(lián)汽車為主要突破口，以動力系統(tǒng)優(yōu)化升級為重點，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)汽車產(chǎn)業(yè)由大國向強(qiáng)國的歷史轉(zhuǎn)型.