《Fuel》：Optimizing series hybrid truck performance with synthetic Fuels: From engine testing to vehicle simulation
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合成氧基燃料与串联混合动力系统在重型运输脱碳中的应用研究。通过单缸发动机实验和车辆模拟，优化电池容量（约45kWh）与能量管理策略，在法规驱动循环下实现25%的尾气二氧化碳减排，生命周期分析显示较柴油车减排15-30%，较纯电动减少电池重量但降低续航至250公里
Santiago Martinez-Boggio|Erasmo I?iguez|Javier Monsalve-Serrano|Antonio Garcia
IIMPI- 工程学院，Julio Herrera y Reissig 565，11300 蒙得维的亚，乌拉圭
摘要
重型运输的脱碳需要平衡环境影响、性能和可行性。本研究探讨了将一种合成含氧燃料混合物（85%柴油，15% OMEx）与串联混合动力系统结合使用，以减少尾气排放和生命周期内的二氧化碳（CO2）排放。在单缸平台上进行的发动机测试考察了直接替换、等负荷以及优化校准的效果。优化后的策略充分利用了OMEx的含氧特性，使烟尘减少了50%以上，氮氧化物（NOx）也显著降低，同时保持了具有竞争力的燃油效率。这些结果被整合到一辆中型混合动力卡车的车辆模拟中，该卡车遵循了规定的驾驶循环。通过对电池容量和能量管理的优化，发现中等大小的电池组（约45千瓦时）可以在不增加过多质量的情况下最大化减少从油箱到车轮的二氧化碳排放。生命周期分析表明，串联混合动力系统可减少15-30%的二氧化碳排放，而优化后的控制策略效果优于更简单的方案。与柴油卡车相比，纯电动卡车虽然将生命周期内的二氧化碳排放量减半，但需要大型300千瓦时的电池，这增加了车辆重量并限制了行驶里程（250公里对比700公里）。尽管纯电动卡车具有最低的尾气排放，但其质量和基础设施需求限制了其短期应用。相反，使用柴油/OMEx的混合动力卡车在保持传统行驶里程的同时，能够有效减少二氧化碳排放。这种集成提供了一种实用的、短期的途径，以便在大规模电气化实现之前实现重型运输的脱碳。
引言
重型运输行业的脱碳仍然是全球应对气候变化工作中最重大的挑战之一[1]。虽然纯电动解决方案在轻型车辆脱碳方面显示出潜力，但由于能量密度低、充电基础设施不足以及行驶里程有限等关键限制，其在重型应用中的可扩展性受到限制[2]。在这种情况下，诸如低温燃烧[3]和双燃料发动机[4]等替代燃烧概念引起了关注，这些技术可以作为在现有发动机平台基础上减少温室气体排放的潜在途径。然而，这些技术仍在开发中，将其整合到实际的重型车辆中面临重大的技术和物流挑战[5]。短期内更可行的方法是使用低碳替代液体燃料，这可以在继续使用内燃机（ICE）的同时降低生命周期内的碳排放[6]。这种策略通过最小化对车辆设计或燃料基础设施的激进改变需求，使得过渡更加平滑[7]。与此同时，混合动力系统已经在轻型车辆领域证明了其有效性，为重型车辆提供了一种有前景的过渡技术[8]。通过结合内燃机的操作灵活性和高负载能力与电动推进的能源效率，混合动力系统可以提高燃油经济性并减少排放[9]。因此，将混合动力系统与低碳液体燃料相结合，为加速重型运输行业的脱碳提供了一个切实可行的解决方案，同时平衡了性能需求和环境可持续性。
混合动力系统包括串联、并联、功率分流和插电式配置，在轻型车辆领域已经得到了应用，同时也被用于重型卡车的实施，以提高发动机效率并减少排放[10]。在串联混合动力系统中，内燃机作为电动机的发电机[11]；而并联架构则通过机械方式连接发动机和电动机来驱动车轮[12]；插电式混合动力车（PHEVs）配备了更大的电池，可以实现部分纯电动驾驶。早期演示和模拟表明，重型车辆的混合动力化确实可以减少燃油消耗，尽管具体效果很大程度上取决于工作负载和设计细节[13]。与轻型混合动力车不同，卡车在持续高负载下运行，限制了再生制动的机会。因此，混合动力重型车辆大多仍处于原型和试验阶段。尽管文献指出，当与其他发动机和空气动力学改进相结合时，混合动力化是减少卡车碳排放的有希望策略[14]。多项研究量化了重型混合动力架构所能实现的效率提升。在以高速公路行驶为主的区域运输和长途运输应用中，传统（非插电式）混合动力车的燃油经济性仅提高了5-8%[15]。García等人[16]发现，使用双燃料发动机的混合动力送货卡车在高速公路行驶中的燃油消耗比柴油卡车有所减少。在频繁停车和启动的服务中，混合动力车的优势更加明显：同一研究指出，在城市送货应用中，並聯式混合动力车可减少约15%的从油箱到车轮的二氧化碳排放。值得注意的是，插电式混合动力车可以通过利用电网能量实现更高的效率提升。Vijayagopal和Rousseau[17]的模拟工作表明，在满载高速公路行驶循环中，一款串联PHEV卡车（配备小型发动机和策略性控制）的燃油经济性可提高多达40%。这些结果表明，虽然基本混合动力化可以在重型车辆中带来渐进式的效率提升，但集成更大容量电池和外部充电能量可以显著提高燃油节省效果。总体而言，混合动力重型卡车的可行性已经在概念上得到验证，在各种操作场景下实现了可测量的燃油消耗和排放减少。
