【美】 A．Kopin S．Musselman

重型載貨車運(yùn)輸整車標(biāo)準(zhǔn):優(yōu)化貨運(yùn)效率優(yōu)勢(shì)以滿足美國(guó)溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)

【美】 A．Kopin S．Musselman

中型和重型商用車行業(yè)一直專注于提高貨運(yùn)效率，降低客戶的總運(yùn)營(yíng)成本。為了優(yōu)化燃油效率，大多數(shù)廠商不再專注于分立組件，而是看重整車和操控。展望2030年，未來(lái)效率提升的路徑不夠明確，1種解決方案不能適用于所有的制造商或車輛應(yīng)用。因此，燃油效率法規(guī)必須有足夠的適應(yīng)性，允許各種技術(shù)方法以確保商用卡車市場(chǎng)的需求得到滿足。描述美國(guó)環(huán)保署(EPA)1階段溫室氣體排放模型(GEM)，討論預(yù)計(jì)將被用來(lái)改善未來(lái)燃油效率的技術(shù)，以及如何完善2階段的下一代GEM，跟蹤這些技術(shù)，包括為什么要修訂駕駛循環(huán)。這項(xiàng)工作也將討論如何通過(guò)改進(jìn)下一代GEM模擬增強(qiáng)法規(guī)監(jiān)管能力，使技術(shù)中立，與實(shí)際的技術(shù)進(jìn)步保持一致，正確反映目前溫室氣體(GHC)減排的技術(shù)滲透成果，即在不影響排放達(dá)標(biāo)的情況下豐富重型載貨車市場(chǎng)的產(chǎn)品多樣性。最后，評(píng)估這些理念以提高對(duì)重型載貨車市場(chǎng)未來(lái)溫室氣體排放法規(guī)的有效性，確保監(jiān)管的完整性。

排放標(biāo)準(zhǔn) 重型載貨車 變速器 小型化

0 引言

2011年，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署和美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(以下簡(jiǎn)稱“機(jī)構(gòu)”)頒布了有史以來(lái)第一次為重型發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的燃油效率法規(guī)(“1階段”)［1］。1階段創(chuàng)建了重型(HD)發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的2個(gè)平行方案。重型發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目不僅歸功于發(fā)動(dòng)機(jī)CO2或燃油消耗節(jié)省，也在于整個(gè)動(dòng)力總成乃至發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的節(jié)能減排。該車輛項(xiàng)目不只針對(duì)于車輛技術(shù)，如空氣動(dòng)力學(xué)和限速器，也包含動(dòng)力總成，如發(fā)動(dòng)機(jī)配件、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻策略、變速器換檔策略，以及發(fā)動(dòng)機(jī)和整車系統(tǒng)集成等技術(shù)。對(duì)于機(jī)構(gòu)的仿真模型，溫室氣體排放模型(GEM)假定了預(yù)設(shè)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)“燃油圖”(即基于發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況點(diǎn)要求的燃油消耗值)和預(yù)設(shè)的動(dòng)力總成特性。1階段通過(guò)分離出來(lái)的組件已經(jīng)在認(rèn)證CO2排放值和實(shí)際的改善燃油經(jīng)濟(jì)性之間產(chǎn)生了分歧，如來(lái)自整車的發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度的增加，這種分歧風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致原始設(shè)備制造商(OEM)被迫開(kāi)發(fā)新技術(shù)，提供試驗(yàn)循環(huán)的改進(jìn)。

1 1階段的實(shí)際影響

1．1 實(shí)現(xiàn)美國(guó)環(huán)保署(EPA)1階段GEM

1階段的命令在2014年開(kāi)始生效，關(guān)于其效果的數(shù)據(jù)在很大程度上受到限定。1階段的最大成功是認(rèn)可了重型載貨車行業(yè)高度多樣化產(chǎn)品的事實(shí)。當(dāng)銷售量數(shù)值較多時(shí)，要想運(yùn)行成千上萬(wàn)的獨(dú)特試驗(yàn)，對(duì)于 OEM來(lái)說(shuō)是不可行，所以就要實(shí)現(xiàn)1套OEM實(shí)際可以遵守的監(jiān)管程序。同時(shí)，還要認(rèn)識(shí)到模擬的重要性，因?yàn)槟M提供了1種方法，可以遵從1階段的程序，并且在2階段繼續(xù)承接實(shí)施。

1．2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)循環(huán)

