中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)研究

魏崇亮　劉　力　郭曉鑫黃克菲

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-天津內(nèi)燃機研究所）

·綜述·

中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)研究

魏崇亮1劉力2郭曉鑫1黃克菲2

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司重慶4011202-天津內(nèi)燃機研究所）

中重載卡車作為未來交通運輸行業(yè)中最大的二氧化碳排放源，對于它的節(jié)能減排技術(shù)的研究具有重要意義。簡述了我國面臨的能源與環(huán)境壓力形勢，以及當(dāng)前中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)研究現(xiàn)狀，并指出了中重載卡車節(jié)能減排的主要途徑和關(guān)鍵技術(shù)，最后總結(jié)提出了我國中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展建議和趨勢。

中重載卡車節(jié)能減排燃油經(jīng)濟性

引言

中重載卡車雖然在我國汽車保有量中占比較小，但卻消耗了公路運輸能源的60%以上。作為重型車產(chǎn)銷第一大國，我國面臨的能源環(huán)境危機日益嚴(yán)重。開展中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)研究對降低我國的能源消耗和碳排放以及環(huán)境保護有著重要意義。

1　中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)研究現(xiàn)狀

美國于2009年啟動“超級卡車”項目，并計劃五年內(nèi)能夠提高卡車能源運輸效率50%［1］。參與項目的康明斯、戴姆勒、納威司達、沃爾沃目前基本已達既定目標(biāo)，其降低油耗的技術(shù)路徑主要集中在空氣動力優(yōu)化設(shè)計、傳動系統(tǒng)、混合動力、輕量化、發(fā)動機燃燒效率、廢氣余熱回收利用、智能技術(shù)等方面，該項目的研究成果對我國重型車節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展具有重要借鑒意義。中國與美國于2015年9月啟動一個旨在提高中重載卡車能源效率的項目，通過中美合作開發(fā)高效能卡車并推廣其在兩國市場的應(yīng)用，達到節(jié)能減排的目的。

2　中重載卡車節(jié)能減排途徑及關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)著中重載卡車的先進產(chǎn)品和新技術(shù)發(fā)展，尤其體現(xiàn)在環(huán)保和節(jié)能方面。面對日益嚴(yán)峻的溫室氣體排放和能源短缺壓力，很多國家和地區(qū)都在制定更加嚴(yán)格的中重載卡車的燃料消耗量和溫室氣體排放法規(guī)。

美國于2011年頒布中重載卡車燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)第一階段，針對2014～2018款汽車達到提高10～20%的燃油經(jīng)濟性的目的。近期又發(fā)布中重載卡車第二階段燃油經(jīng)濟性及碳排放標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于2021～2027款車型，其中對于重型皮卡和重型貨車，2027款車型的碳排放和油耗要比第一階段降低16%。而歐洲、日本目前還沒有明確的重型車燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)，但由于排放標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格和燃油稅較高，也能起到控制油耗的作用。

我國針對重型商用車的油耗管理始于2011年，陸續(xù)發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 924-2011《重型商用車輛燃料消耗量限值（第一階段）》、推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》及強制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 30510-2014《重型商用車燃料消耗量限值》。在政策方面，交通運輸部、科技部、工信部、發(fā)改委、國務(wù)院辦公室也發(fā)布相應(yīng)文件和意見鼓勵和引導(dǎo)發(fā)展中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)［2］，這將促使車企進行系統(tǒng)改造、技術(shù)革新和總體設(shè)計來控制燃油消耗量，達到節(jié)能減排的目的。

2.2空氣動力學(xué)優(yōu)化

車身空氣動力學(xué)設(shè)計對提高整車的燃油經(jīng)濟性有著重要的作用。研究表明，重型車在高速路上巡航時克服空氣阻力所消耗的燃油占總能耗的50%以上，通過采取駕駛室流線型設(shè)計、減少牽引車與半掛車之間的距離、在掛車上應(yīng)用裙板和整流罩等手段/措施能顯著降低油耗。

