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-挂车［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-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-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。
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％。
康明斯团队
1. 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，以及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体。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。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。
实现发动机55%BTE的路径包括进一步改进闭环循环热效率（即燃烧）、开环循环热效率（即用泵输送）、机械效率（即摩擦），和废热回收系统的进一步改进。寻找潜在燃料和替代燃油的努力正在展开。该团队正在研究多种方案，包括柴油预混充气压缩点火（PCCI）、柴油低温燃烧、双燃料均质充气压燃（HCCI）和单替代燃料均质充气压燃。主要焦点是缩短燃烧持续时间（更多预混燃烧），并增加燃烧产物的有效膨胀比率。其他提高发动机效率的计划有空气系统的匹配、燃烧均匀性的研究、废热回收集成和可变气门驱动（VVA）。这些分析路线图将与零部件的测试数据一起更新。
2. 运输效率
康明斯团队达成了货运效率目标，实际驾驶循环显示，货运效率提高了76%。彼得比尔特587型牵引车在65000磅车辆总重（32705磅有效载荷）进行了试验，据报告燃油经济性值在9.3～10.2mpg之间。康明斯没有采用混合动力，对8级卡车在27个驱动循环进行的汽车能耗分析表明，惯性和制动能量的贡献在0～2%范围内。根据这些数据可看出混合动力不具有优先性。没有考虑部件的电气化，因为涉及到不同能量转换效率的倍增效应（发动机将燃油能量转换成发动机的机械能，机械能在发电机中转换成电能，电气化部件再将电能转换成机械能）。康明斯团队正在通过联合使用先进牵引车-挂车空气动力学改进、高效先进变速器、载货车-挂车减重、低滚动阻力轮胎、结合燃油经济性工具的驾驶员显示、以及行驶路线管理系统共同来达成货运效率目标。
不考虑驾驶室主体的再设计，通过改进牵引车和挂车的空气动力学能将货运效率提高24.9%。值得一提的是，仅这一目标跟改进发动机提高货运效率的数值大约相当（约26%）。作为参考，目前经美国环保署SmartWay认证的挂车（SmartWay认证的空气动力学技术包括高级挂车间隙降低装置、挂车裙板、挂车端头导流板和挂车船型尾翼）能将阻力系数降低14%，带来的货运效率提升约7%。唯一需要说明的是，空气动力学组件使汽车自重增加了2000磅。这相当于慢速行驶或爬坡时——此时空气动力学优势低或不存在，汽车搭载了额外的负载。
自重降低能将货运效率提高约3%。图2给出了空气动力学装置和怠速管理系统（负数表示自重上升及相应的货运效率降低）增加的重量怎样被载货车和挂车的自重降低抵消。
先进的自动手动变速器将和15L发动机集成，车辆以巡航速度行驶时，发动机转速降低约200 r/min。较低的发动机转速降低了全功率时的寄生损失，将货运效率提高约3.5%，低滚动阻力轮胎能将货运效率提高约3.5%，驾驶员辅助工具和路径管理系统的使用有望再将货运效率提高约2.5%。
康明斯声明了另外一个目标，即在确定的24小时驱动循环（包括怠速）中使货运效率提高68%。这不是美国能源部的目标，而是康明斯另外确定的目标。通过系统进一步优化和怠速管理系统的使用，有望达成在24小时驱动循环中整个货运效率提高76%的目标。
戴姆勒团队
1. 发动机