1階段計(jì)劃的缺陷之一是實(shí)際工況和用于測(cè)量符合單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的整個(gè)試驗(yàn)駕駛循環(huán)之間存在差異。工程師們?cè)鲞^(guò)基準(zhǔn)研究，確定了DTNA產(chǎn)品的燃料效率優(yōu)點(diǎn)，以及對(duì)實(shí)際燃料消耗量和已認(rèn)證燃料消耗(CO2)水平進(jìn)行了比較。在2個(gè)單獨(dú)(但相同的)車輛上比較了2種發(fā)動(dòng)機(jī):發(fā)動(dòng)機(jī)A安裝在Freightliner Cascadia車型配有2013年款DD15發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配手自一體變速器，車輛試驗(yàn)總質(zhì)量為73 500 kg;發(fā)動(dòng)機(jī)B是1臺(tái)2013年同期售出的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的發(fā)動(dòng)機(jī)，也安裝在1輛Freightliner Cascadia車型上，試驗(yàn)總質(zhì)量為73 500 kg。

試驗(yàn)在相同路線的2輛卡車上進(jìn)行。拖車和司機(jī)在試驗(yàn)路線的中點(diǎn)被調(diào)換，以盡量減少潛在駕駛員和/或拖車對(duì)試驗(yàn)的影響。司機(jī)的影響也通過(guò)使用規(guī)定的換檔策略和巡航控制，使之最小化。這2款發(fā)動(dòng)機(jī)都滿足了EPA 1階段的CO2的排放標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果是由EPA認(rèn)證發(fā)動(dòng)機(jī)具有在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功認(rèn)證試驗(yàn)循環(huán)中更低的CO2排放值，如圖1所示。

試驗(yàn)循環(huán)的燃料消耗值和實(shí)際道路燃料消耗值之間的差值接近6%。雖然單位數(shù)值差可以忽略不計(jì)，但實(shí)際上相當(dāng)于1階段項(xiàng)目2017年計(jì)劃所需的整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)CO2減少量，并代表了當(dāng)今柴油機(jī)排放得到了巨大的改善。

最初設(shè)計(jì)的整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)中采用了CO2排放試驗(yàn)程序，以確保在大范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下滿足標(biāo)準(zhǔn)污染物排放。尤其，采用斜坡模式循環(huán)(RMC)測(cè)量長(zhǎng)途運(yùn)輸用發(fā)動(dòng)機(jī)的合規(guī)性，并不能代表發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)今汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的運(yùn)作方式。RMC基于歐洲穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，該試驗(yàn)循環(huán)目的是要確保在發(fā)動(dòng)機(jī)潛在的工作范圍下控制排放，但沒(méi)有強(qiáng)調(diào)加權(quán)操作模式。由圖2顯示，雖然試驗(yàn)循環(huán)確保了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)排放，但一定速度與運(yùn)行的時(shí)間的百分比和實(shí)際工況不匹配，這意味著在高轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷的試驗(yàn)循環(huán)中過(guò)分強(qiáng)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)操作，該試驗(yàn)循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2認(rèn)證值與現(xiàn)實(shí)情況不符。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)試驗(yàn)燃料使用的結(jié)果

圖2 試驗(yàn)駕駛循環(huán)和現(xiàn)實(shí)世界工況的對(duì)比

解決試驗(yàn)循環(huán)和實(shí)際運(yùn)行之間差異的1種選擇就是簡(jiǎn)單地調(diào)整CO2試驗(yàn)的試驗(yàn)循環(huán)點(diǎn)，目的是通過(guò)應(yīng)用更強(qiáng)調(diào)低速運(yùn)行和較少?gòu)?qiáng)調(diào)較高速度運(yùn)行的情況下，反映現(xiàn)代動(dòng)力系統(tǒng)的操作。雖然這會(huì)改善目前傳動(dòng)系統(tǒng)的狀況，但這與將來(lái)的傳動(dòng)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生匹配困難，從而在試驗(yàn)循環(huán)加權(quán)上延遲實(shí)際開(kāi)發(fā)進(jìn)度。同時(shí)，不斷變化的監(jiān)管目標(biāo)也使優(yōu)化變得更為困難。

降速趨勢(shì)可能會(huì)持續(xù)，簡(jiǎn)單調(diào)整權(quán)重很可能不是未來(lái)10年發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的適當(dāng)解決方案。實(shí)際情況和試驗(yàn)循環(huán)油耗之間的分歧將可能隨著政策越來(lái)越嚴(yán)而惡化。更精確的方法是在1個(gè)駕駛循環(huán)模擬工具內(nèi)，包括實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗特性或噴油脈譜，以便結(jié)合具有不斷發(fā)展的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和不斷變化的運(yùn)行速度的實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，消除單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)。最重要的是，由于車輛道路負(fù)荷降低要求是通過(guò)改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)、滾動(dòng)阻力和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)管理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而重新加權(quán)值將被淘汰。