由于國情不同，北美卡車普遍采用長頭車，而歐盟和亞洲國家則采用平頭車。長頭車具有更好的流線造型和更低的風(fēng)阻系數(shù)，比普通平頭車燃油經(jīng)濟性高出10～15%，并具有良好的安全性和舒適性，缺點是運載能力差、運輸成本高和轉(zhuǎn)彎半徑大等。

近期歐盟也正在討論修改相關(guān)指令，增大歐盟道路車輛的尺寸和重量限制，同時擬立法對中重載卡車采用圓形設(shè)計，并在拖廂后部安裝流線型空氣導(dǎo)流板，以提高燃油經(jīng)濟性。我國目前已經(jīng)發(fā)布GB 1589的征求意見稿，該標(biāo)準(zhǔn)對車輛外廓尺寸進行了一定程度的放寬，取消大部分車輛的長度與總質(zhì)量或軸數(shù)掛鉤的限制，可以解讀為鼓勵長頭車的發(fā)展。

2.3動力傳動系統(tǒng)和控制

中重載卡車的燃油經(jīng)濟性、動力性、排放性與其動力傳動系統(tǒng)有著直接關(guān)系。中重載卡車的動力傳動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、液力變矩器、變速器、緩速器等組成，目前對此研究主要包括如下幾方面。

2.3.1動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計

通過開發(fā)有關(guān)動力性和經(jīng)濟性的計算機仿真程序來優(yōu)化設(shè)計傳動系各參數(shù)，并對不同參數(shù)的模擬計算結(jié)果進行比較來選擇合理的傳動系參數(shù)，達到提高燃油經(jīng)濟性目的。

2.3.2動力傳動系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)研究

主要包括熱源的熱負荷特性、熱管理系統(tǒng)的排熱能力和功率消耗。重型汽車熱源主要由發(fā)動機、液力變矩器、液力緩速器產(chǎn)生，在不同行車工況條件下通過對3個部件的發(fā)熱量進行耦合分析來確定熱管理系統(tǒng)部件參數(shù)，進而制定和優(yōu)化熱管理控制策略。

2.3.3AMT變速器和雙離合變速器的研究

AMT變速器和雙離合變速器可以提高重型汽車的平順性和單車運輸效率。AMT變速器在國產(chǎn)重型車上還未廣泛應(yīng)用，對于選/換擋執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計是開發(fā)AMT系統(tǒng)的重點和難點［3］。乘用車領(lǐng)域已經(jīng)使用雙離合變速器，但重卡汽車應(yīng)用還很少，沃爾沃于2014年推出I-Shift雙離合器變速箱，并第一個配備于重型卡車。如何優(yōu)化濕式雙離合器的起步控制策略，是其應(yīng)用在重型車輛上的研究重點［4］。

2.4輕量化技術(shù)

輕量化是提高中重載卡車燃油經(jīng)濟性和運輸效率的重要手段。研究表明，車輛自重每減輕10%，可降低油耗6～8%［5］。目前對于中重載卡車的輕量化研究見表1。

表1　中重載卡車輕量化研究趨勢和應(yīng)用

我國中重載卡車輕量化研究起始于為規(guī)避計費政策，存在非法改裝和安全性差等問題。目前還處在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降低車重的初級階段，對于新材料和新工藝的應(yīng)用是我國未來輕量化研究的重點。

2.5混合動力技術(shù)

