7-3美国超级卡车计划跟踪研究

1、 中国节能汽车蓝皮书 美国“超级卡车”计划跟踪研究 摘 要： 美国 “ 超级卡车” 计划是美国商用车节能的主要举措， 对我国商用车节能技术发展具有指导意义。 本报告从 “ 超级卡车”背景出发， 深入研究了美国 “ 超级卡车” 计划的详细内容，并对该计划的技术路径进行了详细梳理， 最后总结出我 国借鉴该计划发展商用车节能技术的相关建议。 关键词： 美国 “ 超级卡车”技术路径一“超级卡车”背景 由于美国铁路网络相对欠缺， 卡车运输成为物流运输的主要途径。 据相关统计， 美国的 类重型卡车完成全国 物资运送。 卡车每年消耗 亿加仑燃料， 占到全部交通能耗的 以上， 能源消耗问题不容忽视。 美国著名

2、机构曾预测， 按照每年增加 万辆重型车保守估算， 到 年美国重型车单日消耗量将接近 万桶。 提升卡车燃油经济性对美国节约物流成本、 降低石油消耗至关重要。 二 美国“超级卡车”计划 年美国能源署 （ ） 牵头组织开展 “ 超级卡车” 计划， 旨在大幅降低重卡油耗水平， 提高整车运输效率。 该项目以 级重卡 （ ） 为研究目标， 在一期计划圆满完成的同时， 现阶段已进入 美国“超级卡车”计划跟踪研究 二期计划。 一期计划已经把发动机制动热效率 （ ） 提升到 ， 燃油经济性提升 ， 货运效率提高超过 ； 二期计划， 预期将发动机制动热效率提升至 ， 燃油经济性提升 ， 货运效率提高超过 。 美国

3、 “ 超级卡车” 项目由能源部 （ ） 主导， 年启动一期计划，研发耗资 亿美元。 其中政府承担 左右， 剩余的由企业摊分， 一期计划已经成功完成。 在发动机及整车技术方面取得重大突破， 同时极大地提高了货物运输效率。 为鼓励重卡技术创新发展， 重点提高多种卡车和挂车技术集成， 年美国能源部宣布启动 “ 超级卡车” 二期计划。 二期计划提供 万美元资金， 将用于进一步提高长途牵引卡车技术， 每个研究团队将分配到 万美元资金， 仍按照一期计划近 规定剩余的由企业摊分。 此外， 美国能源部还宣布提供 余万美元资金， 集中研究中重型卡车插电式混合动力驱动系统， 力争将货运卡车燃料经济性提高 。 表

4、美国 “ 超级卡车” 计划目标 美国能源署采取分散 竞争策略鼓励和刺激多家汽车厂商采用不同路径研发超级卡车。 经过多轮协商和洽谈， 确定纳威司达 （ ） 、康明斯 （ ） 、 沃尔沃集团旗下的马克 （ ） 卡车以及戴姆勒卡车公司四家企业各自搭建研究团队， 强强联手加入 “ 超级卡车”计划。 类别 年（ 第一阶段） 年（ 第二阶段） 预算 发动机制动热效率（ ） 提升到燃油经济型提升 氮氧化物排放（ ） 颗粒物排放（ ） 亿美元 未定 中国节能汽车蓝皮书 表 美国 “ 超级卡车” 计划研究团队构成 三“超级卡车”技术路径 从一期计划实施情况及结果来看， 四个研究团队都在预计周期内全面达成节油目标

5、。 至 年 月， 康明斯、 戴姆勒、 纳威司达和沃尔沃团队的发动机 值分别达到 、 、 、 ， 进一步向发动机热制动效率 基准线 迈进。 但是从具体的实施手段来看， 各个研究团队研发路径及主要节油手段却不尽相同。 康明斯重点提升能量回收和泵 气改善、 燃烧技术改善三大领域技术水平， 与纳威司达路线基本一致。戴姆勒高度集中于改善燃烧技术， 而沃尔沃则更加倚重提升泵气技术水平。 表 一期计划实施情况及结果统计 名称 实施周期 资金投入 取得成果 发动机热制动效率 整车净重减少 空气阻力减少 运输效率提升 康明斯 、企业 磅 戴姆勒 、企业 磅 纳威司达 、企业 沃尔沃 （ 美） 、企业 ； （ 瑞