戴姆勒选择的基准发动机是DD15底特律柴油机。该团队已经用小型化的11升发动机验证48.1%的发动机BTE，该发动机高速公路巡航时转速较低。图3对这种方法进行了说明。减少车辆负载后（改善空气动力学、降低轮胎滚动阻力以及其他因素，使得图中功率需求大约减少50马力），发动机工作点从点1移动到点2。手自一体变速器的使用，使得在相同功率需求水平下发动机速度下降300 r/min，工作点从点2移动点3。最后的措施是发动机小型化（点4是相对于绿色凸曲线；第3点是相对于红色凸曲线），以使发动机运转更接近峰值扭矩，这就是发动机的最低燃油消耗（和最高BTE）区域。
压缩比和峰值燃烧压力已经提高，并且对发动机活塞碗形状进行了重新设计。燃烧系统已对热效率（降低EGR率）进行了重新优化，稍微影响了发动机NOx排放（是15升基准发动机的3至5倍）。这给后处理系统带来一些限制，因为必须调整后处理系统的尺寸并降低背压，以实现发动机高效率。因为发动机转速降低，以及降低了EGR率需求，涡轮增压器的大小已进行调整，以实现更低流速。
减少寄生负载已在水泵和气缸组件中实现。美国麻省理工学院（MIT）继续研究进一步降低寄生负载，通过改变冲程中间区域冷却的衬垫、油路、优化泵和采用新的润滑剂配方来实现。
一种新的可预测型发动机控制器正在开发中，它能使发动机在不同转速和负载之间转换时，停留在最佳燃油经济性工作点。这种控制器选择用宽广发动机运行图搭建的神经网络模型，优化燃料效率（相比基准发动机达5％的燃料消耗改善）和减少校准复杂性。
有机朗肯循环废热回收系统已经证明使用乙醇作为工作流体能够达到+1.3％的BTE绝对改善。该系统从发动机废气回收热量，并使用电动机为电动混合动力驱动系统或高压电池充电提供动力。另外，从散热器和进气中冷回收热量预计能实现额外的0.7％的BTE绝对改善（总共+2.0％）。附加燃烧系统优化、降低寄生负载和降低背压涡轮增压器预计可提供1.2％的BTE绝对改善，最终实现了50％的BTE目标。
对于55%的BTE目标，戴姆勒计划采用精细校准、减少空气压缩机和动力转向、可能还有涡轮增压的寄生负荷来获得+4.5％的BTE绝对改善。废热回收系统预计将被改进，以获得+2.5％的BTE绝对改善。
2. 运输效率
2009款福莱纳Cascadia高顶卧铺驾驶室被选为戴姆勒的基础车型。该团队面临的一个重要挑战是将多个新部件和子系统集成到最终车辆上，解决它们的功能和效率之间的平衡问题。图4给出了8个跨功能的提升超级卡车货运效率50%的技术领域。2013年中期以来，该团队使用计算机辅助仿真工具进行开发设计，也已经制造了一个完整的原型样车。
货运效率提高50%的技术路线包括牵引车和挂车空气动力学改进、混合动力传动系、冷却系统集成（位于发动机、废热回收和混合系统之间）、低滚动阻力轮胎、预测技术、经济驾驶员反馈、电动空调和一个燃料电池辅助动力装置。
因此，已经在单系统层面测量了货运效率提升56.5%，将发动机效率从42%的制动热效率提高到48.1%制动热效率，能使货运效率提高14.5%，其他16%的提升来源于牵引车和挂车空气动力学改进，约有一半的降低来源于挂车。
动力系和传动系技术带来16.5%的提升。这一类包括牵引车和挂车混合系统、变速器、桥、轮端、车轮、低滚动阻力轮胎的优化。其中混合系统使用并联结构（电机位于发动机和变速器之间）能提供60kW的驱动力。该系统将再生制动能量储存在3kW蓄电池中，工作电压为360V。自动手动变速器能使发动机转速下降。汽车轻量化提供另外5%的提升。其他技术如能量管理（例如降低怠速）带来3.5%的提升，降低寄生损失带来1%的提升。下一步包括将各个子系统集成到整车上，以及超级卡车示范车辆的制造。
开发的技术中，有些目前可以商业化应用，有些还存在应用障碍，有些在短期内还无法实现商业化，见图5。
纳威司达团队
1. 发动机
