有著數量如此眾多的重卡,即使每輛卡車的燃油經濟性僅提高一點點,也可以節(jié)約大量的石油,顯著減少溫室氣體排放,大幅降低成本。即使小幅度改善燃油經濟性,制造商和集團用戶也可以發(fā)現其中的應用價值。
簡介與背景 提升燃料效率的重要性
據美國運輸部估計,美國8級牽引車/掛車每年大約消耗280億加侖燃油,約占運輸消耗能源的22%。這些消耗的燃油可供250萬輛卡車使用,平均每輛卡車每年行駛約6.6萬英里。新購買卡車的行駛里程數較高,約每年10萬英里;舊卡車的行駛里程數較少。應用新技術可以減少大量燃油消耗,因為新技術往往用在行駛里程最高的卡車上。由于燃油消耗如此巨大,達到每年數十億加侖,約占道路車輛燃油消耗的20%,有著數量如此眾多的重卡,即使每輛卡車的燃油經濟性僅提高一點點,也可以節(jié)約大量的石油,顯著減少溫室氣體排放,大幅降低成本。即使小幅度改善燃油經濟性,制造商和集團用戶也可以發(fā)現其中的應用價值。
本報告中討論的一些燃油經濟性改善只占很小的百分比,但如果考慮到8級卡車有著龐大的數量,總體節(jié)油效果就很可觀了。有一個實例可以解釋這一點,據沃爾沃掛車空氣動力學的合作者Ridge公司和Freightwing公司稱,估計掛車空氣動力學技術組合可改善燃油經濟性達10%。如果道路上有40%的牽引車和掛車應用這些技術組合后,卡車集團用戶每年可以節(jié)約燃油達10億加侖。目前柴油價格為每加侖2.5美元,卡車集團用戶每年可以節(jié)省25億美元。根據掛車對于牽引車的比例,估計每輛掛車每年可以節(jié)省1700~2700美元,節(jié)省的燃油可以縮短投資回報期達1~2年。改善燃油經濟性也減少了溫室氣體排放。根據美國阿貢國家實驗室的計算,每年可以減少約1500萬噸二氧化碳當量排放。
目標和預期效果
美國超級卡車項目于2009年啟動,目標是開發(fā)和展示8級重型牽引車-掛車運輸效率提高50%的效果,以每噸-英里/加侖表示。其中超級卡車40%的運輸效率改善來自于發(fā)動機(配備達50%制動熱效率的發(fā)動機),另外的60%來自于車輛技術。
超級卡車由美國能源部資助,采取費用共擔的方式,囊括了北美主要的8級重卡制造商:戴姆勒北美公司、納威司達公司和沃爾沃卡車北美公司。卡車制造商帕卡通過與康明斯合作的方式,利用彼得比爾特的品牌,參加了該項目。這些卡車制造商占據2014年美國市場的99%,見圖1。(馬克隸屬于沃爾沃品牌,被統(tǒng)計在沃爾沃的份額中;肯沃斯隸屬于帕卡品牌)

超級卡車項目解決了把系統(tǒng)效率技術應用到市場中的難題。這個項目展示了各種提高效率技術的潛力。本文說明這些技術在近期(如牽引車和掛車的空氣動力學)和遠期(如牽引車提高效率的系統(tǒng)驅動改進設計)商業(yè)化應用的機遇。通過超級卡車開發(fā)團隊的努力,這些技術能夠向行業(yè)內專業(yè)人士、集團用戶和公眾展示,展示獲得的燃油經濟性改善效果,并且安全、可靠、耐久和實用的特點。
項目進展
對于2009年設立的超級卡車開發(fā)目標,每支團隊都獲得卓越的進展。運輸效率的目標以2009年牽引車-掛車基礎車型為基準,各團隊的進度不一,但是到2016年底將全部完成。
⑴康明斯團隊
康明斯和彼得比爾特團隊已經進行了500多英里、為期2天的道路試驗,內容包括車內夜間住宿,證明運輸效率改善86%,超過50%的設定目標。為了達到這個目標,該團隊集成了先進的發(fā)動機和變速器,包括廢熱回收技術、牽引車和掛車空氣動力學提升、具有GPS地形管理功能的預測巡航控制、用于怠速管理的鋰離子電池輔助動力裝置、低滾阻輪胎、輕量化材料與設計。

⑵戴姆勒團隊
