打开文本图片集

1.前言

在世界上每一个重要经济体中，重型车辆运输业都成为碳排放量最大或第二大的来源。这些车辆消耗的燃料和CO2排放量可以通过开发新技术和制订政策来消减。

美国于2009年开始推动超级卡车计划，目标是大幅降低重卡油耗水平，提高运输效率。在第一阶段，把发动机制动热效率（BTE）提升到50%，燃油经济性提升20%；在第二阶段，把发动机制动热效率提升至55%，燃油经济性提升30%。

与此同时，欧盟也制订了“地平线2020”庞大的科技开发计划，提出打造网络互联、安全和低碳的商用车。在该计划的CORE项目中，于2016年底将完成提升发动机和动力总成效率的目标，在欧V车辆基础上，把发动机效率提升15%，同时达到欧Ⅵ排放标准，于2020年得到应用。

国内企业和科研院所也开始着手这方面的研究。由此可见，世界主要汽车市场的所在国政府和重卡制造商都极为重视这个技术发展趋势。如果超级卡车相关技术得到应用，可以减少卡车油耗达30%，对于提升车辆技术竞争力有极大的作用。当然，这些技术也面临着成本和商业化问题，在未来时间里，将会逐渐得到解决。

超级卡车项目的目标是开发和展示最先进和商业化应用的8级长途牵引车一挂车（指额定车辆总重（GVWR）达到或超过33000磅的8级卡车）节能技术。据美国能源信息署（EIA）的数据，牵引车一挂车约占在美国道路机动车保有量的2%，却占车辆行驶总里程的6%，占2013年消耗运输业燃料的20%左右。项目开发团队的重点是采取措施提高长途8级卡车的整体效率，在卡车行业中展示效果。项目中开发的技术被认为是高风险投资，如果不是这个项目的推动，这些先进技术预计不会在未来十年进入市场应用。这份报告总结了超级卡车团队采用的路线和得到的结果，为美国正在审议的重型车辆效率法规提供有关技术数据，以及可能为其他地区市场重型车辆能效项目作为参考。

美国超级卡车项目由能源部（DOE）主导，采取费用分摊、公私合作的方式，耗资2.84亿美元，旨在加速目前尚未在市场上得到应用的先进节能技术的开发，通过政府部门和企业的共同努力，开发这些技术，提高卡车运输效率，使燃油消耗最小化。与2010年的技术相比，到2015年，该项目在整体上使牵引车一挂车货运效率增加50%，发动机效率提高了20%（与制动热效率（BTE）42%的发动机相比，达到50%制动热效率），项目目标见表1：

开发该项目时，形成四支竞争性的开发团队。本文对这四支团队正在进行的工作进行了调查、比较和评估。技术参数描述、技术结论，以及各个团队的技术选择是以美国能源部的公开数据分析、项目行业报告和团队成员的沟通为基础。

2.技术路径

发动机开发的BTE基准线为42%，各团队正在采取不同的方法实现目标。在这里，量化比较并不是绝对的，因为各团队采用了不同基准车型，并且是在不同的工作循环下测量的。

大部分研究团队都已经实现了发动机BTE值达到50%的目标，仅有纳威司达稍稍低于这个目标值为49.6%。所有的团队都已制订出实现55%BTE的技术途径。康明斯团队的工作表明，大约可提高22%的发动机效率（即BTE从42%增加至51%）。至2016年6月止，康明斯、戴姆勒、纳威司达和沃尔沃团队的发动机BTE值分别达到51.1%、50.2%、49.6%、50.0%，见表2：

对于戴姆勒，燃烧的技术组合包括泵、摩擦、后处理和燃烧改进。对于沃尔沃，泵技术组合包括涡轮增压带来的BTE改善，能量回收技术组合仅包括废热回收。

各团队都在继续获得新的进展，这里显示的是2016年6月取得的成就。比较结果没有考虑不同的时间进度、优先级和速度不同的因素，仅展示完成结果。在研究开发发动机技术潜力时，假设基准BTE为42%，1%的绝对改善值意味着新BTE达到43%。

2.1康明斯团队

发动机

康明斯的研究和开发基于15升ISX发动机，通过发动机设计、气体流量优化、减少寄生损失后处理系统等改进以及废热回收系统的突破，当前已证实发动机效率目标达到51.1%的BTE（峰值BTE测量点在65英里/小时的平路上获得，不是瞬时（即FTP）或多模稳态（即SET）循环工况）。

发动机设计上的改进包括提高压缩比、优化活塞碗形状、优化和校准喷油器规格等。这些发动机设计的改进约有+2%的BTE绝对改善。气流优化改进包括废气再循环（EGR）回路中更低的差压和增加涡轮增压器效率。这些气流优化改进约有+2%的BTE绝对改善。

相对于ISX2009年度基准发动机，项目组通过使用减少摩擦的轴封、可变流量润滑油泵、小功率冷却泵和燃油泵，和减少摩擦的齿轮系和气缸组件，实现了发动机摩擦减少30%（减少平均摩擦有效压力（FMEP））。这些机械效率方面的改进对整个发动机转速/负荷图产生的益处，在低负载工况获得的收益最大。这些减少摩擦改进约有+1%的BTE绝对改善。

图1所示为康明斯废热回收系统，它建立在有机朗肯循环的基础上，使用对全球变暖危害小的制冷剂作为工作流體。该系统从EGR冷却器和发动机废气（热交换器位于后处理系统下游）回收热能，把热能转换为电能，通过机械装置联接到发动机曲轴输出端。展示的发动机通过低温冷却液和润滑油并行循环散热获得益处。该系统有一个热交换器，即回热器，它把涡轮膨胀机后面的热量传送回冷凝器前面的工作流体回路中。这个热交换器降低了冷凝器散热要求，并提高了整个系统的效率。废热回收系统贡献BTE约+3.6%的绝对提升值。该系统的特点是配备有散热模块，能够在没有冷却风扇辅助的情况下，使得废热回收冷凝器耐热水平高于高速公路巡航点时的水平。该系统的一个潜在的缺点是增加了重量（虽然它已经降低到大约300磅，即136kg）；该系统还没有被证明具备商业化的潜力。

作为发动机效率和NOx排放之间平衡的结果，发动机NOx排放为4.3g/bhp-hr（测量SET循环。典型的美国EPA2010发动机NOx排放约为3.0g/bhp-hr）。在提高发动机效率的同时，NOx的增加也有助于被动碳烟再生，并减少柴油微粒过滤器（DPF）主动再生的频率。因此，为了满足目前的排放法规，必须提高NOx后处理系统的效率。这些改进包括优化NOx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（SCR）催化剂的制剂。这些改进使得尾气中NOx排放水平达到0.08g/bhp-hr。这些后处理系统的改进贡献大约+0。5%的绝对BTE收益。