混合動力技術(shù)已在乘用車領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，但在中重載汽車領(lǐng)域還應(yīng)用較少。中重載汽車混合動力技術(shù)的研究主要包括動力蓄電池及其能量管理系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)研究（如何簡化結(jié)構(gòu)和降低成本）、控制策略（研究重點有模糊控制策略、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制、全局優(yōu)化策略等）、電機及零部件制造技術(shù)［6］。國外在混合動力卡車技術(shù)研究方面走在了前列，沃爾沃已經(jīng)上市“FE重型混合動力卡車”，該車主要用于城市物流配送和垃圾清理，可節(jié)省30%的燃油。戴姆勒卡車公司推出的Atego BlueTec Hybrid混合動力卡車第一個在歐洲獲得混合動力卡車型式批準(zhǔn)。斯堪尼亞對配備受電弓的牽引車進行“架空電線傳導(dǎo)的能量傳輸形式”實際道路測試，可適應(yīng)于點對點如港口、礦山的專門運輸線路。我國目前混合動力卡車研究還處于起步階段，建議政府出臺相關(guān)政策，推動混合動力卡車的發(fā)展。

2.6余熱能高效利用技術(shù)

發(fā)動機余熱能量回收是中重載卡車節(jié)能減排的重要途徑之一。柴油機燃燒能量利用率只有40%左右，通過余熱回收可提高發(fā)動機的總能量利用率。柴油機余熱回收技術(shù)主要有朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)、余熱發(fā)電、動力渦輪等技術(shù)。集成動力渦輪和渦輪增壓技術(shù)的渦輪復(fù)合增壓發(fā)動機是目前研究熱點，研究發(fā)現(xiàn)，采用該技術(shù)可以降低3～10%燃油消耗［7］。目前沃爾沃、康明斯、斯堪尼亞等公司已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品。通過優(yōu)化渦輪增壓器和動力渦輪的匹配性，提高機械耦合傳動系統(tǒng)的傳動比和效率是提高渦輪復(fù)合增壓發(fā)動機節(jié)能效果的難點?？得魉估糜袡C朗肯循環(huán)在提高發(fā)動機熱效率方面已經(jīng)走在了前列。

2.7車用替代燃料

車用替代燃料作為汽柴油的補充燃料，是提高重型車燃油經(jīng)濟性的重點發(fā)展方向。車用替代燃料主要有天然氣、甲醇、二甲醚、生物柴油、乙醇等［8］。目前天然氣是重卡節(jié)能減排的主流趨勢，有單、雙燃料類型，戴姆勒、沃爾沃、斯堪尼亞、中國重汽等都已經(jīng)量產(chǎn)天然氣重卡。中國重汽與天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室合作開發(fā)出甲醇/柴油雙燃料重卡［9］。沃爾沃是全球第一個實測二甲醚的卡車生產(chǎn)商，其以二甲醚為燃料的FH系列卡車已經(jīng)運營完畢并投入商業(yè)化。斯堪尼亞推出了百分之百燃燒生物柴油（如脂肪酸甲酯（FAME）或氫化植物油（HVO））的混合動力卡車。

目前替代燃料多種技術(shù)路線并存，且都存在相應(yīng)的問題，延緩了替代燃料重卡的發(fā)展。如美國環(huán)境研究組織近期提出天然氣重卡發(fā)展要慎重，還需要更多的數(shù)據(jù)證明可減少CH4的泄漏量，否則會使環(huán)境更加惡化。我國也需要選擇適合國情的替代燃料技術(shù)路線，大力建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施并出臺相應(yīng)政策引導(dǎo)，促進替代燃料在重卡方面的發(fā)展。

2.8智能運營與輔助駕駛技術(shù)

智能技術(shù)能有效改善中重載卡車的經(jīng)濟性、動力性、安全性、舒適性和操作性，是未來汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向。在改善經(jīng)濟性方面，國內(nèi)外公司取得了一定的研究成果［10］。斯堪尼亞開發(fā)的智能換擋系統(tǒng)采用全自動換擋模式，可使駕駛更加穩(wěn)定和有效，大幅提高燃油經(jīng)濟性。梅賽德斯-奔馳推出了FleetBoard智能車隊遠程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可最大程度地提高車隊生產(chǎn)效率及運輸車輛的經(jīng)濟效率。博世的Eco．Logic Motion系統(tǒng)可根據(jù)實時導(dǎo)航數(shù)據(jù)為駕駛員提供最經(jīng)濟的駕駛方案。日本新能源和工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（NEDO）提出了卡車隊列的理念，通過使每輛卡車保持一定距離幫助卡車減少空氣和其他阻力達到節(jié)省燃油的目的。中國重汽推出基于GPS及北斗模式的智能車隊管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括位置控制、狀態(tài)管理、銷貸管理、遠程診斷四大功能，可實時監(jiān)控運行車輛并掌握車輛狀態(tài)，為客戶提供最佳出行方案。