纳威司达超级卡车团队于2010年10月启动项目后，曾于2012年10月暂停，解决生产问题，2014年4月重启超级卡车活动，将于今年9月完成目标。该团队已经展示了49.6％的发动机BTE。纳威司达的基准发动机为13升MaxxForce发动机，BTE为42.15％。燃烧系统采用更高压缩比、更高峰值气缸压力（220bar）和运行在2900bar的共轨喷射系统（+3％的BTE绝对改善），增强其效果。改进空气系统（与VVA共同发挥作用）和两级涡轮增压器的应用可以进一步增加+ 1％的BTE绝对改善。采用电动变速油泵和水泵，可以减少发动机摩擦，增加1％的BTE绝对改善。电控涡轮增压（涡轮/发电机反馈电力到电动机，后者联接到发动机输出轴）可以增加+1.5％的BTE绝对改善。
由于复杂性、重量和有机朗肯循环废热回收系统预计投资回收期较长，该团队决定不把这些技术纳入50％的BTE目标。相反，减少摩擦部件摩擦被采用，还采用了下一代涡轮增压系统和再优化燃烧技术。纳威司达是唯一介绍了技术成本信息的团队，见表3。其最终项目方案显示，上述发动机技术的平均预期投资回收期在1年以内。然而，混合动力系统的预计投资回收期信息没有给出。需要注意的是，其最终预测显示，其相对改善为17.4％，BTE目标为49.6％。这些改善值加起来没有达到50％BTE的最终目标。
纳威司达达成55%BTE的方法基于反应性控制压燃（RCCI）概念，由阿贡国家实验室开发。目前工作重点放在与乙醇/汽油和柴油的混合物进行低温燃料的燃烧反应测试。获得的最佳BTE已达45.1%（仅从燃烧角度分析，并展望47%的BTE），具有更好的PM和NOx发动机排放控制。纳威司达的后处理方案目标是发动机排放低于1g/bhp-hr氮氧化物和0.02g/bhp-hr颗粒物，允许使用约80%的SCR转化率。目前的目标是氮氧化物低于0.15g/bhp-hr的水平下，获得BTE达47%以上。另外实现55％BTE效率展示路径有进一步降低发动机摩擦涡轮、优化涡轮增压、VVA，以及可能的基于有机朗肯循环的余热回收系统。
2. 运输效率
纳威司达团队选择用混合动力和牵引车-挂车空气动力学特性改善提高汽车货运效率。阿文美驰混合动力系使用双模式结构（串联/并联结构）省去了离合器，见图6。汽车速度低于50mpg时，将以串联模式行驶（即仅使用电动动力行驶）；速度更大时，则转换到并联模式。该系统使用高功率（350kW，750V）液体冷却的锂离子蓄电池，容量为28kWh。这一双模式系统允许柴油机在接近峰值热效率的操作点持续工作，不管是给蓄电池充电还是通过两速超速档变速器给主动轴提供动力。
设计该系统时，尽量降低尺寸和重量，最终其尺寸和重量与传统变速器（带离合器）相当。该系统也给电动辅助装置（如动力转向液体泵、空压机和空调压缩机）提供动力。该轻量化的混合动力系能将货运效率提升约6％（纳威司达用于验证的试验循环包括75%公路循环和25%城市道路循环。如果应用更多的城市驱动循环，混合系统的潜在节省将增加到约10%。仿真表明，瞬态驱动循环时，货运效率提升为15～25%）。
纳威司达还开发了许多空气动力学改进的、按比例缩小的样车模型，并在风洞中进行了试验。通过载货车和挂车改进，空气动力学阻力有望降低42%（换句话说，概念车的货运效率大约提升21%）。纳威司达正在研究载货车的后置发动机概念，使用后置发动机，可以将驾驶员和风窗前移，允许改进车身的空气动力学形状。美国劳伦斯利福摩尔国家实验室正在开发空气动力学挂车概念。图7给出了纳威司达在牵引车和挂车的空气动力学提升情况。
除混合动力和空气动力学改进之外，纳威司达还开发了预测性循环控制系统，预测性巡航控制系统使用地图上的高度数据和GPS定位预测前路上的上坡和下坡。据称，该系统能将燃油经济性提高3～10%。
该团队已经制造并试验了第一辆使用混合动力系统的原型样车。第二辆车还使用了其他技术如涡轮复合技术、主动鞍座技术、乘坐高度自动调节技术、6×2后桥、盘式制动器，而且空气动力学挂车已经装配好，但还未经过试验。项目末期时，该团队计划制造第3辆超级卡车最终示范车。
综上所述，纳威司达在该项目中使用了以下技术，见图8。
沃尔沃
项目分为两个阶段进行，见表4。
第一阶段（2011-2013年），识别这些技术和理念，进行概念选择，基础发动机测试、相关技术开发、概念评估，在中期时间里最大程度提高货运效率和投资回报率。
第二阶段（2014-2016年），进一步深化第一阶段选择的先进概念，进行技术改进、验证、发动机试验、整合、底盘演示、优化和车辆展示等，把新技术整合到展示车辆中，把最成熟的技术商业化，获得可接受的投资回报率。
