重型商用車節能關鍵技術分析

摘要：為降低重型商用車燃油消耗量，采用MATLAB軟件綜合評估柴油機高效清潔燃燒、內燃機余熱回收非制冷劑朗肯循環等各項節能技術，結合整車轉轂試驗測試基準車型、演示樣車的燃油消耗量及采用不同節能技術對應的燃油消耗量下降幅度，并對2種車型的燃油消耗量進行道路測試。結果表明：對于基準車型，MATLAB軟件仿真得到重載柴油機高效清潔燃燒技術的綜合評估效果最好，單車能源網絡優化管理技術、卡車空氣動力學減阻技術、卡車低滾輪胎技術的綜合評估效果較好；整車轉轂試驗表明采用節能技術的演示樣車在世界重型商用車瞬態循環工況、中國半掛牽引車列車行駛工況的節油率為11.79%和12.46%，低滾阻輪胎技術節油效果最好，燃油消耗量可減少1.42 L/100 km；采用節能技術優化后，綜合節油率為12.17%。

關鍵詞：重型商用車；關鍵節能技術；整車經濟性；實車試驗

中圖分類號：TK421文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0081-05

引用格式：史祥東，朱江蘇，尹東東，等.重型商用車節能關鍵技術分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（3）：81-85.

SHI Xiangdong， ZHU Jiangsu， YIN Dongdong， et al.Key technologies of energy saving for a heavy-duty commercial vehicle［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：81-85.

收稿日期：2024-03-23

基金項目：政府間國際科技創新合作項目（2022YFE0100100）

第一作者簡介：史祥東（1988—），男，山東青島人，工程師，主要研究方向為整車性能開發及匹配，E-mail：shixd@weichai.com。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.013

0" 引言

隨著我國經濟快速發展，中重型商用車應用逐漸廣泛，目前我國中重型商用車數量占汽車總量的13.9%，石油消耗占汽車石油消耗總量的49.2%；美國中重型卡車數量占美國汽車總量的4%，石油消耗占汽車石油消耗總量的25%，預計到2040年，世界中重型商用車石油消耗占汽車石油消耗總量的比例將增加到65%，成為交通運輸業CO2的最大排放源［1-3］。隨著2018年實施的《重型商用車輛燃料消耗量限值》［4］及2020年提出的《重型商用車輛燃料消耗量限值》［5］，加嚴了各類車輛的燃料消耗量限值，2020年重型商用車燃料消耗量限值較2018年重型商用車燃料消耗量限值降低了12%～16%。提高中重型商用車燃油經濟性，降低CO2排放，是研究的一個方向。

在美國能源部2010年聯合發起的SuperTruck計劃下，沃爾沃、康明斯和福萊納分別從變速器升級、結構優化、空氣動力學優化、輕量化、低滾阻輪胎等方面系統研究了卡車節能關鍵技術。沃爾沃采用鋁制車架使整車效率提高了88%，燃油經濟性提高了70%；康明斯通過提高發動機熱效率、降低整車空氣阻力、提高傳動效率等，使8級牽引重型卡車整車燃油經濟性至少提高了70%，貨運效率提高了86%；福萊納通過空氣動力學優化、輕量化設計和低滾阻輪胎設計，實際道路測試的整車效率提高了115%，制動效率提高了50.2%［6-8］。

本文中以某商用車為例，圍繞先進內燃機及其動力傳動系統、卡車能源管理、混合動力系統關鍵技術、卡車節能關鍵技術等，開展關鍵節能技術應用研究，并通過整車轉轂試驗和道路測試進行驗證。

1" 重型商用車燃油經濟性優化

1.1" 基準車型

重型商用車按應用場景分為8個細分市場，重型商用車細分市場數量占比如表1所示。

由表1可知：重型商用車細分市場以物流配送為主，市場數量占比為55%。物流配送市場發動機功率為276～338 kW，其中功率為316.05 kW的發動機占比為32%。結合重型發動機市場特征及燃油經濟性分析，選擇裝配發動機排量為12 L、變速箱為12擋直接擋、驅動比為3.083的6×4牽引車為基準車型，該車型較其他配置車型的燃油消耗量至少降低了0.3 L/（100 km）。

1.2" 關鍵節能技術評估

目前重型商用車關鍵節能技術主要圍繞先進內燃機及其動力傳動系統、卡車能源管理、混合動力技術、卡車節能關鍵技術的研究成果及可應用性4個方面開展［9-12］。基于已有模型，結合MATLAB軟件，按照整車實際道路燃油消耗量節油目標10%以上，分別采用重載柴油機高效清潔燃燒技術、重載卡車內燃機余熱回收非制冷劑朗肯循環技術、單車能源網絡優化管理技術、多車與車隊行駛能效優化方法、混合動力動態協調過程關鍵技術、卡車空氣動力學減阻技術、卡車輕量化技術、卡車低滾阻輪胎技術等8項關鍵節能技術，從節能效果、布置分析、應用前景、綜合評估進行數據分析［13-15］。

其中，整車燃油消耗量降低幅度最大的節能效果記為5個★，車輛結構布置最容易的節能技術記為5個★，應用前景主要基于重型商用車目前的研究現狀進行分析，綜合評估過程中節能效果占比50%，布置分析占比25%，應用前景占比25%，各項關鍵節能技術評價結果如表2所示。

由表2可知：對于基準車型，采用重載柴油機高效清潔燃燒技術的綜合評估效果最好，單車能源網絡優化管理技術、卡車空氣動力學減阻技術、卡車低滾輪胎技術的綜合評估效果也較好。

