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超级卡车技术的商业化应用前景

时间:2017年01月03日   来源:汽车与配件  点击: 加入收藏
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有着数量如此众多的重卡,即使每辆卡车的燃油经济性仅提高一点点,也可以节约大量的石油,显著减少温室气体排放,大幅降低成本。即使小幅度改善燃油经济性,制造商和集团用户也可以发现其中的应用价值。
      简介与背景 提升燃料效率的重要性
       据美国运输部估计,美国8级牵引车/挂车每年大约消耗280亿加仑燃油,约占运输消耗能源的22%。这些消耗的燃油可供250万辆卡车使用,平均每辆卡车每年行驶约6.6万英里。新购买卡车的行驶里程数较高,约每年10万英里;旧卡车的行驶里程数较少。应用新技术可以减少大量燃油消耗,因为新技术往往用在行驶里程最高的卡车上。由于燃油消耗如此巨大,达到每年数十亿加仑,约占道路车辆燃油消耗的20%,有着数量如此众多的重卡,即使每辆卡车的燃油经济性仅提高一点点,也可以节约大量的石油,显著减少温室气体排放,大幅降低成本。即使小幅度改善燃油经济性,制造商和集团用户也可以发现其中的应用价值。
       本报告中讨论的一些燃油经济性改善只占很小的百分比,但如果考虑到8级卡车有着庞大的数量,总体节油效果就很可观了。有一个实例可以解释这一点,据沃尔沃挂车空气动力学的合作者Ridge公司和Freightwing公司称,估计挂车空气动力学技术组合可改善燃油经济性达10%。如果道路上有40%的牵引车和挂车应用这些技术组合后,卡车集团用户每年可以节约燃油达10亿加仑。目前柴油价格为每加仑2.5美元,卡车集团用户每年可以节省25亿美元。根据挂车对于牵引车的比例,估计每辆挂车每年可以节省1700~2700美元,节省的燃油可以缩短投资回报期达1~2年。改善燃油经济性也减少了温室气体排放。根据美国阿贡国家实验室的计算,每年可以减少约1500万吨二氧化碳当量排放。
      目标和预期效果
       美国超级卡车项目于2009年启动,目标是开发和展示8级重型牵引车-挂车运输效率提高50%的效果,以每吨-英里/加仑表示。其中超级卡车40%的运输效率改善来自于发动机(配备达50%制动热效率的发动机),另外的60%来自于车辆技术。
       超级卡车由美国能源部资助,采取费用共担的方式,囊括了北美主要的8级重卡制造商:戴姆勒北美公司、纳威司达公司和沃尔沃卡车北美公司。 卡车制造商帕卡通过与康明斯合作的方式,利用彼得比尔特的品牌,参加了该项目。这些卡车制造商占据2014年美国市场的99%,见图1。(马克隶属于沃尔沃品牌,被统计在沃尔沃的份额中;肯沃斯隶属于帕卡品牌)

 

      超级卡车技术的商业化应用前景


       超级卡车项目解决了把系统效率技术应用到市场中的难题。这个项目展示了各种提高效率技术的潜力。本文说明这些技术在近期(如牵引车和挂车的空气动力学)和远期(如牵引车提高效率的系统驱动改进设计)商业化应用的机遇。通过超级卡车开发团队的努力,这些技术能够向行业内专业人士、集团用户和公众展示,展示获得的燃油经济性改善效果,并且安全、可靠、耐久和实用的特点。
      项目进展
       对于2009年设立的超级卡车开发目标,每支团队都获得卓越的进展。运输效率的目标以2009年牵引车-挂车基础车型为基准,各团队的进度不一,但是到2016年底将全部完成。
       ⑴康明斯团队
      康明斯和彼得比尔特团队已经进行了500多英里、为期2天的道路试验,内容包括车内夜间住宿,证明运输效率改善86%,超过50%的设定目标。为了达到这个目标,该团队集成了先进的发动机和变速器,包括废热回收技术、牵引车和挂车空气动力学提升、具有GPS地形管理功能的预测巡航控制、用于怠速管理的锂离子电池辅助动力装置、低滚阻轮胎、轻量化材料与设计。