6、典） 政府 、企业 领头羊 团队成员 康明斯 比特比尔特、伊顿、德纳、 美铝、普利司通、橡树岭国家实验室、美国货物运输公司等 戴姆勒 底特律柴油机公司、橡树岭国家实验室、麻省理工学院、 、米其林、施耐德等 纳威司达 美铝、阿文美驰、米其林、 挂车、博世、阿尔贡国立实验室 沃尔沃 货运、里卡多、蒙塔萨、 美铝、格罗特、宾夕法尼亚大学、加利福尼亚大学洛杉矶分校 美国“超级卡车”计划跟踪研究 （一）康明斯集团 1 一期计划 （） 发动机 康明斯是唯一以发动机动力为主的 “ 超级卡车” 项目成员。 对于康明斯而言， 主要是基于 升 发动机试验平台， 通过发动机能效提升、 结构优化、 空气动力优化、 轻

7、量化设计、 低滚阻、 低摩擦等的改进以及废热回收系统的升级， 当前已证实发动机效率目标达到 峰值 测量点在 英里 小时的平路上获得， 不是瞬时 （ 即 ） 或多模稳态 （ 即） 循环工况 。 其中， 在发动机设计方面， 主要是提高压缩比、 优化活塞碗形状、 优化和校准喷油器规格， 获得了 的 绝对改善。 另外， 项目组通过减少轴封、 齿轮系和气缸组件间的摩擦， 使用可变流量润滑油泵、 小功率冷却泵和燃油泵， 实现发动机减少 的摩擦， 进一步获得了 的 绝对改善。在气流优化方面， 主要是减小废气再循环 （ ） 回路的压差和增加涡轮增压器效率， 获得了 的 绝对改善。 此外， 康明斯废热回收系统的

8、升级使发动机热效率值得到有效改善。 其最大的特点是配备散热模块， 能够在没有冷却风扇辅助的情况下， 使废热回收冷凝器耐热水平高于高速公路巡航点时的水平， 大大地提高了整个系统的效率， 获得了 的 绝对改善。 优化 传感器、 闭环控制、 集成废热回收热交换器， 以及研发新的选择性催化还原 （ ） 催化剂的制剂等改进使尾气中 排放水平达到 ， 同时获得了 的 绝对改善。 （） 运输效率 康明斯团队达成货运效率目标， 实际驾驶循环显示， 货运效率提高了 。 彼得比尔特 型牵引车在 磅车辆总重 （ 磅有效载荷）进行了试验， 据报告， 燃油经济性值为 。 其中， 通过改进牵引车和挂车的空气动力学将货运效

9、率提高了 。 中国节能汽车蓝皮书 图 康明斯废热回收系统 增加的重量以及卡车自重降低的重量将货运效率提高了约 。 先进的自动手动变速器将和 发动机集成降低了发动机转速， 从而降低了发动机全功率时的寄生损失， 将货运效率提高约 。 低滚动阻力轮胎将货运效率提高了 。 （） 团队成果 康明斯与彼得比尔特组成了整车 发动机联盟， 开发出最新版超级牵引车， 在实际驾驶条件下油耗达到 。 与 年基本车型通过实验对比， 燃油经济性增加了 ， 温室气体排放减少了 ， 小时货运效率提高了 。 该团队将继续提升发动机热效率， 同时减少二氧化碳排放， 最终发展高效清洁的柴油发动机。 2 二期计划 年 月， 佩卡集

10、团彼得比尔特宣布再次与康明斯组成联盟， 进入 美国“超级卡车”计划跟踪研究 “ 超级卡车” 二期计划。 未来将在 年、 年和 年分三阶段大幅减少温室气体排放， 专注于提高发动机效率、 空气动力学水平以及整车货运效率。 其中， 康明斯主要研究在时速 公里的条件下， 使发动机热效率达到 或更高的水平， 力争达成在 小时驱动循环中整个货运效率提高 的目标； 彼得比尔特主要改善空气动力水平及燃油经济性， 将空气动力水平提高 ， 燃油经济性提高 。 （二）戴姆勒集团 1 一期计划 （） 发动机 戴姆勒卡车公司提前一年完成了 “ 超级卡车” 计划目标。 其基准发动机是底特律柴油机， 偏向于采用混合动力技术