1．3 空氣動(dòng)力學(xué)

溫室氣體(GHG)1階段的空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程雖然是基于假定的零度偏航測(cè)量和計(jì)算而得，但卻是錯(cuò)誤的，它試圖解釋在非零偏航風(fēng)力條件下的車輛空氣動(dòng)力學(xué)。這種方法實(shí)質(zhì)上造成了法規(guī)與車輛空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)際工況之間的重大脫節(jié)，在最壞的情況下，會(huì)誘導(dǎo)OEM專注于法規(guī)要求的開(kāi)發(fā)力度，而不是實(shí)際工況的需求。

由于車輛行駛速度不同，并且可能受到任意量級(jí)的風(fēng)力影響，因此OEM不斷優(yōu)化零和非零偏航條件下的車輛空氣動(dòng)力學(xué)，以便通過(guò)最小化發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)荷而減少實(shí)際工況的燃料消耗。

鑒于下一代GEM 2階段中推薦包含的實(shí)際燃料萬(wàn)有特性圖，對(duì)于法規(guī)成功定義1套修訂程序是絕對(duì)關(guān)鍵的因素，該套程序可最終影響下一代GEM中使用實(shí)際工況代表的空氣阻力系數(shù)。例如，在2階段使用1階段基準(zhǔn)的空氣阻力系數(shù)將導(dǎo)致實(shí)際燃料消耗量被相當(dāng)大的低估，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料萬(wàn)有特性圖中并不能代表實(shí)際工況中過(guò)分強(qiáng)調(diào)的區(qū)域。

1．4 輕量化

2階段相較于1階段應(yīng)該更好對(duì)車輛質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算和稱重。在1階段，GEM假定1個(gè)固定的車輛質(zhì)量，然后減去低密度材料物品的質(zhì)量(如鋁)，達(dá)到任何給定的整車質(zhì)量。僅在以下2種情況，才能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出載質(zhì)量:(1)低密度材料直接代替高密度材料;(2)兩者體積或質(zhì)量已知，在其他情況下，僅僅使用低密度材料并不直接轉(zhuǎn)換，甚至也不一定與節(jié)省質(zhì)量有關(guān)聯(lián)。例如，使用鋁輪代替鋼輪的結(jié)果，眾所周知是降低質(zhì)量。而使用鋁材橫梁或懸掛組件時(shí)，不一定會(huì)降低載重質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)等效強(qiáng)度，鋁組件的需求量可能增加。

工程師們已經(jīng)確定了其產(chǎn)品或地區(qū)的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)的基準(zhǔn)研究，并將在未來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

整車評(píng)價(jià)的另一個(gè)缺陷是采用固定的牽引車質(zhì)量，這種作法沒(méi)有體現(xiàn)整體減重設(shè)計(jì)所帶來(lái)的減重效果。減重的動(dòng)力不僅僅源于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的制訂，同時(shí)還能夠減少材料成本。相對(duì)于部件級(jí)質(zhì)量，很多OEM廠商總是有意愿去尋找系統(tǒng)級(jí)及整車質(zhì)量中的減重可能性。如果未來(lái)的排放法規(guī)尋求真正的輕量化，那么1種綜合方法可能是行業(yè)中最佳的解決方案。然而，這樣的解決方案需要有其他的權(quán)衡，如制定一個(gè)強(qiáng)大的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和給制造商增加額外的合規(guī)性負(fù)擔(dān)。

總之，EPA應(yīng)尋求信用組件，采用質(zhì)量節(jié)省的直接替代品(如車輪)，而不是實(shí)際車輛的質(zhì)量與發(fā)動(dòng)機(jī)排量負(fù)相關(guān)。

1．5 駕駛循環(huán)

鑒于全國(guó)商用車隊(duì)油耗主要取決于8級(jí)長(zhǎng)途貨運(yùn)車輛，故確定下一代GEM針對(duì)該級(jí)別車輛的駕駛工況循環(huán)的缺點(diǎn)就顯得尤為重要。對(duì)于8級(jí)長(zhǎng)途貨運(yùn)仿真，目前的 GEM模型主要基于 55 mph①、65 mph這2個(gè)穩(wěn)態(tài)水平路面工況計(jì)算得到的燃油消耗權(quán)重來(lái)確定油耗。由于典型的重型商用車的油耗是高度敏感的，這成為在車輛采購(gòu)中定義最高效傳動(dòng)配置的1個(gè)重要因素。