      超级卡车技术的商业化应用前景
       ⑵戴姆勒团队
       戴姆勒展示运输效率改善达115%的道路试验,试验为期5天、312英里。采用的技术包括发动机小型化、发动机降速和燃烧改善、先进的牵引车和挂车空气动力学改善、并联式混合动力(利用电气装置储存的能量支持怠速管理)、预测巡航控制和改善动力总成润滑系统。

      超级卡车技术的商业化应用前景
       ⑶沃尔沃团队
       沃尔沃展示了运输效率改善达88%、发动机制动热效率达50%的成果。实现路径有减少空气阻力40%以上;车辆轻量化时采用超轻车架,比常规车架减重40%以上;动能回收;低滚阻轮胎等。提高运输效率的其他措施有智能巡航控制,它具有GPS地形管理功能;集成太阳能车顶概念等。动力总成改善也对运输效率有重要的贡献,包括发动机降速和小型化、燃油喷射、后处理系统和废热回收。
      ⑷纳威司达团队
       纳威司达仍正在努力达到运输效率目标,希望能够把运输效率提高80%以上。其目前试验的发动机制动热效率达48.3%,正在采用其他技术把这一指标提高到50%以上。纳威司达和美国劳伦斯利福摩尔国家实验室合作,进行空气动力学研究,提高试验和分析能力,研究几项空气动力学的减少空气阻力新概念,如牵引车驾驶室重新设计和挂车的宽度、高度与节距控制。该团队还在研究具有GPS地形管理功能的“灵活的”巡航控制、电子加热、通风、空调系统(HVAC),以及牵引车和挂车减重潜力超过6500磅。如同其他开发团队一样,纳威司达团队也致力于发动机效率改善,包括燃烧系统、空气调节系统、发动机附件和发动机热管理。
       并不是所有的整车和发动机技术都能使用户受益。这些技术必须与工况相结合,才能达到预期的节油效果,四个开发团队都反映了这个问题。
      技术评估 目前和近期可商业化应用的技术
       为了在卡车市场中评估这些技术,能源部使用了各种资源,包括项目团队的技术报告和项目报告、对超级卡车技术专家的采访,以及外部资源,如有各公司的新闻和公开声明。能源部还采用车辆技术办公室专家提出的意见和技术观点,能源部的报告和研究成果(如超级卡车收益分析报告),以及直接来自项目团队的信息。
       到目前为止,有些技术在市场中已经得到一定的应用,如空气动力学提升(牵引车和挂车侧裙、保险杠和其他零部件的空气动力学重新设计)、发动机降速、6×2车桥、AMT、预测巡航控制和轻量化。这些技术已经开始对用户产生吸引力,因为他们通常有很好的投资回报,容易用于卡车车队。另外,美国环保署和能源部的“第一阶段”燃油效率和温室气体排放法规也是这些技术得到应用的驱动因素。
       另有一些在超级卡车项目中开发的技术达到了市场应用的水平,或者在市场中与燃油效率技术结合起来使用。在另外的实例中,有些技术单独得到应用。比如6×2车桥配置、铝材料第五轮,以及其他轻量化零部件(如储气罐)已经在超级卡车项目中开发出来,并逐渐得到商业化应用。
       技术成熟度水平是超级卡车相关技术得到商业化应用的基本驱动因素,如表1和表2所示。技术成熟度解决了技术得到商业化应用的过程,帮助识别那些即将进行商业化进程的技术,商用车行业把技术成本效益作为应用的关键考虑因素,格外关注。制造商和用户广泛接受的观点是,回报期不超过18个月的技术才具备商业化条件,在近期市场的驱动下被采用。投资回报期为18~36个月的技术仍然可以商业化,但是在没有法规等驱动因素的情况下,用户和制造商更愿意等待进一步降低成本,或者采用不同的商业模式。在没有法规驱动或进一步降低成本的情况下,投资回报期大于36个月的技术不大可能得到商业化应用。回报不是车队考虑的唯一因素,他们还考虑技术可靠性、对正常运营时间的影响、技术对车辆残值的影响,以及对于维护成本和维护活动的影响。