11、， 集中改善燃油经济性。戴姆勒通过减少车辆负载降低轮胎滚动阻力， 使用手自一体变速器降低发动机转速， 使发动机小型化等措施， 实现发动机工作接近于峰值扭矩， 最大限度地降低了燃油消耗。 并且正在研发的新型控制器， 将实现不同转速工况下， 发动机都运行于最佳燃油经济性工况点， 得到 的燃油消耗改善。 同时还提高了压缩比和峰值燃烧压力， 对发动机活塞碗形进行了重新设计。 戴姆勒有机朗肯循环废热回收系统使用乙醇作为工作流体， 从发动机废气中回收热量， 并使用电动混合动力驱动系统， 获得了 的 绝对改善。此外， 通过散热器和进气中冷回收热量预计获得 的 绝对改善； 通过优化附加燃烧系统、 降低寄生负载

12、和背压涡轮增压器预计获得 的 绝对改善。 （） 运输效率 戴姆勒选用 款福莱纳 高顶卧铺驾驶室最终实现货运效率提高了 。 一方面， 研究团队对牵引车和挂车进行空气动力学改进、 混合动力驱动系统升级， 使用低滚动阻力轮胎、 预测技术、 电动空调； 另一方面，充分利用了发动机、 废热回收和混合动力系统之间的三级冷却系统集成技术。 中国节能汽车蓝皮书 图 款福莱纳 目前， 单驱动系统已经将货运效率提高了 。 发动机制动热效率的提高使货运效率提高了 。 牵引车和挂车空气动力学的改进带来了的提升。 动力系统 （ 并联结构混合动力系统） 及传动系统带来了 的提升。 汽车轻量化提供了 的提升。 整车能量管理

13、技术带来了 的提升， 降低寄生损失带来 的提升。 未来将通过整车关键技术集成取得进一步的突破。 （） 团队成果 戴姆勒团队设计的 级重型超级卡车达到平均 的燃油消耗， 整体货运效率比 年的基础车型提升了 。 通过俄勒冈州和得克萨斯州两种不同路线测试该重卡的燃油经济性分别提高了 和 ， 全面实现节油目标。 未来戴姆勒集团将侧重于提高货物运输效率。 2 二期计划 年 月， 戴姆勒公司宣布加入 “ 超级卡车” 二期计划。 按照政府和企业 出资计划， 戴姆勒在获得政府 万美元的同时， 将再投资 万美元用于研究。 鉴于一期计划已完成 节油目标， 二期计划将继续降低燃油消耗量及温室气体排放量， 进一步将卡

14、车货运效率提高两倍 美国“超级卡车”计划跟踪研究 以上。 在二期计划中， 戴姆勒卡车公司的主要研究方向是牵引车整车的空气动力学设计、 混合动力研究以及发动机配件的电气化。 其合作伙伴普利司通公司将对应不同的卡车、 挂车情况开发不同的新型轮胎， 与 年的基准轮胎相比， 新型轮胎预计将燃油效率提高 ， 滚动阻力降低 。 （三）纳威司达集团 纳威司达作为 “ 超级卡车” 计划四大团队之一， 在卡车市场的占有率达到 ， 并且具有先进的整车生产技术。 于 年 月启动项目后， 曾于 年 月暂停， 解决生产问题， 最终在 年 月完成热效率 的目标。 纳威司达重点围绕空气动力学、 发动机燃烧效率、 废热回收、

15、 混合动力四方面开展创新性研究。 在整车油耗改进方面， 纳威司达确定了四个方向。一是混合动力， 主要是双模深度混合。 二是传动系统的优化。 三是轻型材料的更多应用， 比如， 复合材料、 合金材料的应用等。 四是空气动力学优化， 也是纳威司达的重点研究方向。 由于卡车在高速路行驶时空气阻力所导致的燃油消耗占总驱动能耗的 ， 因此， 纳威司达重点着手外形空气动力优化设计， 加强牵引车与挂车的细节设计、 一体化设计等。 在发动机热效率提高方面， 纳威司达也朝着四个方面努力。一是改善发动机的进气效率， 提高燃油品质。 二是改善发动机的燃烧效率。 三是改善发动机结构设计， 进一步提高电控管理系统的精确性