戴姆勒展示運輸效率改善達115%的道路試驗,試驗為期5天、312英里。采用的技術包括發(fā)動機小型化、發(fā)動機降速和燃燒改善、先進的牽引車和掛車空氣動力學改善、并聯(lián)式混合動力(利用電氣裝置儲存的能量支持怠速管理)、預測巡航控制和改善動力總成潤滑系統(tǒng)。

⑶沃爾沃團隊
沃爾沃展示了運輸效率改善達88%、發(fā)動機制動熱效率達50%的成果。實現路徑有減少空氣阻力40%以上;車輛輕量化時采用超輕車架,比常規(guī)車架減重40%以上;動能回收;低滾阻輪胎等。提高運輸效率的其他措施有智能巡航控制,它具有GPS地形管理功能;集成太陽能車頂概念等。動力總成改善也對運輸效率有重要的貢獻,包括發(fā)動機降速和小型化、燃油噴射、后處理系統(tǒng)和廢熱回收。
⑷納威司達團隊
納威司達仍正在努力達到運輸效率目標,希望能夠把運輸效率提高80%以上。其目前試驗的發(fā)動機制動熱效率達48.3%,正在采用其他技術把這一指標提高到50%以上。納威司達和美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室合作,進行空氣動力學研究,提高試驗和分析能力,研究幾項空氣動力學的減少空氣阻力新概念,如牽引車駕駛室重新設計和掛車的寬度、高度與節(jié)距控制。該團隊還在研究具有GPS地形管理功能的“靈活的”巡航控制、電子加熱、通風、空調系統(tǒng)(HVAC),以及牽引車和掛車減重潛力超過6500磅。如同其他開發(fā)團隊一樣,納威司達團隊也致力于發(fā)動機效率改善,包括燃燒系統(tǒng)、空氣調節(jié)系統(tǒng)、發(fā)動機附件和發(fā)動機熱管理。
并不是所有的整車和發(fā)動機技術都能使用戶受益。這些技術必須與工況相結合,才能達到預期的節(jié)油效果,四個開發(fā)團隊都反映了這個問題。
技術評估 目前和近期可商業(yè)化應用的技術
為了在卡車市場中評估這些技術,能源部使用了各種資源,包括項目團隊的技術報告和項目報告、對超級卡車技術專家的采訪,以及外部資源,如有各公司的新聞和公開聲明。能源部還采用車輛技術辦公室專家提出的意見和技術觀點,能源部的報告和研究成果(如超級卡車收益分析報告),以及直接來自項目團隊的信息。
到目前為止,有些技術在市場中已經得到一定的應用,如空氣動力學提升(牽引車和掛車側裙、保險杠和其他零部件的空氣動力學重新設計)、發(fā)動機降速、6×2車橋、AMT、預測巡航控制和輕量化。這些技術已經開始對用戶產生吸引力,因為他們通常有很好的投資回報,容易用于卡車車隊。另外,美國環(huán)保署和能源部的“第一階段”燃油效率和溫室氣體排放法規(guī)也是這些技術得到應用的驅動因素。
另有一些在超級卡車項目中開發(fā)的技術達到了市場應用的水平,或者在市場中與燃油效率技術結合起來使用。在另外的實例中,有些技術單獨得到應用。比如6×2車橋配置、鋁材料第五輪,以及其他輕量化零部件(如儲氣罐)已經在超級卡車項目中開發(fā)出來,并逐漸得到商業(yè)化應用。
技術成熟度水平是超級卡車相關技術得到商業(yè)化應用的基本驅動因素,如表1和表2所示。技術成熟度解決了技術得到商業(yè)化應用的過程,幫助識別那些即將進行商業(yè)化進程的技術,商用車行業(yè)把技術成本效益作為應用的關鍵考慮因素,格外關注。制造商和用戶廣泛接受的觀點是,回報期不超過18個月的技術才具備商業(yè)化條件,在近期市場的驅動下被采用。投資回報期為18~36個月的技術仍然可以商業(yè)化,但是在沒有法規(guī)等驅動因素的情況下,用戶和制造商更愿意等待進一步降低成本,或者采用不同的商業(yè)模式。在沒有法規(guī)驅動或進一步降低成本的情況下,投資回報期大于36個月的技術不大可能得到商業(yè)化應用;貓蟛皇擒囮牽紤]的唯一因素,他們還考慮技術可靠性、對正常運營時間的影響、技術對車輛殘值的影響,以及對于維護成本和維護活動的影響。