實(shí)際駕駛循環(huán)的再現(xiàn)應(yīng)該培育和量化，應(yīng)以現(xiàn)實(shí)的方式培養(yǎng)和量化，得益于現(xiàn)實(shí)方式中的動(dòng)力系統(tǒng)管理功能。重型長(zhǎng)途運(yùn)輸業(yè)迅速吸收新興動(dòng)力系統(tǒng)控制與信息技術(shù)。由于現(xiàn)有對(duì)8條長(zhǎng)途運(yùn)輸線的仿真固定在水平地面上的車輛行駛速度，這個(gè)模型沒(méi)有反映技術(shù)的好處，如根據(jù)現(xiàn)有的和接近的道路地形(基于全球定位系統(tǒng)和道路測(cè)繪)，預(yù)測(cè)巡航控制和最佳控制車輛的速度。隨著GEM能力的擴(kuò)大和道路等級(jí)的提出，在模型內(nèi)改變道路的速度，以方便考慮模擬預(yù)測(cè)技術(shù)。

1．6 1階段中的燃油效率技術(shù)——結(jié)果和局限性

在1階段，EPA創(chuàng)建1個(gè)基于Matlab/Simulink的模型，溫室氣體排放的模型“GEM”，作為1種手段，可以與EPA 1階段的溫室氣體排放量和符合NHTSA的車輛油耗標(biāo)準(zhǔn)建立關(guān)系。GEM由6個(gè)系統(tǒng)組成，包括環(huán)境、驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和車輛，其中每一個(gè)可能有1個(gè)以上的組件模型。這些系統(tǒng)可推導(dǎo)方程模型的傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的行為。隨著時(shí)間的推移，整體模擬車輛的瞬態(tài)速度和扭矩結(jié)果。由于1階段時(shí)間表的壓縮，EPA和NHTSA預(yù)先定義的結(jié)合牽引車所有子類別的輸入，包括:前部牽引、牽引組合和有效載重?cái)?shù)量、齒輪箱及其效率、主減速器速比、發(fā)動(dòng)機(jī)/變速器/車輪慣性、附件負(fù)荷、軸距、輪胎半徑、輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料參數(shù)。

GEM是1個(gè)有點(diǎn)簡(jiǎn)化的模型，不包括一些重要的物理因素，如道路等級(jí)或?qū)嶋H效率地圖的傳輸或后橋。此外，在生產(chǎn)和發(fā)展的高清工業(yè)，GEM不能直接模擬許多電子控制策略(如傳輸控制策略)高度復(fù)雜的發(fā)展。這種限制意味GEM將無(wú)法準(zhǔn)確地用于所有車輛技術(shù)，減少實(shí)際的燃料消耗。OEM將繼續(xù)追求現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)輸效率的提高，除非開(kāi)發(fā)新技術(shù)在測(cè)試周期提供效益，這些效益是沒(méi)辦法轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的。

2 燃料效率技術(shù)展望

2．1 未來(lái)五年

eCoast或 EcoRoll可提供高達(dá) 0．4%～3．5%燃油效率，具體取決于地形、車輛質(zhì)量、速度，以及其他因素的影響。這種高度競(jìng)爭(zhēng)和專有的控制策略是由1個(gè)自動(dòng)變速器(AMT)的使用激發(fā)的，是預(yù)測(cè)巡航控制1個(gè)獨(dú)立的技術(shù)，并且應(yīng)該像NextGenGem被記錄。DTNA推薦在適用于2021年時(shí)間計(jì)劃的2階段中，采用1個(gè)至少為1．5%的后處理信用評(píng)分，考慮到車輛將變得更加高效，eCoast將提供更多節(jié)油效果，EPA和公路交通管理局考慮在2024年和2027年提高該改善系數(shù)，在eCoast戰(zhàn)略模式下，將松開(kāi)離合器，讓車輛空轉(zhuǎn)的情況下，不要求發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。打開(kāi)離合器滑行基本上消除了發(fā)動(dòng)機(jī)阻力能量損失，使車輛進(jìn)一步滑行。當(dāng)1輛卡車在齒輪燒傷或沒(méi)有燃料下滑行，它使車輛更快地在非旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)(即摩擦泵)工作。這是1個(gè)離合器分離時(shí)的場(chǎng)景對(duì)比，引擎是傳動(dòng)系統(tǒng)的解耦。在這種狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)需要燃燒的燃料以保持其怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。在后一種情況下，車輛的動(dòng)能不會(huì)丟失以克服發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦和泵送損失。因此，在小坡度道路上，卡車可在驅(qū)動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開(kāi)的情況下仍維持車速甚至加速，而帶檔滑行需要更陡的坡度來(lái)維持車速(或加速)。

2．2 預(yù)測(cè)技術(shù)