16、。四是研发废热能回收技术。 1 一期计划 （） 发动机 纳威司达的基准发动机为 升 发动机， 为 。 中国节能汽车蓝皮书 燃烧系统采用更高压缩比、 更高峰值气缸压力 （） 和运行在的共轨喷射系统获得了 的 绝对改善。 改进空气系统及应用两级涡轮增压器获得了 的 绝对改善。 采用电动变速油泵和水泵减少发动机摩擦增加了 的 绝对改善。 电控涡轮增压增加了 的 绝对改善。 目前纳威司达主要进行乙醇 汽油和柴油混合物低温燃烧测试。 最佳 达到 ， 氮氧化物排放低于 。 （） 运输效率 纳威司达将整车货运效率提升 ， 主要是基于车辆混合动力驱动系统和空气动力学特性。 在混合动力系统方面， 利用阿文美驰混

17、合动力系双模结构合理地切换串 并联模式， 使柴油机持续工作于接近峰值热效率的操作点。并且尽可能地降低尺寸及重量最终将货运效率提升约 。 在空气动力 学方面， 纳威司达对载货车和挂车进行流线型设计、 一体化设计， 空气阻力 有望降低 ， 货运效率大约提升 。 图 纳威司达空气动力学改进 除此之外， 纳威司达还开发了预测性巡航控制系统， 通过高精度地图和 定位来预测前方路况。 据称， 该系统能将燃油经济性提高了 美国“超级卡车”计划跟踪研究 。 （） 团队成果 纳威司达实验卡车 整车效率提高了 ， 百公里油耗 ， 热效率达到 ， 燃油消耗量大幅下降。 最新研发的预测巡航控制系统已经实现预测前方道路

18、情况并设定合适车速， 取得了显著的节油效果。 采用电子摄像头取代后视镜， 设计倾斜角度挡风玻璃， 利用轻量化材质等一系列空气动力学设计将燃油经济性提升 。 配套全新 车灯系统也使尺寸减小， 亮度增大， 能耗降低 。 图 纳威司达 2 二期计划 纳威司达已经加入 “ 超级卡车” 二期计划， 未来将基于反应性控制压燃 （ ） 概念， 进一步降低发动机摩擦涡轮、 优化涡轮增压和有机朗肯循环废热回收系统， 实现 效率目标。 到项目结束时， 纳威司达计划制造 辆超级卡车示范车型， 搭载混合动力驱动系统、 预测巡航控制系统及空气动力学挂车等先进技术。 （四）沃尔沃集团 1 一期计划 沃尔沃除了混合动力外，

19、 还采用先进的集成系统和轻量化设计。 项目分 年、 年两阶段完成， 通过对发动机新技术的开发与 中国节能汽车蓝皮书 测试， 最终将整车效率提升 ， 燃油经济性提高 ， 发动机制动热效率达到 。 （） 发动机 沃尔沃 “ 超级卡车” 概念车基准发动机为 马力 升发动机。 与戴姆勒集团相似， 沃尔沃采用 “ 正确尺寸” 概念， 通过发动机小型化、 降低转速使发动机运行于高热效率区域。 相较于其他团队， 沃尔沃主要研究发动机涡轮增压和废热回收两个方向。其中废热回收系统采用闭环控制进行能量回收， 对复杂路况提供稳态控制。 涡轮增压的益处都包含在 “ 泵” 组合中， 与有机朗肯循环废热回收系统通过机械方

20、式连接到发动机输出轴。 年， 研究团队已经验证动力传动系统达到 ， 比计划提前 年。 用于道路评估的底盘安装正在进行， 预计燃油经济性改善达 左右。 （） 运输效率 沃尔沃主要依靠整车技术集成实现货运效率提高 ， 其中包括车身空气动力学优化、 载货车零部件轻量化设计、 发动机寄生损失减少等。 通过流体力学优化整车几何尺寸， 得出空气阻力降低 ， 货运效率提升约 。 使用低滚动阻力轮胎将负载降低 ， 货运效率提升约 。 研究团队计划使用双离合器使发动机低转速运行， 从而提高燃油效率。另外正在研究的 “ 智能” 车桥结构、 轻量化悬架、 铝传动轴、 发动机小型化等设计也将进一步降低寄生负载和重量，