3　結(jié)束語

我國中重載卡車節(jié)能減排技術(shù)總體還落后于歐美，面臨的能源和環(huán)境壓力很大，發(fā)展還任重道遠。對此本文提出如下建議：

1）制定適合我國國情的標(biāo)準(zhǔn)政策和技術(shù)路線，同時解決工況制定、排放油耗檢測、滑行方法等技術(shù)細節(jié)問題。

2）放寬政策，適當(dāng)發(fā)展長頭車。

3）大力發(fā)展混合動力和智能技術(shù)，掌握未來汽車技術(shù)制高點。

4）確定統(tǒng)一的替代燃料技術(shù)路線，建設(shè)更多基礎(chǔ)設(shè)施。

5）重點加強新一代中重型柴油機的開發(fā)研究，如高效清潔燃燒新技術(shù)研究、高效后處理系統(tǒng)研究、先進空氣管理技術(shù)研究、高強化低摩擦設(shè)計技術(shù)研究、高效附件技術(shù)研究、共性控制策略及先進傳感系統(tǒng)集成技術(shù)研究等。

1劉學(xué)文.保護環(huán)境降低排放美國實施“超級卡車”計劃——美國納威司達傳遞先進的動力技術(shù)［J］.交通世界：運輸車輛，2012（4）：108-109

2司康.政策法規(guī)促進中重型商用車產(chǎn)品技術(shù)升級［J］.交通世界：運輸車輛，2014（9）：50-65

3張云騰.重型車AMT電液換檔執(zhí)行機構(gòu)特性的仿真研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2012

4張金樂，楊陽，郭靜，等.重型車輛濕式雙離合器起步模糊控制研究［J］.車輛與動力技術(shù)，2013（1）：17-23

5王超，黨曉麗，鄭東利，等.重型商用汽車輕量化研究［J］.汽車實用技術(shù)，2014（8）：4-6

6張佩.重型混合動力商用車的發(fā)展與研究［J］.重型汽車，2010（1）：9-12

7殷勇，趙艷婷，米嬌，等.重型柴油機渦輪復(fù)合增壓技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2014（4）：401-406

8姚春德，許漢君.車用燃料發(fā)展和研究現(xiàn)狀及其未來展望［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2011（2）：101-110

9胡艷峰，王興興.甲醇-柴油雙燃料重卡簡介及前景分析［J］.汽車實用技術(shù)，2013（1）：70-72

10景俊鴻.從IAA2014看重型卡車的智能化趨勢［J］.專用汽車，2014（11）：57-58

Overview of Research on Energy Saving and Emission Reduction Technology of Medium and Heavy Truck

Wei Chongliang1，Liu Li1，Guo Xiaoxin1，Huang Kefei2
1-China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.（Chongqing，401120，China）2-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute

As medium and heavy trucks becoming the prime carbon dioxide emission sources among transportation industry in the future，the research on the energy saving and emission reduction technology of medium and heavy trucks is of great significance.This paper briefly describes the serious situation of energy and environment，presents status of energy saving and emission reduction technology of medium and heavy trucks in China.This paper also summarizes the key technology to energy saving and emission reduction of medium and heavy trucks and puts forward suggestions to the development of it.

Medium and heavy duty truck，Energy-saving and emission reduction，F(xiàn)uel economy

U469.2

A

2095-8234（2016）03-0093-04

魏崇亮（1978—），男，高級工程師，主要研究方向為汽車檢測及試驗技術(shù)。

2016-01-06）