1.3" 整車轉轂試驗

結合上述分析，綜合重載柴油機高效清潔燃燒技術、單車能源網絡優化管理技術、卡車空氣動力學減阻技術、卡車低滾阻輪胎技術，考慮基準車型車輛布置、系統協調耦合等方面，采用高效清潔燃燒技術、動力總成匹配技術、電控附件策略優化、低滾阻輪胎、低黏度潤滑油、油門轉矩控制、空氣動力學優化完成演示樣車的開發。

采用重型商用車輛瞬態循環（China-world transient vehicle cycle，C-WTVC）和中國半掛牽引車列車行駛工況（China heavy-duty commercial vehicle test cycle for tractor-trailer，CHTC-TT），按照文獻［16］規定，對基準車型及演示樣車的燃油消耗量進行整車轉轂試驗測試對比，基準車型及演示樣車的主要技術參數及燃油消耗量測試結果如表3所示。

由表3可知：對比基準車型，采用節能技術的演示樣車在C-WTVC、CHTC-TT工況下相對節油率（基準車型與演示樣車燃油消耗量的差與基準車型燃油消耗量的比）分別為11.79%和12.46%。由于目前我國在用的油耗測試工況為C-WTVC工況，因此以該工況為測試工況，采用轉轂臺架開展試驗，分項驗證各關鍵節能技術的節油效果，不同節能技術對應的燃油消耗量下降幅度如表4所示。

由表4可知：低滾阻輪胎技術節油效果最好，燃油消耗量減少了1.42 L/（100 km）；其次為高效清潔燃燒技術，燃油消耗量減少了1.15 L/（100 km）；油門轉矩控制技術的節油效果不明顯，燃油消耗量減少了0.29 L/（100 km）。

2" 整車燃油經濟性道路測試

統計數據監控平臺對1 290輛中重型商用車連續運行50 d記錄的數據，重型商用車運輸路線集中在中東部地區，其中88%為高速運輸，12%為國道運輸，物流車運行車速為60～90 km/h。基于運行車輛的速度及坡度分析，實車道路測試路線選取榮濰高速中的濰坊-青島段，單程為104 km。

根據大數據統計的運行車輛車速分布，設置基準車型、演示樣車實車道路測試的5種測試工況，分別為國道工況（車速為0～60 km/h）、高速工況I（車速為60～70 km/h）、高速工況II（車速為70～80 km/h）、高速工況III（車速為90 km/h）、高速工況IV（車速為90～100 km/h）。綜合工況按照5種工況時間占比分別為0.15、0.15、0.22、0.28、0.20進行評價。

2種車型道路測試燃油消耗量對比結果如表5所示。由表5可知：采用表4提到的節能技術優化后，在5種不同工況下，整車節油率為4.53%～17.72%，車速為90～100 km/h的高速工況節油率最高為17.72%，車速為0～60 km/h的國道節油率最低，為4.53%，綜合工況下節油率為12.15%。分析原因主要是演示樣車進行了空氣動力學優化，車速越高，阻力降低越明顯，節油效果越好。

3" 結論

1）對于基準車型，采用MATLAB軟件分析得出重載柴油機高效清潔燃燒技術的綜合評估效果最好，單車能源網絡優化管理技術、卡車空氣動力學減阻技術、卡車低滾輪胎技術的綜合評估效果較好。

2）對比基準車型，采用節能技術的演示樣車在C-WTVC工況和CHTC-TT下整車轉轂試驗的相對節油率為11.79%和12.46%；低滾阻輪胎技術節油效果最好，燃油消耗量可減少1.42 L/100 km。

3）采用高效清潔燃燒技術、動力總成匹配技術、電控附件策略優化、低滾阻輪胎、低黏度潤滑油、油門轉矩控制、空氣動力學優化節能技術后，該重型商用車綜合工況下相對節油率為12.15%。

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Key technologies of energy saving for a heavy-duty commercial vehicle

SHI Xiangdong1，2， ZHU Jiangsu1，2， YIN Dongdong1，2， WANG Fulong1，2，

NING Tinghui1，2， ZHEN Lei1，2

1.State Key Laboratory of Engine and Powertrain System， Weifang 261061，China;

2.Ramp;D Center， Weichai Power Co.，Ltd.， Weifang 261061，China

Abstract：To reduce fuel consumption in heavy-duty commercial vehicles，MATLAB software is used for comprehensive evaluation of various energy-saving technologies，including high-efficiency clean combustion of diesel engines and non-refrigerant Rankine cycle waste heat recovery in internal combustion engines. The fuel consumption of benchmark model and demonstration vehicle， as well as the reduction in fuel consumption achieved by different energy-saving technologies， are tested in full vehicle dynamometer tests. Road tests are also conducted on two types of vehicles. The results indicate that for the benchmark model， high-efficiency clean combustion technology for heavy-duty diesel engines has the best comprehensive evaluation effect in MATLAB simulations.Single-vehicle energy network optimization management technology， truck aerodynamics drag reduction technology， and low rolling resistance tire technology also show good comprehensive evaluation effects. Full vehicle dynamometer tests reveal that the demonstration vehicle with energy-saving technologies achieves fuel savings rates of 11.79% and 12.46% in the world heavy duty transient cycle and China semi-trailer tractor train driving cycle， respectively， with the best fuel-saving effect from low rolling resistance tire technology， reducing fuel consumption by 1.42 L/（100 km）.After optimization with energy-saving technologies， the comprehensive fuel-saving rate is 12.17%.

Keywords：heavy-duty commercial vehicle; key technology of energy-saving; vehicle economy; real vehicle test

（責任編輯：胡曉燕）