21、 同时弥补废热回收、 涡轮增压等新技术装置引起的重量上升。 在降低辅助负载方面， 新 灯已经使燃油消耗降低 加仑 年， 占总燃油消耗的 。 （） 团队成果 沃尔沃顺利完成一期计划， 新概念车将整车效率提升 ， 燃油经济性提高 ， 发动机制动热效率达到 ， 百公里平均油耗在 。 集团针对美国市场推出全新 系列 旗舰产品。 全系拥有 和 两款发动机， 都采用 专利 “ 波形活塞”， 使燃烧效率和整车效率同步提高。此外， 发动机搭载 “ 机械热回收系统”， 充分利用废 美国“超级卡车”计划跟踪研究 气中的能量， 将曲轴输出动力提高 马力， 燃烧效率提高 。 除此之外， 沃尔沃还采用了研发成功的新款

22、“ ” 智能系统和 自动挡变速箱。 其中 “ ” 智能系统具有大容量储存记忆功能， 通过判断前方路况而提前控制挡位及发动机输出， 适当调节车辆适合的行驶速度。 新款 自动挡变速箱离合器弹簧增大， 内部增加垫片， 可以完全匹配出相应速度， 从而显著降低了燃油消耗。 图 波形活塞 图 沃尔沃 系列 2 二期计划 沃尔沃加入 “ 超级卡车” 二期计划， 未来研究方向仍着眼于更高效率、更自动化发动机， 融入更多空气动力学设计的驾驶室， 采用配套整合的零部件装配， 相比 年基础车型货运效率提高超过 ， 完成动力系统热效率 的目标。 针对 的目标， 沃尔沃将工作集中于研究创新发动机配置和先进燃烧模式。 并

23、且团队成员宾夕法尼亚州立大学已经采用 的二甲醚 （ ） 和 的丙烷能源混合模式 （ 均质充量压燃） 燃烧， 试验达到 的 燃烧热效率， 未来将继续研究更多种燃料的先进燃烧模式。 四借鉴与发展美国 “ 超级卡车” 计划先后获得政府部门 亿美元研发资金， 在发动机改进设计及空气动力学设计等方面取得很大突破。 我国政府和企业积极 中国节能汽车蓝皮书 借鉴 “ 超级卡车” 计划， 纷纷制订提高中重型卡车能效计划及未来战略规划， 共同推动卡车的节能减排。 面对全球能源、 大气污染问题， 未来我国应加大力度重视卡车政策调控、 技术研发及市场运营， 全面实现节能减排、可持续发展。 （一）“卡车能效联合研究计

24、划” 年 月， 美国能源部、 中国科技部以及国家能源局签署了 “ 清洁能源联合研究中心” （ ） 成立合作协定书， 近年来心取得多方面突破性成果。 年 月 合作议定书， 正式启动 二期合作。 为显著降低货运卡车的燃油消耗， 减少温室气体排放， 此次合作新启动了提高中载至重载卡车能源效率技术项目。 年 月， 由天津大学牵头开展清洁能源研究中心 卡车能效联盟 （ ） 联合计划项目， 共同开展新能源技术研究， 应对气候变化挑战。 而且头单位的合作研究联盟， 进一步攻克相关技术瓶颈。 （二）福田汽车“互联网超级卡车” 福田汽车作为我国品种最全、 规模最大的商用车企业， 是我国汽车行业自主品牌和自主创新

25、的中坚力量。 年 月福田汽车携手美国康明斯、德国戴姆勒等全球领先汽车企业举办 “ 互联网超级卡车” 展览会， 并宣布福田汽车集团战略规划。 福田 “ 互联网超级卡车” 将以绿色卡车和车联网为核心内容， 通过平台模块化设计、 超低风阻设计及轻量化设计， 形成三大主要解决路径； 以常规高效动力、 混合动力、 高效 、 辅助驾驶系统、车队管理、 载货匹配等九大先进技术为支撑。 其目标将分为三个阶段实现， 年实现油耗降低 ，货运效率提升 ， 融入辅助驾驶设计； 年， 进一步降低燃油消耗， 提升货运效率， 实现半自动； 年为 “ 互联网超级卡车” 美国“超级卡车”计划跟踪研究 最终阶段， 达成碳排放减少 、 油耗降低 、 货运效率提升