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

預(yù)測(cè)技術(shù)使用高度競(jìng)爭(zhēng)性的專利算法，基于獲取的前方地形信息，通過(guò)控制扭矩需求和阻力損失來(lái)優(yōu)化燃料消耗。通過(guò)在評(píng)估車輛現(xiàn)狀之前先評(píng)估道路地形和預(yù)期的速度設(shè)定值，預(yù)測(cè)技術(shù)有選擇地應(yīng)用替代動(dòng)力狀態(tài)，從而減少燃料消耗。多個(gè)制造商開(kāi)始開(kāi)發(fā)一系列的預(yù)測(cè)技術(shù)，以提高燃料效率。雖然每個(gè)制造商實(shí)施細(xì)節(jié)各不相同，但又有許多共同的特點(diǎn)，包括集成優(yōu)化的動(dòng)力傳動(dòng)、AMT、GPS定位、道路特征信息、坡度傳感器和車輛質(zhì)量預(yù)估等。

預(yù)測(cè)技術(shù)使用的車輛知識(shí)(如巡航控制集的速度，車輛質(zhì)量和全球定位系統(tǒng)的位置)結(jié)合了道路知識(shí)(地圖數(shù)據(jù)、級(jí)傳感器)，以使最有效的瞬間使動(dòng)力總成控制決策。這可以包括在上山之前加速，保持齒輪超過(guò)正常降檔點(diǎn)，預(yù)先選擇1個(gè)齒輪，或讓車速偏離巡航控制設(shè)定車速(圖3)。

圖3 節(jié)能新技術(shù)

除了提供這些改進(jìn)的控制決策，預(yù)測(cè)技術(shù)往往還包括先進(jìn)的動(dòng)力總成控制模式，如“EcoRoll”或“eCoast”。預(yù)測(cè)技術(shù)的主要目的通過(guò)從根本上使用車輛及貨物作為儲(chǔ)能裝置利用可利用的能量。圖4中的超級(jí)卡車程序，Daimler公司研究的課程之一能夠證明預(yù)測(cè)技術(shù)作為1個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)正在探尋管理相同的能量損失。這樣做可以降低費(fèi)用，及質(zhì)量和硬件的復(fù)雜性(為客戶節(jié)約維護(hù)和可能的停機(jī)時(shí)間)。更重要的是，一些研究表明，某些混合配置實(shí)際上可以對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生負(fù)面影響。

2．3 發(fā)動(dòng)機(jī)減小排量提高輸出和降低轉(zhuǎn)速

縮小尺寸和降速的概念可以更有效的減少燃料消耗。作為策略之一，降速可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒壓力，從而以不同的方式提高效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的寄生損失許多來(lái)源于速度依賴性，如環(huán)摩擦，軸承摩擦和附件加載等。通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了這些寄生損失。然而，功率等于轉(zhuǎn)速的扭矩，因此扭矩必須增加與減速相當(dāng)，以保持功率輸出。

相對(duì)于基線發(fā)動(dòng)機(jī)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火壓力可以在1個(gè)給定的速度相對(duì)增加扭矩輸出。減小排量實(shí)際與降低轉(zhuǎn)速相抵觸，而且可能降低性能、駕駛員滿意度，以及卡車運(yùn)輸能力，所以需要保證維持車輛在坡道上的性能。另一方面，由于當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排量減小時(shí)，機(jī)械限制了最大扭矩能力，因此減小排量的余地是有限的。

縮小尺寸可以在質(zhì)量、包裝和后處理的性能方面提供優(yōu)勢(shì)，而在典型道路負(fù)荷條件下的爬坡能力、噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)和靈敏度如表1所示。這些權(quán)衡出現(xiàn)是因?yàn)樵?個(gè)較小的發(fā)動(dòng)機(jī)增加負(fù)荷因子，以保持基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)類似的性能。通過(guò)較高負(fù)荷率的運(yùn)行，熱效率普遍提高，可獲得更高的排氣溫度，有助于處理系統(tǒng)輔助催化還原。增加負(fù)荷因子和降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排量的缺點(diǎn)在于加大了NVH挑戰(zhàn)，縮小了給定的負(fù)荷工況循環(huán)下的耐久性允許范圍。

圖4 預(yù)測(cè)循環(huán)控制節(jié)能技術(shù)與混合動(dòng)力能力回收技術(shù)對(duì)比

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)縮小尺寸潛在優(yōu)勢(shì)和成本

此外，較小的發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值扭矩是有限的，峰值扭矩由材料特性限制了功率和扭矩。功率的限制可能會(huì)影響爬坡能力。

