高压直喷天然气发动机混合动力区域重型卡车在真实驾驶条件下的燃油消耗与排放削减

《Energy Technology》：Fuel Consumption and Emissions Reductions of Hybrid Electric Regional-Haul Trucks Equipped with a High-Pressure Direct Injection Natural Gas Engine in Real-World Driving Conditions

为解决柴油重型卡车温室气体排放占比高、减排压力大的问题，本文研究了将高效率、低排放的高压直喷（HPDI）天然气发动机与混合动力系统相结合的技术路径。研究人员创新性地设计了预变速箱并联（PHEV）和功率分流（PSH）两种混合动力构型，并采用多阶段优化组件尺寸框架，在真实高速公路循环下，实现了最高5.2%的整车能量效率提升，显著降低了燃料消耗（FC）及CO2、CH4等温室气体排放，为重型卡车近中期深度脱碳提供了可行方案。

　　

在全球交通领域致力于碳中和的宏大背景下，重型柴油卡车因其巨大的运输体量和相对较高的碳排放强度，成为了减排攻坚战中的一块“硬骨头”。据统计，这类车辆贡献了全球公路运输近四分之一的温室气体（GHG）排放，尤其是在北美、欧洲和中国，虽然数量占比不高，但其排放贡献却接近商业卡车排放总量的一半。随着全球各国相继出台更为严格的排放法规，例如美国环保署（EPA）的第三阶段、欧盟的“Fit for 55”计划，以及中国的“国六”标准，卡车制造商和运营商们正面临着前所未有的减排压力。

然而，在零排放车辆（ZEV）技术，如纯电动和燃料电池重型卡车，仍面临续航里程、充电/加氢基础设施、成本等严峻挑战的当下，完全淘汰内燃机似乎还是一个“远水难解近渴”的难题。那么，有没有一种能在短期内显著降低排放，同时兼顾技术成熟度和经济性的“过渡”或“互补”方案呢？这正是发表于《Energy Technology》的一项研究所探讨的核心问题。

传统柴油发动机的高碳排，与天然气（NG）本身的低碳属性，形成了鲜明的对比。但常规天然气发动机又存在燃烧效率偏低、瞬态响应慢的短板。于是，一种结合了二者优势的技术——高压直喷（HPDI）天然气发动机应运而生。它使用少量柴油（能量占比低于5%）作为“引火”燃料，来点燃直接喷入气缸的高压天然气，从而实现了接近传统柴油机的高效率，同时能将温室气体排放降低15-25%。这就像一个聪明的“混血儿”，既继承了柴油的“爆发力”，又拥有了天然气的“清洁基因”。

但研究人员并未止步于此。他们进一步思考：如果把这个高效的“心脏”（HPDI NG发动机），与混合动力这个“智慧大脑”结合起来，是否能产生“1+1>2”的效果？混合动力技术可以通过电机辅助，让发动机尽可能工作在最高效的“舒适区”，避免低效运转，还能回收刹车时的能量。这对于需要频繁应对加速、爬坡等瞬态大扭矩需求的重型卡车来说，潜力巨大。然而，并非所有混合动力构型都适合重型卡车的“重担”。串联构型因能量多次转换损失大，不太适合长途运输；而插电式混动又因电池过大导致成本和重量激增。那么，哪种混动构型才是HPDI NG发动机的最佳“搭档”呢？

为了回答这些问题，研究人员开展了一项系统而深入的研究。他们的核心目标是评估将HPDI NG发动机集成到两种为重型卡车量身定制的混合动力构型中——预变速箱并联（P_HEV）混合动力和复杂的功率分流（PSH）混合动力——能在多大程度上减少区域运输卡车的净能耗和温室气体排放。