      超级卡车技术的商业化应用前景

 

      超级卡车技术的商业化应用前景
       超级卡车团队通过采用一系列新技术,达到提升50%运输效率的目标,其中一些技术目前已经具备成本效率,达到市场应用的条件。许多其他技术也显示出很大的应用前景,但是还没有达到足够的技术成熟度,支持商业化应用。
       表1所示为目前可商业化和接近商业化应用的技术,制造商希望在未来两年里进行应用。表1所示的技术或者已经在一些车辆中应用,或者有望在2016~2017年得到商业化应用。根据公开信息和开发团队的反馈,这些技术达到了成熟度8级的水平(处于或者接近系统开发末期)。
      商业化应用实例 1
      彼得比尔特根据超级卡车项目获得的技术,对8级牵引车的空气动力学性能进行一系列改进。彼得比尔特579 EPIQ车型与常规的579车型相比,采用了很多超级卡车项目中开发的提高燃油效率技术,燃油经济性改善达14%。在EPIQ车型采用的来自超级卡车项目的新技术中,牵引车侧边整流罩能够缩短挡泥板和前方转向轮之间的距离,前方的空气阻尼能够阻止气流通过车辆下方,整流罩延伸到牵引车侧面下方,几乎接近地面,引导气流离开车辆下方,减少行驶中的空气阻力。超级卡车还进行了发动机小型化、发动机、变速器与AMT优化等技术提升。
      商业化应用实例 2
      沃尔沃于2016年初宣布,在该公司2017年的动力传动系统设计中,超级卡车研究项目起着重要的作用,有助于提升动力传动效率和性能。沃尔沃称,有一些特性已经能够向用户提供,包括新型活塞设计(可提高燃油效率达2.5%)、涡轮复合增压系统改进(可提高燃油效率达6.5%)和共轨燃油喷射系统,这些技术直接来源于超级卡车研究项目。
      影响技术应用的因素
      超级卡车团队正朝着商业化的方向开发和提炼相关技术。如果能实现商业化,相关技术在卡车市场的应用取决于以下几个因素。车队对购置效率提升技术中出现的成本增加,正寻找一种积极的投资回报率(ROI),而此种回报率中的大部分必须通过采用先进技术而减少燃料成本。成本结余是燃料价格和技术有效性综合作用的结果:虽然技术有效性能提升节约成本的效果,但较低的燃料价格却使此效果降低。柴油价格的波动(如图4所示)不利于预测采用何种市场导向型的新技术,该技术将在5年或10年后在目标市场应用。市场是复杂多变的,但燃料价格的变动是影响投资回报率的计算,及最终是否采用该技术的因素之一。

 