3 EPA 1階段溫室氣體排放模型的改善措施和限制條件

3．1 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院給GEM的建議

在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院(NAS)的中期報(bào)告中，已經(jīng)對(duì)有關(guān)機(jī)構(gòu)如何改善GEM提出了若干建議。第一項(xiàng)建議指出，這些機(jī)構(gòu)“試圖優(yōu)化單個(gè)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真考慮對(duì)相關(guān)指標(biāo)的影響”。報(bào)告詳細(xì)闡述了這一點(diǎn)，指出“GEM指定主要部件的性能圖，如發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，并且不信任那些具有使用潛在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器獲益的車輛制造商”。為了幫助解決這個(gè)問(wèn)題，NAS建議機(jī)構(gòu)考慮下一代GEM中允許OEM采用特定的數(shù)據(jù)。Daimler公司一貫主張，發(fā)動(dòng)機(jī)上的改進(jìn)作為車輛的1個(gè)集成組件的整車標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范重型工業(yè)的最有效方式。圖5演示了整車標(biāo)準(zhǔn)的重要性，以及車輛及其動(dòng)力系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)的。在1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)上評(píng)估1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是不夠的，并且單獨(dú)評(píng)估車輛特性對(duì)燃油效率也很重要。圖5(a)顯示了1臺(tái)公路發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)的制動(dòng)比油耗脈譜圖，y軸表示功率，x軸表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖5(b)表示1套完整的動(dòng)力總成的軸功率比油耗圖，y軸表示功率，x軸表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)消耗的燃料量顯示，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，最終輸送到車輪的功率。在脈譜圖占該變速器和車橋上的損失比重，而且功率損耗由附件負(fù)荷消耗。水平線包括不同轉(zhuǎn)速下的8級(jí)載貨車預(yù)計(jì)的水平道路負(fù)荷功率要求。如果只考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)燃油消耗率(BSFC)，那么動(dòng)力總成的配置選項(xiàng)(如降速)可能不具有很大的吸引力或不會(huì)產(chǎn)生多大的好處。不過(guò)，作為1個(gè)完整的系統(tǒng)，該機(jī)型顯示出諸如降速的好處。

圖5 汽車效率萬(wàn)有特性圖

超出包括在下一代GEM中的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗的額外改進(jìn)應(yīng)在2階段實(shí)施。與下一代GEM假設(shè)的固定值相比，1種代表變速器和后軸齒輪效率的改進(jìn)方法可以在2階段實(shí)施。如果制造商實(shí)現(xiàn)了諸如主動(dòng)潤(rùn)滑油管理以提高軸效率的功能，那么就無(wú)法在GEM中得到認(rèn)可。此外，GEM是1個(gè)簡(jiǎn)化的通用工具，目前沒(méi)有對(duì)制造商規(guī)定納入其特定的動(dòng)力總成控制，并且存在三大風(fēng)險(xiǎn)。

第一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)就是對(duì)于這樣1個(gè)系統(tǒng)存在“賭博”的可能性。該行業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)基于車輛裝載和速度限制齒輪可用性復(fù)雜的控制。然而，GEM沒(méi)有考慮到這些控制，并且將簡(jiǎn)化所有的變速器，以相同的方式來(lái)控制。

第二個(gè)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自應(yīng)用1個(gè)具代表性的信用值，這可能會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)的干擾和失真。由于GEM不包括實(shí)際的動(dòng)力總成控制策略，因此，它不能模擬不同的控制系統(tǒng)如何影響燃油效率。要解決這個(gè)缺點(diǎn)，機(jī)構(gòu)可能使用下拉菜單選項(xiàng)，該選項(xiàng)將1個(gè)預(yù)先定義的通用改進(jìn)方案分配給制造商預(yù)測(cè)通用技術(shù)。但是，如果使用預(yù)測(cè)技術(shù)的所有廠商都給予同樣的認(rèn)可，那么失去工程改善激勵(lì)，就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

第三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是使用多個(gè)計(jì)算方法用于不同的技術(shù)解決相同的系統(tǒng)效率低下時(shí)，會(huì)發(fā)生不確定性的風(fēng)險(xiǎn)。例如，2個(gè)混合系統(tǒng)和預(yù)測(cè)技術(shù)會(huì)試圖通過(guò)制動(dòng)或停止車輛將車速限制在負(fù)坡度上，從而失去動(dòng)力。

3．2 動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)

解決關(guān)注GEM問(wèn)題的1個(gè)建議是包含采用“動(dòng)力試驗(yàn)”中的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功試驗(yàn)的動(dòng)力系統(tǒng)(圖6)。根據(jù)程序的構(gòu)成，使發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器，以及后橋一起作用，以試圖解釋這些發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)部件的損失。在1階段中，GEM采用了預(yù)先定義的已經(jīng)使用在不同子類別中的變速器的傳動(dòng)效率，這對(duì)更低的齒輪來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)效率更低(前4檔為0．96，最高6檔為0．98)。EPA很可能將在2階段擴(kuò)大下一代GEM可用的傳輸類型。EPA將會(huì)納入除了手動(dòng)變速器之外的機(jī)械式自動(dòng)變速器。