1. 发动机
沃尔沃动力传动系统采用“正确尺寸”的方法，其中小型化、发动机降速用于在发动机曲线图中高热效率区域的运行。图中点1表示为基准车辆典型道路负载条件。随着车辆水平的改进，如空气动力学和低滚动阻力轮胎降低对负荷的要求，发动机运行移向点2。发动机降速移向点3，通过改变变速箱/驱动轴的齿轮比来实现。最后，发动机小型化使工作点移向点4，位于小型发动机运行图的峰值效率区域附近，见图9。
沃尔沃11升发动机还采用其它一些技术，例如减小动力气缸机构的摩擦、高压燃料喷射系统、改进燃烧室、改进后处理系统，以及改进润滑油和冷却回路。相较于其他团队，沃尔沃正在计划实施涡轮增压和废热回收这两项技术。该废热回收系统采用闭环控制，为提供路况多变的公路驾驶提供稳态控制。初步测试已经超出了预期，废热回收涵盖77%的时间，包括短暂的公路驾驶循环的暖车。2014年，研究团队已经在实验室验证动力传动系统达到48%BTE，比计划提前1.5年。用于道路评估的底盘安装正在进行，预计燃油经济性改善达10%左右。在图3中，涡轮增压的益处都包含在“泵”组合中，因此“能量回收”组合只包括废热回收。涡轮增压和有机朗肯循环废热回收系统通过机械方式连接到发动机输出轴。
沃尔沃针对55%BTE的目标，工作集中在研究创新发动机配置和燃烧模式。完整的战略正在细化中，建立在项目第一阶段平行调查结果的基础上。宾夕法尼亚州立大学正在研究多种燃料的先进燃烧。初期发动机试验达到51%的BTE，采用混合模式HCCI（均质充量压燃）燃烧，用20%的二甲醚（DME）能源替代和30%的丙烷能源替代。接下来的步骤包括全发动机仿真，以及持续的研究发动机测试，以验证概念。
2. 运输效率
由于超级卡车项目的驱动，带来一系列的技术提升：车顶整流罩、外张的底盘整流罩、空气动力学优化的保险杠、车尾整流罩优化、车厢裙部优化、间隙整流罩优化、LED前大灯、LED车内照明、6×2轴配置、铝传动轴、发动机寄生损失减少等，见图10。
沃尔沃将货运效率提高50%的方法依赖整车技术集成，使用仿真来预测部件提升对整车效率提升的作用，以识别和评估最有希望的技术。这些仿真表明空气动力学的改进和滚动阻力的降低会导致下坡时需要更大的制动力来控制汽车速度。预测性汽车控制装置和扭矩管理工具也许可以解决这一问题。经过长途驱动循环分析之后，沃尔沃团队考虑到重量和成本等问题，决定不采用完全混合动力系统。但是，沃尔沃团队正在评估各种能量回收系统（可能包括某种形式的微混），以利用额外的制动能量。
通过计算机流体动力学仿真优化整车几何尺寸（牵引车和挂车），以平衡动力系统冷却和空气动力学的要求。图11给出了沃尔沃的空气动力学概念。空气动力学阻力降低20%，则货运效率提升10%，道路试验已经验证了这一点。阻力降低目标被设定为40%（货运效率提升约16%）。低滚动阻力轮胎的使用目标是（与基础车辆相比）将负载降低20%，带来货运效率提升约5%。
该团队计划使用双离合器变速器，扭矩中断更少，换挡过程瞬态作用更少。使用该变速器能使发动机转速降低，从而提高燃油效率。因为通过保持涡轮增压器增压，不断开传动系，发动机能保持扭矩，允许在更低的发动机转速巡航。正在研究的项目还有“智能”6×2车桥结构，它能通过降低运动部件和啮合齿轮的数目而降低寄生负载和重量。
该团队正在研究降低载货车自重的各种设计，以弥补新技术装置（如空气动力学装置、废热回收装置、涡轮复合装置）带来的重量上升。新概念车架、轻量化悬架、铝车轮、顶棚复合材料、发动机尺寸下降和6×2车桥有望提供同等的重量降低。
沃尔沃计划将辅助负载降低25%。在这些方法中，新LED灯带来的燃油节省超过100加仑/年。（假如每年行驶12万英里，燃油效率为6 mpg，100加仑/年占到总燃油消耗的0.5%）。集成能量管理和预测巡航控制也有望提高汽车效率。沃尔沃正在概念车上尝试使用概念动力系，下一步是进行路试来验证整车性能。
(转自东方汽车网)
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