中重载卡车节能减排技术研究

魏崇亮　刘　力　郭晓鑫黄克菲

（1-中国汽车工程研究院股份有限公司重庆4011202-天津内燃机研究所）

·综述·

中重载卡车节能减排技术研究

魏崇亮1刘力2郭晓鑫1黄克菲2

（1-中国汽车工程研究院股份有限公司重庆4011202-天津内燃机研究所）

中重载卡车作为未来交通运输行业中最大的二氧化碳排放源，对于它的节能减排技术的研究具有重要意义。简述了我国面临的能源与环境压力形势，以及当前中重载卡车节能减排技术研究现状，并指出了中重载卡车节能减排的主要途径和关键技术，最后总结提出了我国中重载卡车节能减排技术发展建议和趋势。

中重载卡车节能减排燃油经济性

引言

中重载卡车虽然在我国汽车保有量中占比较小，但却消耗了公路运输能源的60%以上。作为重型车产销第一大国，我国面临的能源环境危机日益严重。开展中重载卡车节能减排技术研究对降低我国的能源消耗和碳排放以及环境保护有着重要意义。

1　中重载卡车节能减排技术研究现状

美国于2009年启动“超级卡车”项目，并计划五年内能够提高卡车能源运输效率50%［1］。参与项目的康明斯、戴姆勒、纳威司达、沃尔沃目前基本已达既定目标，其降低油耗的技术路径主要集中在空气动力优化设计、传动系统、混合动力、轻量化、发动机燃烧效率、废气余热回收利用、智能技术等方面，该项目的研究成果对我国重型车节能减排技术发展具有重要借鉴意义。中国与美国于2015年9月启动一个旨在提高中重载卡车能源效率的项目，通过中美合作开发高效能卡车并推广其在两国市场的应用，达到节能减排的目的。

2　中重载卡车节能减排途径及关键技术研究

2.1政策法规和标准

政策法规和标准引导着中重载卡车的先进产品和新技术发展，尤其体现在环保和节能方面。面对日益严峻的温室气体排放和能源短缺压力，很多国家和地区都在制定更加严格的中重载卡车的燃料消耗量和温室气体排放法规。

美国于2011年颁布中重载卡车燃油经济性标准第一阶段，针对2014～2018款汽车达到提高10～20%的燃油经济性的目的。近期又发布中重载卡车第二阶段燃油经济性及碳排放标准，该标准应用于2021～2027款车型，其中对于重型皮卡和重型货车，2027款车型的碳排放和油耗要比第一阶段降低16%。而欧洲、日本目前还没有明确的重型车燃料消耗量限值标准，但由于排放标准非常严格和燃油税较高，也能起到控制油耗的作用。

我国针对重型商用车的油耗管理始于2011年，陆续发布了行业标准QC/T 924-2011《重型商用车辆燃料消耗量限值（第一阶段）》、推荐性国家标准GB/ T 27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》及强制性国家标准GB 30510-2014《重型商用车燃料消耗量限值》。在政策方面，交通运输部、科技部、工信部、发改委、国务院办公室也发布相应文件和意见鼓励和引导发展中重载卡车节能减排技术［2］，这将促使车企进行系统改造、技术革新和总体设计来控制燃油消耗量，达到节能减排的目的。

2.2空气动力学优化

车身空气动力学设计对提高整车的燃油经济性有着重要的作用。研究表明，重型车在高速路上巡航时克服空气阻力所消耗的燃油占总能耗的50%以上，通过采取驾驶室流线型设计、减少牵引车与半挂车之间的距离、在挂车上应用裙板和整流罩等手段/措施能显著降低油耗。

由于国情不同，北美卡车普遍采用长头车，而欧盟和亚洲国家则采用平头车。长头车具有更好的流线造型和更低的风阻系数，比普通平头车燃油经济性高出10～15%，并具有良好的安全性和舒适性，缺点是运载能力差、运输成本高和转弯半径大等。

近期欧盟也正在讨论修改相关指令，增大欧盟道路车辆的尺寸和重量限制，同时拟立法对中重载卡车采用圆形设计，并在拖厢后部安装流线型空气导流板，以提高燃油经济性。我国目前已经发布GB 1589的征求意见稿，该标准对车辆外廓尺寸进行了一定程度的放宽，取消大部分车辆的长度与总质量或轴数挂钩的限制，可以解读为鼓励长头车的发展。