超級卡車團隊通過采用一系列新技術,達到提升50%運輸效率的目標,其中一些技術目前已經具備成本效率,達到市場應用的條件。許多其他技術也顯示出很大的應用前景,但是還沒有達到足夠的技術成熟度,支持商業(yè)化應用。
表1所示為目前可商業(yè)化和接近商業(yè)化應用的技術,制造商希望在未來兩年里進行應用。表1所示的技術或者已經在一些車輛中應用,或者有望在2016~2017年得到商業(yè)化應用。根據公開信息和開發(fā)團隊的反饋,這些技術達到了成熟度8級的水平(處于或者接近系統(tǒng)開發(fā)末期)。
商業(yè)化應用實例 1
彼得比爾特根據超級卡車項目獲得的技術,對8級牽引車的空氣動力學性能進行一系列改進。彼得比爾特579 EPIQ車型與常規(guī)的579車型相比,采用了很多超級卡車項目中開發(fā)的提高燃油效率技術,燃油經濟性改善達14%。在EPIQ車型采用的來自超級卡車項目的新技術中,牽引車側邊整流罩能夠縮短擋泥板和前方轉向輪之間的距離,前方的空氣阻尼能夠阻止氣流通過車輛下方,整流罩延伸到牽引車側面下方,幾乎接近地面,引導氣流離開車輛下方,減少行駛中的空氣阻力。超級卡車還進行了發(fā)動機小型化、發(fā)動機、變速器與AMT優(yōu)化等技術提升。
商業(yè)化應用實例 2
沃爾沃于2016年初宣布,在該公司2017年的動力傳動系統(tǒng)設計中,超級卡車研究項目起著重要的作用,有助于提升動力傳動效率和性能。沃爾沃稱,有一些特性已經能夠向用戶提供,包括新型活塞設計(可提高燃油效率達2.5%)、渦輪復合增壓系統(tǒng)改進(可提高燃油效率達6.5%)和共軌燃油噴射系統(tǒng),這些技術直接來源于超級卡車研究項目。
影響技術應用的因素
超級卡車團隊正朝著商業(yè)化的方向開發(fā)和提煉相關技術。如果能實現商業(yè)化,相關技術在卡車市場的應用取決于以下幾個因素。車隊對購置效率提升技術中出現的成本增加,正尋找一種積極的投資回報率(ROI),而此種回報率中的大部分必須通過采用先進技術而減少燃料成本。成本結余是燃料價格和技術有效性綜合作用的結果:雖然技術有效性能提升節(jié)約成本的效果,但較低的燃料價格卻使此效果降低。柴油價格的波動(如圖4所示)不利于預測采用何種市場導向型的新技術,該技術將在5年或10年后在目標市場應用。市場是復雜多變的,但燃料價格的變動是影響投資回報率的計算,及最終是否采用該技術的因素之一。

車隊還密切關注維修保障方面的需求?諝鈩恿W輔助在各個超級卡車樣車上的應用也反映出該團隊采用獨特的方法滿足整體目標并鑒定出空氣動力學技術的發(fā)展?jié)摿。這些空氣動力學輔助在實施方面面臨一些挑戰(zhàn),有一部分原因是有些部件間的間隙很有限,例如:側裙板和前擾流板及地面之間。實際使用中的牽引車必須能在有限的空間里運作,承受惡劣的天氣狀況,越過其它障礙物例如路沿和裝卸碼頭,這些都會為潛在的損害或維修成本提供空氣動力學輔助。
車隊經理在考慮和詳細說明將來的車隊購置時,必須對這些潛在的生命周期維護花費進行分解。尤其是對掛車而言,很難對其損壞進行責任判定,也不好處理經濟賠償?得魉-彼得比爾特超級卡車團隊設計掛車時,采用可伸縮的掛車裙板以解決這些疑慮:掛車裙板可伸縮,從而在惡劣工況下作業(yè)時可擴大車輛的離地間隙。