圖6 一體化動(dòng)力總成

但應(yīng)仔細(xì)分析各種變速器類型的效率。例如，自動(dòng)變速器比手動(dòng)變速器效率要低得多，特別是當(dāng)變矩器未鎖定時(shí)。這是由歐洲汽車制造商協(xié)會(huì)(ACEA)重型CO2工作組在最近出版的1篇論文中提出的，文中提出了3個(gè)選項(xiàng)來(lái)評(píng)估變速器的效率。這些選項(xiàng)增加了復(fù)雜性、試驗(yàn)成就和準(zhǔn)確性。由于這些傳輸技術(shù)在效率上可以提供小而明顯的提高。

雖然動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)提供了1種在循環(huán)中使用大量硬件來(lái)確定變速器效率的方法，但如果在2階段由ACEA提供的選項(xiàng)可能提供必要的靈活性，以防止OEM必須運(yùn)行成本和繁重的動(dòng)力試驗(yàn)，而且只是為了顯示他們的變速器比EPA假設(shè)允許的效率更高。

考慮到變速器改進(jìn)預(yù)期的效率提高幅度較小(小于3%)，可能很難對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，以證明由于固有試驗(yàn)變異性的變速器改進(jìn)方案。型譜認(rèn)證水平(FCL)是制造商必須指定成為1個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列認(rèn)證級(jí)的CO2水平。EPA設(shè)置3%的余量。評(píng)價(jià)選項(xiàng)1的結(jié)果，將1臺(tái)AMT和1臺(tái)自動(dòng)變速器進(jìn)行變速器類型之間的基本效率差異的亮點(diǎn)進(jìn)行比較，為了在實(shí)際道路和CO2試驗(yàn)循環(huán)之間不創(chuàng)造進(jìn)一步的分歧，這些必須反映在下一代GEM中。表2評(píng)價(jià)了這些效率的差異，表明自動(dòng)變速器可能是AMT的扭矩?fù)p失的2倍，并且指出這些變速器不應(yīng)當(dāng)假定為具有燃料效率模擬的等效效率評(píng)定。

表2 使用ACEA方法評(píng)價(jià)現(xiàn)有的變速器

從試驗(yàn)的角度來(lái)看，動(dòng)力總成試驗(yàn)仍不能涵蓋全部通過(guò)GEM研究提出的所有變量，這樣可能造成的害處比益處更多。由于動(dòng)力系統(tǒng)是在試驗(yàn)單元靜止的，因此這里可能對(duì)任何預(yù)測(cè)起作用的技術(shù)機(jī)會(huì)更少。規(guī)避這種限制的1種方法是將所需的傳感器輸入，以允許預(yù)測(cè)技術(shù)起作用。某種形式的假定損失(氣動(dòng)和動(dòng)力系的)慣性校準(zhǔn)將不得不作為輸入包括進(jìn)去，目的是準(zhǔn)確地模擬諸如eCoast或智能動(dòng)力系管理波峰功能等特性。

另外，測(cè)量和管理變速器或車橋中潤(rùn)滑油級(jí)別的特性是根據(jù)環(huán)境溫度、潤(rùn)滑油溫度，以及當(dāng)前的或預(yù)測(cè)的負(fù)荷，都不會(huì)在動(dòng)力試驗(yàn)以代表實(shí)際操作的方式執(zhí)行。在試驗(yàn)室的環(huán)境中，這是由于缺乏有代表性的氣流越過(guò)零件，限制了試驗(yàn)室的預(yù)測(cè)技術(shù)，并且在相當(dāng)高的環(huán)境溫度下，通常是通過(guò)對(duì)1個(gè)試驗(yàn)室排放的測(cè)量，進(jìn)行過(guò)程需要的定義。

最后，有許多的系統(tǒng)目前可用或在未來(lái)可用，這就要求動(dòng)力總成功率投放在重要的車輛需求上。這些包括但不限于空氣壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、水泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵和HVAC壓縮機(jī)。隨著越來(lái)越多復(fù)雜控制的發(fā)展，如何讓這些配件的需求得到智能管理將可能對(duì)車輛燃料效率具有不可忽視的影響。

3．3 底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)