2.3动力传动系统和控制

中重载卡车的燃油经济性、动力性、排放性与其动力传动系统有着直接关系。中重载卡车的动力传动系统主要由发动机、液力变矩器、变速器、缓速器等组成，目前对此研究主要包括如下几方面。

2.3.1动力传动系统结构与优化设计

通过开发有关动力性和经济性的计算机仿真程序来优化设计传动系各参数，并对不同参数的模拟计算结果进行比较来选择合理的传动系参数，达到提高燃油经济性目的。

2.3.2动力传动系统热管理系统研究

主要包括热源的热负荷特性、热管理系统的排热能力和功率消耗。重型汽车热源主要由发动机、液力变矩器、液力缓速器产生，在不同行车工况条件下通过对3个部件的发热量进行耦合分析来确定热管理系统部件参数，进而制定和优化热管理控制策略。

2.3.3AMT变速器和双离合变速器的研究

AMT变速器和双离合变速器可以提高重型汽车的平顺性和单车运输效率。AMT变速器在国产重型车上还未广泛应用，对于选/换挡执行机构的优化和设计是开发AMT系统的重点和难点［3］。乘用车领域已经使用双离合变速器，但重卡汽车应用还很少，沃尔沃于2014年推出I-Shift双离合器变速箱，并第一个配备于重型卡车。如何优化湿式双离合器的起步控制策略，是其应用在重型车辆上的研究重点［4］。

2.4轻量化技术

轻量化是提高中重载卡车燃油经济性和运输效率的重要手段。研究表明，车辆自重每减轻10%，可降低油耗6～8%［5］。目前对于中重载卡车的轻量化研究见表1。

表1　中重载卡车轻量化研究趋势和应用

我国中重载卡车轻量化研究起始于为规避计费政策，存在非法改装和安全性差等问题。目前还处在结构优化及降低车重的初级阶段，对于新材料和新工艺的应用是我国未来轻量化研究的重点。

2.5混合动力技术

混合动力技术已在乘用车领域得到较为广泛的应用，但在中重载汽车领域还应用较少。中重载汽车混合动力技术的研究主要包括动力蓄电池及其能量管理系统、驱动系统研究（如何简化结构和降低成本）、控制策略（研究重点有模糊控制策略、人工神经网络控制、自适应神经模糊控制、全局优化策略等）、电机及零部件制造技术［6］。国外在混合动力卡车技术研究方面走在了前列，沃尔沃已经上市“FE重型混合动力卡车”，该车主要用于城市物流配送和垃圾清理，可节省30%的燃油。戴姆勒卡车公司推出的Atego BlueTec Hybrid混合动力卡车第一个在欧洲获得混合动力卡车型式批准。斯堪尼亚对配备受电弓的牵引车进行“架空电线传导的能量传输形式”实际道路测试，可适应于点对点如港口、矿山的专门运输线路。我国目前混合动力卡车研究还处于起步阶段，建议政府出台相关政策，推动混合动力卡车的发展。

2.6余热能高效利用技术

发动机余热能量回收是中重载卡车节能减排的重要途径之一。柴油机燃烧能量利用率只有40%左右，通过余热回收可提高发动机的总能量利用率。柴油机余热回收技术主要有朗肯循环、布雷顿循环、余热发电、动力涡轮等技术。集成动力涡轮和涡轮增压技术的涡轮复合增压发动机是目前研究热点，研究发现，采用该技术可以降低3～10%燃油消耗［7］。目前沃尔沃、康明斯、斯堪尼亚等公司已经开发出相应产品。通过优化涡轮增压器和动力涡轮的匹配性，提高机械耦合传动系统的传动比和效率是提高涡轮复合增压发动机节能效果的难点。康明斯利用有机朗肯循环在提高发动机热效率方面已经走在了前列。