車隊同時也考慮新技術相關的其他經濟因素。事實上,所有車隊都嘗試減少設備的故障時間以確保車輛能隨時準備工作。由于這個原因,任何可能降低可靠性或具有不確定可靠性的技術在市場大范圍地應用都比較緩慢,即使這些技術有可能降低燃料使用的花費。不同的車隊考慮的重點也不相同,有的更看重車輛的可靠性和適用性,而另一些則更看重燃料花費的減少。車隊也會從剩余價值層面考慮新技術的積極和消極影響,尤其是有些大型車隊,在使用車輛2-4年后就會賣給二手車市場。
還有其它的經濟因素與掛車在市場上的應用有關?諝鈩恿W為牽引車-掛車組合效率的提升提供了良好機遇,并且掛車起著決定性作用?得魉/彼得比爾特超級卡車的數據顯示,牽引車-掛車組合的空氣動力學提升總量中有2/3與掛車有關,僅1/3與牽引車有關。然而,掛車市場充滿了挑戰(zhàn),因為相對于牽引車而言,掛車大多數情況下被當作是商品(全國范圍來看,每1個牽引車就配有4個掛車)。正是由于每臺牽引車配有多個掛車,可以預見燃料經濟效益的提升,因而車隊對改變掛車設計的投資比對改變牽引車設計的投資要高。節(jié)約燃料的收益方是不確定的,牽引車車主可能從掛車的空氣動力學改善中獲利,但牽引車車主可能并不是掛車車主。掛車產業(yè)的發(fā)展較緩慢,總體來說:掛車側裙板有所發(fā)展,但其它裝置的發(fā)展依然緩慢。市場對提升掛車效率相關技術的采用需要低成本、高性能的技術,例如超級卡車所采用的技術。航運檢修需要改變掛車的排列及所屬方式,同時也可能影響掛車是否被采用。駕駛員出于自愿或法規(guī)需要采用提升效率的技術,如環(huán)保局智能道路項目,環(huán)保局/交通運輸部第2階段溫室氣體標準,這些都將有助于促進掛車技術的應用實施。
政府法規(guī)在加速技術引進的同時,有時也會阻礙技術市場占有率的提升,即使該技術有著良好的投資回報率。例如,用攝像頭代替后視鏡需要法規(guī)的轉變。類似的還有,車隊列車(與車輛間距相關的法規(guī))或更長的空氣動力學掛車尾部(掛車長度法規(guī))。許多法規(guī)都以安全性為基礎,因此增加了技術開發(fā)的復雜性:即使超級卡車中有效節(jié)約燃料的技術方案也需要額外的法規(guī)支持或其它方面的開發(fā)以達到其市場潛力。
本報告中的信息首先是基于當前對技術開發(fā)、當前和未來的市場環(huán)境(包括燃料價格)以及車隊在車輛購置方面創(chuàng)新的預測,反映出與之相關的前沿技術規(guī)劃。在將來,客戶需求的改變不僅基于市場演變和發(fā)展趨勢,還將基于法規(guī)的演變和發(fā)展。能源部嘗試通過技術資料、已發(fā)布的公告、產品計劃的有關新聞、以及與超級卡車團隊的直接溝通來收集各企業(yè)在未來可能采用技術的有關完整的信息。這些技術的未來發(fā)展計劃,例如時間表和商業(yè)化的具體計劃被認為是具有商業(yè)敏感性的信息,因而不能完全公開發(fā)布。
提高卡車效率技術的其他描述
現在的8級牽引車-掛車是用于運輸貨物的一種復雜、有效的方式,包含大量技術以確保車輛的安全性、有效性和清潔度。超級卡車項目推動了大量新技術的發(fā)展,提升了現有的卡車設計。
圖5展示了在短期內應用的新技術,在之前的章節(jié)中也敘述過,同時也展示了這些技術將在8級卡車的哪個位置應用。

發(fā)動機
超級卡車項目研究凸顯了在將燃料能量轉化為動能過程中提升發(fā)動機效率的多個領域(也就是說,提升發(fā)動機的熱效率)。團隊成員做出設計變更以減少發(fā)動機內部摩擦,提升缸內燃燒效率,通過改變渦輪增壓器和其它空氣操縱裝置使氣流出入發(fā)動機更加便捷。更多發(fā)動機效率提升方面的先進技術也即將來臨,包括廢熱再循環(huán)系統(tǒng),可將通常情況下在排氣或冷卻過程中損失的能量轉化成供卡車使用的機械能或電能。