      超级卡车技术的商业化应用前景
       车队还密切关注维修保障方面的需求。空气动力学辅助在各个超级卡车样车上的应用也反映出该团队采用独特的方法满足整体目标并鉴定出空气动力学技术的发展潜力。这些空气动力学辅助在实施方面面临一些挑战,有一部分原因是有些部件间的间隙很有限,例如:侧裙板和前扰流板及地面之间。实际使用中的牵引车必须能在有限的空间里运作,承受恶劣的天气状况,越过其它障碍物例如路沿和装卸码头,这些都会为潜在的损害或维修成本提供空气动力学辅助。
       车队经理在考虑和详细说明将来的车队购置时,必须对这些潜在的生命周期维护花费进行分解。尤其是对挂车而言,很难对其损坏进行责任判定,也不好处理经济赔偿。康明斯-彼得比尔特超级卡车团队设计挂车时,采用可伸缩的挂车裙板以解决这些疑虑:挂车裙板可伸缩,从而在恶劣工况下作业时可扩大车辆的离地间隙。
       车队同时也考虑新技术相关的其他经济因素。事实上,所有车队都尝试减少设备的故障时间以确保车辆能随时准备工作。由于这个原因,任何可能降低可靠性或具有不确定可靠性的技术在市场大范围地应用都比较缓慢,即使这些技术有可能降低燃料使用的花费。不同的车队考虑的重点也不相同,有的更看重车辆的可靠性和适用性,而另一些则更看重燃料花费的减少。车队也会从剩余价值层面考虑新技术的积极和消极影响,尤其是有些大型车队,在使用车辆2-4年后就会卖给二手车市场。
       还有其它的经济因素与挂车在市场上的应用有关。空气动力学为牵引车-挂车组合效率的提升提供了良好机遇,并且挂车起着决定性作用。康明斯/彼得比尔特超级卡车的数据显示,牵引车-挂车组合的空气动力学提升总量中有2/3与挂车有关,仅1/3与牵引车有关。然而,挂车市场充满了挑战,因为相对于牵引车而言,挂车大多数情况下被当作是商品(全国范围来看,每1个牵引车就配有4个挂车)。正是由于每台牵引车配有多个挂车,可以预见燃料经济效益的提升,因而车队对改变挂车设计的投资比对改变牵引车设计的投资要高。节约燃料的收益方是不确定的,牵引车车主可能从挂车的空气动力学改善中获利,但牵引车车主可能并不是挂车车主。挂车产业的发展较缓慢,总体来说:挂车侧裙板有所发展,但其它装置的发展依然缓慢。市场对提升挂车效率相关技术的采用需要低成本、高性能的技术,例如超级卡车所采用的技术。航运检修需要改变挂车的排列及所属方式,同时也可能影响挂车是否被采用。驾驶员出于自愿或法规需要采用提升效率的技术,如环保局智能道路项目,环保局/交通运输部第2阶段温室气体标准,这些都将有助于促进挂车技术的应用实施。
       政府法规在加速技术引进的同时,有时也会阻碍技术市场占有率的提升,即使该技术有着良好的投资回报率。例如,用摄像头代替后视镜需要法规的转变。类似的还有,车队列车(与车辆间距相关的法规)或更长的空气动力学挂车尾部(挂车长度法规)。许多法规都以安全性为基础,因此增加了技术开发的复杂性:即使超级卡车中有效节约燃料的技术方案也需要额外的法规支持或其它方面的开发以达到其市场潜力。
       本报告中的信息首先是基于当前对技术开发、当前和未来的市场环境(包括燃料价格)以及车队在车辆购置方面创新的预测,反映出与之相关的前沿技术规划。在将来,客户需求的改变不仅基于市场演变和发展趋势,还将基于法规的演变和发展。能源部尝试通过技术资料、已发布的公告、产品计划的有关新闻、以及与超级卡车团队的直接沟通来收集各企业在未来可能采用技术的有关完整的信息。这些技术的未来发展计划,例如时间表和商业化的具体计划被认为是具有商业敏感性的信息,因而不能完全公开发布。
      提高卡车效率技术的其他描述
      现在的8级牵引车-挂车是用于运输货物的一种复杂、有效的方式,包含大量技术以确保车辆的安全性、有效性和清洁度。超级卡车项目推动了大量新技术的发展,提升了现有的卡车设计。
       图5展示了在短期内应用的新技术,在之前的章节中也叙述过,同时也展示了这些技术将在8级卡车的哪个位置应用。