关键技术与方法

研究采用了基于仿真的系统分析方法。首先，基于一辆实际测试的彼得比尔特579型8级柴油卡车的实验数据，在Autonomie软件中建立并验证了传统基准车辆模型。其次，利用作者团队先前工作中开发和验证的一维现象学燃烧模型，构建了13升柴油引燃HPDI NG发动机模型，并生成了其等效柴油制动燃油消耗率（BSFC）图。接着，将此HPDI NG发动机（额定功率与传统柴油机相同）置入基准模型，建立了传统NG卡车模型。然后，创新性地设计了两款混合动力卡车模型：P_HEV构型采用单一电机与六速自动变速箱耦合；PSH构型则集成了行星齿轮组（PG）、两台电机和一个两速自动变速箱。针对每种混合构型，实施了基于规则的能量管理策略（EMS）以优化动力流分配。最后，采用多阶段优化框架来确定电机、电池等关键部件的最优尺寸，以在满足与传统车型相同性能的前提下，最小化其在真实高速公路循环（Highway-2）下的燃料消耗。研究在多种真实驾驶循环（高速和城市）及不同载重条件下，对比评估了混合动力构型与传统构型在燃料消耗、CO₂和CH₄排放、部件能量损失及系统效率等方面的表现。

研究结果

1. 混合动力构型设计与优化

研究成功设计了两款适用于8级区域运输卡车的混合动力系统。P_HEV构型结构相对简单，电机通过扭矩耦合器与变速箱相连，可独立或联合提供驱动扭矩。PSH构型更为复杂，通过行星齿轮组实现了发动机转速与车轮转速的解耦，并通过辅助的两速变速箱来满足高扭矩需求。通过优化，确定了各构型下电机峰值功率、电池能量等关键参数的最优解，确保了混合动力卡车在加速能力和最高车速等方面不低于传统基准车型。

2. 能耗与排放减排效果

在满载条件下的真实高速公路循环（Highway-2）测试中，混合动力化带来了显著的能效提升。集成HPDI NG发动机的PSH混合动力构型实现了5.2%的整车能量效率提升，P_HEV构型也提升了4.0%。这直接转化为燃料消耗的降低。与传统的HPDI NG卡车相比，混合动力化使得从油箱到车轮的CO₂当量排放显著减少。此外，尽管HPDI NG发动机的CH₄排放本身较低，但混合动力系统通过优化发动机工况，可能进一步降低了未燃甲烷的排放。

3. 发动机运行工况与能量流分析

分析表明，混合动力系统的核心优势在于改变了发动机的运行点。在传统卡车上，发动机经常运行在低负荷、低效率区域。而在混合动力卡车上，电机在加速和低速时提供辅助，使得HPDI NG发动机更多地被“托”在其高效率区间（BSFC < 200 g/kWh）运行，避免了低效区的频繁工作。能量流分析进一步揭示了混合动力系统内部（如电池、电机、功率转换器）的能量损失情况，以及从燃料化学能到车轮机械能的整体转换效率提升路径。

4. 多循环与变载重分析

研究不仅考察了高速公路循环，还扩展至具有更多停车、加速的城市循环（如曼哈顿循环），并考虑了空载、半载和满载等不同货物负载。结果表明，在城市循环中，由于制动能量回收机会更多，混合动力，特别是PSH构型，能带来更大的燃料节省比例。同时，研究也量化了不同载重对混合动力节能效果的影响，为评估其实际运营效益提供了更全面的数据支撑。

结论与意义

本研究通过将高效率的低碳燃料发动机——高压直喷（HPDI）天然气发动机，与经过精心设计和优化的混合动力系统相结合，为8级区域重型卡车提供了一条切实可行的深度减排路径。研究得出的核心结论是：与传统的HPDI NG卡车相比，采用预变速箱并联（P_HEV）和功率分流（PSH）混合动力构型，可以在真实驾驶条件下，显著提升整车能量效率（分别达4.0%和5.2%），有效降低燃料消耗和温室气体（CO₂, CH₄）排放。特别是在瞬态负载频繁的城市工况和多种载重条件下，混合动力系统展现出了更强的适应性和节能潜力。

这项研究的意义重大。首先，它弥合了当下与未来零排放卡车之间的“技术鸿沟”，提供了一种可在近中期大规模部署的过渡解决方案，有助于卡车运输业按时甚至提前完成严峻的减排目标。其次，它验证了“高效内燃机+混合动力”技术路线的巨大潜力，表明通过系统级的集成创新，传统动力系统依然有广阔的效率提升空间。最后，研究所采用的多阶段优化设计框架、基于规则的能量管理策略以及详细的部件级能量损失分析方法，为未来重型商用车混合动力系统的开发与评估提供了宝贵的范例和方法学参考。这项工作表明，在通往完全零排放的道路上，充分利用并优化现有低碳燃料与混合动力技术的协同效应，是实现交通领域快速、有效减排的关键一步。