底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)是另一種跟蹤溫室氣體計(jì)劃進(jìn)度的選擇，并以此為手段來(lái)試圖解決GEM和動(dòng)力總成試驗(yàn)中提出的問(wèn)題。不過(guò)，一些與GEM和動(dòng)力總成試驗(yàn)提出的上述問(wèn)題也與底盤試驗(yàn)一起展示。為了運(yùn)行這些預(yù)測(cè)技術(shù)，必須進(jìn)行精確的慣量計(jì)算和表示。在某些情況下(例如eCoast)，底盤測(cè)功機(jī)還必須能夠提供動(dòng)力至車輪，而不只是吸收這種動(dòng)力。

底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)提出超出那些與動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)共用的額外挑戰(zhàn)。在一些底盤測(cè)功機(jī)設(shè)置中，為了保持車輛在軋輥上，載貨車被用鏈條拴到軋輥上。對(duì)準(zhǔn)或鏈條張力的微小變化都可導(dǎo)致輪胎變形，從而轉(zhuǎn)化為熱和并損失，因此在測(cè)功機(jī)上與輪胎有關(guān)的損失和實(shí)際情況之間就會(huì)出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。在其他底盤測(cè)功機(jī)上，此構(gòu)架被用鏈拴到支柱上，將車輛保持到在軋輥上方的適當(dāng)位置。在這種情況下，必須在第五個(gè)車輪的位置加載質(zhì)量，以模擬懸架和輪胎上適當(dāng)?shù)能囕v裝載，并實(shí)現(xiàn)輪胎的行為，這更類似于實(shí)際的駕駛條件。對(duì)于這種方法，可能必須使用一輛理論上的掛車，用來(lái)計(jì)算適當(dāng)?shù)牡谖遢喌奈恢煤脱b載。

有關(guān)底盤試驗(yàn)的最緊迫的問(wèn)題是各機(jī)構(gòu)可能延續(xù)各自的車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放量(潛在輸入到GEM的發(fā)動(dòng)機(jī)特有萬(wàn)有特性圖)可以很容易地在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)上得到確認(rèn)。輸入到GEM的車輛分別得到確認(rèn)(如由EPA對(duì)OEM的車輛進(jìn)行驗(yàn)證性滑行試驗(yàn))，發(fā)動(dòng)機(jī)的投入可能來(lái)自不同的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)或動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)的一些變體。GEM的模擬能力已經(jīng)由EPA全面審查，如同EPA在最近美國(guó)西南研究院(SwRI)工廠時(shí)的闡述一樣，GEM已經(jīng)通過(guò)使用超過(guò)130輛的車輛組合的底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)的驗(yàn)證。由于GEM軟件代碼不能改變?nèi)鄙俚囊?guī)則制定，因此，對(duì)于底盤試驗(yàn)車輛，GEM是1種證明車輛的適當(dāng)度量。

4 結(jié)論

重型載貨車行業(yè)一直在通過(guò)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，尋求降低經(jīng)營(yíng)總成本，并且完成減少CO2和提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)是中性的，制造商采用這些標(biāo)準(zhǔn)，以滿足特定的標(biāo)準(zhǔn)，所以優(yōu)化整車，包括動(dòng)力總成，都是必不可少的。此外，整車標(biāo)準(zhǔn)是以最低成本獲得的完全整合的優(yōu)化車輛最為有效的方法，這也是鼓勵(lì)采用新的燃油效率技術(shù)最有效的方式。由于未來(lái)會(huì)出現(xiàn)降低油耗的新型和未知的技術(shù)，因此整車標(biāo)準(zhǔn)將不太可能干擾實(shí)際的降耗。作為當(dāng)今載貨車制造商采用的商業(yè)工具，具有相同功能的整車模擬認(rèn)證方法是1個(gè)成功監(jiān)管應(yīng)采取的做法。機(jī)構(gòu)將提出1種改進(jìn)的下一代GEM，希望能推動(dòng)GEM更接近這個(gè)目標(biāo)。

目前的重點(diǎn)是通過(guò)優(yōu)化整車和動(dòng)力總成來(lái)提高效率。重型商用車提供了高度多樣化的市場(chǎng)，這驅(qū)動(dòng)了各種動(dòng)力總成和整車的設(shè)計(jì)。而近零排放標(biāo)準(zhǔn)要求，NOx和CO2之間的根本燃燒的權(quán)衡都可能會(huì)限制燃燒效率的提高。在通過(guò)提高燃油經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)節(jié)省資金的最終目標(biāo)的過(guò)程中有很多變數(shù)，即OEM必須遵守相互競(jìng)爭(zhēng)的法規(guī)要求、滿足商業(yè)貨運(yùn)業(yè)的不同需求、提供可靠的技術(shù)、減少停機(jī)時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)客戶的認(rèn)可。

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2017-03-06)

閆紅梅 方紅 譯自 SAE Paper 2015-012772

虞 展 編輯