研究人员强调了将混合动力系统适配到重型平台时面临的几个技术和实际挑战[18]。首要问题是功率和重量要求：由于卡车必须在长时间内维持高扭矩（例如爬坡），混合动力卡车中的发动机往往无法大幅缩小[19]。实际上，一项设计研究发现，考虑到电池和电动机的额外质量，一款8级混合动力车可能需要与传统型号相同甚至更大的发动机，因为单个小电池无法在长距离爬坡时提供足够的动力。同样，由于大容量电池组，PHEV和电动车型通常比柴油车型更重，可能会降低载货能力或需要底盘调整[20]。另一个集成挑战是机械复杂性和耐用性：在重型卡车中实现功率分流混合动力系统（结合了串联和并联特性）需要一个能够承受极高扭矩的大型行星齿轮组，而设计这种电子传动系统以适应长途使用已被证明很困难[21]。此外，成本和可靠性也是挑战——许多研究没有进行成本分析，这反映了鉴于高昂的初始组件成本，重型混合动力车经济回报的不确定性[22]。实际验证也有限：大多数关于混合动力卡车的效率声明依赖于模拟或短期演示项目，研究人员指出缺乏长期现场数据和车队试验来确认多年运行中的耐用性和性能。这些挑战表明，将混合动力传动系统整合到重型服务中不仅仅是简单地移植轻型技术，还需要对传动系统进行仔细重新设计，并考虑操作限制。最近的研究强调了混合动力系统与低碳替代燃料在重型运输脱碳方面的协同作用。例如，Moghadasi等人[15]证明，将天然气发动机与并联或串联插电式混合动力配置相结合，与仅使用柴油的卡车相比，可以减少高达51%的二氧化碳排放。同样，García等人[23]表明，在混合动力反应控制压缩点火发动机中使用碳中性合成燃料，可以将从油箱到车轮的二氧化碳排放减少50-70%。虽然氢燃料和生物燃料也被提出作为可行的低碳选项，但它们的广泛应用受到基础设施、储存和可扩展性挑战的限制[24]。尽管取得了这些进展，但仍存在关键差距，包括缺乏长期的实际数据、基础设施整合策略有限，以及关于混合动力系统与清洁燃料在不同工作负载下的最佳组合问题尚未解决。
本研究的目的是评估和优化将低碳合成燃料与混合动力系统相结合的策略，以减少重型运输的碳排放。García等人之前的实验研究[25]已经证明了由柴油和OMEx（15%体积比）组成的混合物通过提高发动机效率来减轻碳影响的潜力。本研究采用了一种新的优化方法，利用田口设计（Taguchi design）和响应面方法（response surface method），以减少实验次数并提高效率并降低发动机排放。尽管关于混合动力重型车辆和低碳替代燃料的文献越来越多，但仍存在一些重要空白。现有的混合动力系统研究通常侧重于架构比较或假设使用传统柴油燃料的控制策略，而没有考虑混合动力运行与使用合成或含氧燃料的先进燃烧校准之间的相互作用。相反，许多关于OMEx和其他合成燃料的研究仅限于发动机级别的实验，并未评估它们在集成到电动传动系统中的系统级影响。此外，包括生命周期二氧化碳分析的车辆级别研究通常单独评估混合动力化或燃料替代，或者仅关注客运车辆和长途卡车，对在城市和城郊工作负载下的中型应用关注不足。因此，缺乏定量证据来说明串联混合动力化、使用合成含氧燃料的优化发动机校准、电池容量选择以及能量管理策略如何共同影响从油箱到车轮的二氧化碳排放以及生命周期二氧化碳排放，与传统的非混合动力卡车进行比较。本研究通过结合实验得出的柴油/OMEx混合物发动机映射、详细的串联混合动力车模型、优化的控制策略以及一致的生命周期评估框架，填补了这一空白。这种综合方法能够真实评估串联混合动力卡车在中型城市应用中的脱碳潜力和权衡。
章节片段
发动机校准
校准工作基于一款六缸重型压缩点火发动机，该发动机输出功率为276千瓦（每缸46千瓦），代表了通常用于城市和区域配送的中型车辆平台，如沃尔沃FE、斯堪尼亚P系列、梅赛德斯-奔驰Actros、DAF CF、MAN TGM和依维柯Eurocargo。为了在可重复条件下进行受控燃烧研究，发动机被重新配置为单缸版本，同时保持其他参数不变
结果与讨论
以下部分展示了本研究的结果，分为两个关键阶段，逐步探讨了将OMEx集成到串联混合动力系统中的潜力。第一部分重点优化车辆以满足法规规定的尾气二氧化碳排放要求，利用发动机测试数据和控制策略来减少燃油消耗和局部污染物。
结论
本研究表明，将合成柴油/OMEx混合物集成到串联混合动力卡车中可以显著减少排放，同时保持操作灵活性。发动机测试证实，优化后的校准充分利用了OMEx的含氧特性，降低了烟尘和氮氧化物排放，而没有影响制动效率。当这些改进应用于车辆模拟时，与传统的柴油卡车相比，从油箱到车轮的二氧化碳排放减少了近25%。
CRediT作者贡献声明
Santiago Martinez-Boggio：撰写——原始草稿，软件开发。Erasmo I?iguez：撰写——原始草稿，研究。Javier Monsalve-Serrano：撰写——审稿与编辑，验证。Antonio Garcia：监督，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者Erasmo I?iguez感谢瓦伦西亚自治区政府创新、大学、科学和社会数字部的财政支持，该支持来自“博士后研究员招聘补贴（ACIF）”项目（CIACIF/ 2022/100）。