      超级卡车技术的商业化应用前景
       发动机
       超级卡车项目研究凸显了在将燃料能量转化为动能过程中提升发动机效率的多个领域(也就是说,提升发动机的热效率)。团队成员做出设计变更以减少发动机内部摩擦,提升缸内燃烧效率,通过改变涡轮增压器和其它空气操纵装置使气流出入发动机更加便捷。更多发动机效率提升方面的先进技术也即将来临,包括废热再循环系统,可将通常情况下在排气或冷却过程中损失的能量转化成供卡车使用的机械能或电能。
      传动系
       对变速器、桥和其它将发动机能量传递到车轮的零部件,超级卡车团队也发现了效率提升方面的机遇。机械式自动变速器(AMT)将离合器式手动变速器的机械能与优化后的自动变速器换挡策略相结合提升效率。超级卡车项目的成果之一就是生产商共同协作来完成发动机和变速器控制系统的集成,以确保各厂家以最高的效率进行合作。变速器和桥的设计变更可减小牵引车的发动机尺寸,并且在保证驾驶性能的同时,使发动机在更低的平均转速(自动降速)下运行。发动机尺寸的缩小和转速的降低为车辆效率提升提供了开发潜力。变速器和车桥齿轮润滑性能的提升有利于减少零部件之间的摩擦损耗。新的驱动桥设计使牵引车双桥中的一个用于驱动车辆,在保证双桥系统牵引力的同时减少第二驱动桥的摩擦损耗。
      空气动力学
       空气动力学的提升有助于降低车辆下坡时的空气阻力。超级卡车项目中,在挂车上增加了一些装置以提升挂车的空气动力学性能。其中包括挂车侧裙板,可遮盖住挂车的下部区域及后轮的前部区域,从而防止空气停滞于挂车下方。挂车的船型尾部使挂车后方区域的气流变得平顺,阻止后方形成一个低压区。导流罩和间隙减小装置覆盖住牵引车和挂车之间的空隙,防止空气停滞于牵引车驾驶室和挂车前部之间的区域。
       尽管现在的8级牵引车在过去10到20年间在空气动力学方面有相当大的提升,超级卡车团队仍发现了可继续提升的领域。位于牵引车前后轮之间重新设计的侧导流罩可以防止空气停滞于牵引车下方,而前方扰流板和保险杠的设计能引导气流位于卡车的周围而不是车辆下方。车顶导流罩的作用与之类似,引导气流平顺地流向牵引车上方,使牵引车的高度和挂车高度相匹配。有些导流罩和其它减小牵引车-挂车间隙的装置也在牵引车上应用。
      轻量化
       通过增加运输货物的重量,使卡车在法规允许的承重范围内(在相同的英里和加仑下能装更多的货物)或同等重量的货物使用更轻的卡车运输(同等重量的货物能行驶更多的英里数每加仑),可减少卡车的重量,从而提升整体的运输效率(吨-英里每加仑)。超级卡车团队通过改变车辆的材料来减重(例如,使用铝制鞍座连接牵引车和挂车,或用铝制轮辋代替钢制轮辋)。使用单宽轮胎也可以通过减少车轮的数量降低卡车的重量。
      轮胎滚动阻力
       轮胎滚动阻力是指轮胎在路面滚动时消耗的能量。这部分能量主要通过胎侧的弯曲和胎面在路面的摩擦消耗。轮胎滚动阻力的减少可通过传统方式实现,如轮胎设计和材料的改进,也可以通过新的轮胎概念,如单宽基轮胎来实现。制造厂商通过传统的方式减少滚动阻力,例如改变轮胎的材质(添加二氧化硅)和重新设计低摩擦的胎面。单宽基轮胎是通过使用一个更宽的轮胎替换原有的标准双轮胎来减低滚动阻力,最终,在保证承载能力的同时减少轮侧弯曲的影响(通过减少两个轮侧来实现)。
      能量管理
      能量管理是一个广义的术语,既一系列提升能量源在车辆上使用效率的技术。预测性巡航控制使用GPS地图和地形数据库查看前方道路情况,通过分级调整车速,进而提升燃油效率。节能反馈系统通过仪表板显示为驾驶员提供指导,使车辆效率发挥到最大。怠速管理系统在休息期间,也就是当驾驶员需要使用暖风或空调及其它电子设备时,可以使燃油使用最小化。这一系统使主发动机在运转和停止间循环提供车辆负载或通过使用辅助柴油机,车载电池,或非车载电气连接来产生车辆负载所需的动力。


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