2.7车用替代燃料

车用替代燃料作为汽柴油的补充燃料，是提高重型车燃油经济性的重点发展方向。车用替代燃料主要有天然气、甲醇、二甲醚、生物柴油、乙醇等［8］。目前天然气是重卡节能减排的主流趋势，有单、双燃料类型，戴姆勒、沃尔沃、斯堪尼亚、中国重汽等都已经量产天然气重卡。中国重汽与天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室合作开发出甲醇/柴油双燃料重卡［9］。沃尔沃是全球第一个实测二甲醚的卡车生产商，其以二甲醚为燃料的FH系列卡车已经运营完毕并投入商业化。斯堪尼亚推出了百分之百燃烧生物柴油（如脂肪酸甲酯（FAME）或氢化植物油（HVO））的混合动力卡车。

目前替代燃料多种技术路线并存，且都存在相应的问题，延缓了替代燃料重卡的发展。如美国环境研究组织近期提出天然气重卡发展要慎重，还需要更多的数据证明可减少CH4的泄漏量，否则会使环境更加恶化。我国也需要选择适合国情的替代燃料技术路线，大力建设基础设施并出台相应政策引导，促进替代燃料在重卡方面的发展。

2.8智能运营与辅助驾驶技术

智能技术能有效改善中重载卡车的经济性、动力性、安全性、舒适性和操作性，是未来汽车技术发展的重要方向。在改善经济性方面，国内外公司取得了一定的研究成果［10］。斯堪尼亚开发的智能换挡系统采用全自动换挡模式，可使驾驶更加稳定和有效，大幅提高燃油经济性。梅赛德斯-奔驰推出了FleetBoard智能车队远程管理系统，该系统可最大程度地提高车队生产效率及运输车辆的经济效率。博世的Eco．Logic Motion系统可根据实时导航数据为驾驶员提供最经济的驾驶方案。日本新能源和工业技术发展组织（NEDO）提出了卡车队列的理念，通过使每辆卡车保持一定距离帮助卡车减少空气和其他阻力达到节省燃油的目的。中国重汽推出基于GPS及北斗模式的智能车队管理系统，该系统包括位置控制、状态管理、销贷管理、远程诊断四大功能，可实时监控运行车辆并掌握车辆状态，为客户提供最佳出行方案。

3　结束语

我国中重载卡车节能减排技术总体还落后于欧美，面临的能源和环境压力很大，发展还任重道远。对此本文提出如下建议：

1）制定适合我国国情的标准政策和技术路线，同时解决工况制定、排放油耗检测、滑行方法等技术细节问题。

2）放宽政策，适当发展长头车。

3）大力发展混合动力和智能技术，掌握未来汽车技术制高点。

4）确定统一的替代燃料技术路线，建设更多基础设施。

5）重点加强新一代中重型柴油机的开发研究，如高效清洁燃烧新技术研究、高效后处理系统研究、先进空气管理技术研究、高强化低摩擦设计技术研究、高效附件技术研究、共性控制策略及先进传感系统集成技术研究等。

1刘学文.保护环境降低排放美国实施“超级卡车”计划——美国纳威司达传递先进的动力技术［J］.交通世界：运输车辆，2012（4）：108-109

2司康.政策法规促进中重型商用车产品技术升级［J］.交通世界：运输车辆，2014（9）：50-65

3张云腾.重型车AMT电液换档执行机构特性的仿真研究［D］.长春：吉林大学，2012

4张金乐，杨阳，郭静，等.重型车辆湿式双离合器起步模糊控制研究［J］.车辆与动力技术，2013（1）：17-23

5王超，党晓丽，郑东利，等.重型商用汽车轻量化研究［J］.汽车实用技术，2014（8）：4-6

6张佩.重型混合动力商用车的发展与研究［J］.重型汽车，2010（1）：9-12

7殷勇，赵艳婷，米娇，等.重型柴油机涡轮复合增压技术的研究与应用［J］.汽车安全与节能学报，2014（4）：401-406

8姚春德，许汉君.车用燃料发展和研究现状及其未来展望［J］.汽车安全与节能学报，2011（2）：101-110

9胡艳峰，王兴兴.甲醇-柴油双燃料重卡简介及前景分析［J］.汽车实用技术，2013（1）：70-72

10景俊鸿.从IAA2014看重型卡车的智能化趋势［J］.专用汽车，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，Fuel economy

U469.2

A

2095-8234（2016）03-0093-04

魏崇亮（1978—），男，高级工程师，主要研究方向为汽车检测及试验技术。

2016-01-06）