傳動系
對變速器、橋和其它將發(fā)動機能量傳遞到車輪的零部件,超級卡車團隊也發(fā)現了效率提升方面的機遇。機械式自動變速器(AMT)將離合器式手動變速器的機械能與優(yōu)化后的自動變速器換擋策略相結合提升效率。超級卡車項目的成果之一就是生產商共同協(xié)作來完成發(fā)動機和變速器控制系統(tǒng)的集成,以確保各廠家以最高的效率進行合作。變速器和橋的設計變更可減小牽引車的發(fā)動機尺寸,并且在保證駕駛性能的同時,使發(fā)動機在更低的平均轉速(自動降速)下運行。發(fā)動機尺寸的縮小和轉速的降低為車輛效率提升提供了開發(fā)潛力。變速器和車橋齒輪潤滑性能的提升有利于減少零部件之間的摩擦損耗。新的驅動橋設計使牽引車雙橋中的一個用于驅動車輛,在保證雙橋系統(tǒng)牽引力的同時減少第二驅動橋的摩擦損耗。
空氣動力學
空氣動力學的提升有助于降低車輛下坡時的空氣阻力。超級卡車項目中,在掛車上增加了一些裝置以提升掛車的空氣動力學性能。其中包括掛車側裙板,可遮蓋住掛車的下部區(qū)域及后輪的前部區(qū)域,從而防止空氣停滯于掛車下方。掛車的船型尾部使掛車后方區(qū)域的氣流變得平順,阻止后方形成一個低壓區(qū)。導流罩和間隙減小裝置覆蓋住牽引車和掛車之間的空隙,防止空氣停滯于牽引車駕駛室和掛車前部之間的區(qū)域。
盡管現在的8級牽引車在過去10到20年間在空氣動力學方面有相當大的提升,超級卡車團隊仍發(fā)現了可繼續(xù)提升的領域。位于牽引車前后輪之間重新設計的側導流罩可以防止空氣停滯于牽引車下方,而前方擾流板和保險杠的設計能引導氣流位于卡車的周圍而不是車輛下方。車頂導流罩的作用與之類似,引導氣流平順地流向牽引車上方,使牽引車的高度和掛車高度相匹配。有些導流罩和其它減小牽引車-掛車間隙的裝置也在牽引車上應用。
輕量化
通過增加運輸貨物的重量,使卡車在法規(guī)允許的承重范圍內(在相同的英里和加侖下能裝更多的貨物)或同等重量的貨物使用更輕的卡車運輸(同等重量的貨物能行駛更多的英里數每加侖),可減少卡車的重量,從而提升整體的運輸效率(噸-英里每加侖)。超級卡車團隊通過改變車輛的材料來減重(例如,使用鋁制鞍座連接牽引車和掛車,或用鋁制輪輞代替鋼制輪輞)。使用單寬輪胎也可以通過減少車輪的數量降低卡車的重量。
輪胎滾動阻力
輪胎滾動阻力是指輪胎在路面滾動時消耗的能量。這部分能量主要通過胎側的彎曲和胎面在路面的摩擦消耗。輪胎滾動阻力的減少可通過傳統(tǒng)方式實現,如輪胎設計和材料的改進,也可以通過新的輪胎概念,如單寬基輪胎來實現。制造廠商通過傳統(tǒng)的方式減少滾動阻力,例如改變輪胎的材質(添加二氧化硅)和重新設計低摩擦的胎面。單寬基輪胎是通過使用一個更寬的輪胎替換原有的標準雙輪胎來減低滾動阻力,最終,在保證承載能力的同時減少輪側彎曲的影響(通過減少兩個輪側來實現)。
能量管理
能量管理是一個廣義的術語,既一系列提升能量源在車輛上使用效率的技術。預測性巡航控制使用GPS地圖和地形數據庫查看前方道路情況,通過分級調整車速,進而提升燃油效率。節(jié)能反饋系統(tǒng)通過儀表板顯示為駕駛員提供指導,使車輛效率發(fā)揮到最大。怠速管理系統(tǒng)在休息期間,也就是當駕駛員需要使用暖風或空調及其它電子設備時,可以使燃油使用最小化。這一系統(tǒng)使主發(fā)動機在運轉和停止間循環(huán)提供車輛負載或通過使用輔助柴油機,車載電池,或非車載電氣連接來產生車輛負載所需的動力。