Freightliner оставит нефтянников без работы

Работа началась в рамках проекта Департамента энергетики США — DOE (Department of Energy), в котором приняли участие четыре команды разработчиков — Cummins-Peterbilt, Daimler, Navistar и Volvo Trucks North America. Софинансируя разработки, DOE ставила перед участниками задачу создать прототипы, которые продемонстрировали бы 50-процентное улучшение топливной эффективности грузовика. Она измерялась в удельном расходе топлива на перевозку груза — литров на тонно-километр. DOE предписывала повысить эффективность на 20% за счет совершенствования двигателя, а 30% эффективности предполагалось получить за счет усовершенствования тягача и прицепа. Наряду с общей эффективностью транспортного средства грузовик должен был показать 50% тормозную тепловую эффективность при скорости 65 м/ч, а его двигатель достичь КПД в 55%.

Процесс создания SuperTruck завершился предварительными испытаниями новинки на дорогах в штате Техас. В этих тестах концептуальный автопоезд был испытан с полной массой 29,5 тонн. Он преодолел первый участок длиной 640 км со средней скоростью 93 км/ч, после были 40 км в городском цикле и затем 700 км хайвэя со средней скоростью 104 км/ч. Завершились тесты 10 часовым пребыванием на стоянке с использованием электроэнергии и топлива (на холостом ходу) для питания всех бортовых систем жизнеобеспечения водителя.

Freightliner SuperTruck показал средний результат 12,2 мили, пройденных на одном галлоне топлива (19,28 л на 100 км пути). При этом было отмечено, что уменьшение аэродинамического сопротивления воздуха всего транспортного средства достигло 54%, а общая транспортная эффективность (расходы на доставку 1 т груза) возросла на 115% по сравнению со стандартными американскими грузовиками 2009 года выпуска.

Таким образом, SuperTruck может сэкономить 10 тыс. галлонов топлива в год, или $28 000 в текущих ценах. Правда, сколько будут стоить дополнительно все нововведения даже при массовом производстве — об этом история умалчивает.

Прототип, построенный Cummins и Peterbilt, показал больший расход топлива, проезжая на одном галлоне топлива только 9,9 миль. В программе также участвовали Navistar и Volvo Trucks North America. Все участники, включая DOE, затратили при реализации проекта SuperTruck $284 млн.

За счет чего был достигнут этот выдающийся результат? Даже не сильно приглядываясь к внешнему виду SuperTruck, становится понятно, что основное внимание в этом проекте было уделено аэродинамике. Формы у автомобиля получились очень плавные и обтекаемые. Все места, где могли бы образоваться завихрения и турбулентность, тщательно укрыты отражателями и обтекателями. Да, борьба за снижение динамического сопротивления воздуха велась бескомпромиссно. И, кстати, в этом проекте важно отметить не только работу инженеров компании Freightliner, но и изготовителя концептуального трейлера. Ведь не секрет, что с точки зрения аэродинамики максимальный эффект достигается тогда, когда изыскания прикладывают не к отдельно взятому седельному тягачу или полуприцепу, а исследуют и создают форму автопоезда в целом. Именно поэтому трейлер SuperTruck идеально подходит к тягачу.

Форму кабины проектировали, сразу ориентируясь на «единую» плоскость, которую образуют автомобиль и полуприцеп. К тыловой стенке спального отсека прикреплены специальные дефлекторы, которые уменьшают расстояние между «головой» и «фурой» до минимума. Это позволяет снизить сопротивление воздуха на 1%. Боковые панели-отражатели, смонтированные по всей длине шасси, полностью закрывают доступ воздушного потока к колесам и раме. Их форма и высота полностью идентична юбкам-отражателям, установленным на трейлере. Наличие такого обвеса по всему периметру автопоезда позволяет снизить сопротивление воздуха еще на 8%. Тыловые элементы полуприцепа образуют хвостовик, который увеличивает длину трейлера, но они являются важнейшим элементом аэродинамики концепта.

Обтекаемую форму машины образуют бампер, капот, крылья, кабина с вклеенным лобовым стеклом, которое наклонено под углом 32°, а также внушительный спойлер. Любопытным техническим решением стал фронтальный воздухозаборник радиатора, оборудованный поворотными жалюзи. Они могут автоматически открываться или закрываться в зависимости от ситуации. Если температура двигателя находится в пределах нормы, то жалюзи закроются, чтобы поспособствовать снижению лобового сопротивления. Если мотору будет необходимо охлаждение, то «форточки» откроются, улучшая приток воздуха к радиатору.

На представленном публике грузовике наружные зеркала заднего вида небольшого размера. На них закреплены модули с встроенными камерами наблюдения. Надо полагать, что небольшие элементы зеркал оставлены «на всякий случай». В будущем на смену «лопухам» придут обычные камеры. Сделано это опять же для снижения аэродинамического сопротивления. Подобное решение можно было видеть в концептуальном грузовике Innovation Truck, созданным специалистами компании Freightliner. Каждая камера транслирует изображения из двух направлений: назад и вниз с широким углом обзора. Водитель будет видеть обстановку на ЖК-мониторах аналогично зеркалу заднего вида. Эти экраны установлены на левой и правой стойках внутри кабины.

Следующим заметным новым аэродинамическим элементом стали перфорированные брызговики. Даже при наличии решетчатой структуры они прекрасно выполняют свою функцию и задерживают воду. Но воздушные потоки при этом беспрепятственно протекают через их щели, устраняя парусный эффект. Как говорят специалисты, наличие «дырявых» брызговиков способно сократить потребление топлива от 0,5 до 1%.

Седельный тягач Freightliner SuperTruck собран на шасси колесной формулы 6х2. Конечно, привод 6х4 будет традиционный для Северной Америки, но согласно недавнему исследованию Североамериканского совета по повышению эффективности грузоперевозок NACFE (North American Council for Freight Efficiency), тягач 8-го класса грузоподъемности с колесной формулой 6x2 будет экономичнее аналога 6х4. Разница в расходе топлива будет составлять приблизительно 2,5%. К преимуществам привода 6x2 можно отнести уменьшенную на 400 кг массу узла, а также меньший объем работ по сервисному обслуживанию. Справедливости ради скажем, что во многих случаях схему 6х4 невозможно замерить одним ведущим мостом — строительная техника, спецтехника, бездорожье. Но речь в этой статье идет именно о магистральных автопоездах, где тягачи 6х2 выглядят предпочтительнее по экономическим соображениям.

Логично, что компания Dana, занимающаяся производством разных узлов для тяжелых грузовиков, на выставке MATS-2015 показала прототип тандемных осей AdvanTek Dual Range Disconnect. В этом концепте, представляющем собой сдвоенные ведущие мосты для шасси 6х4, реализована возможность отключения (и обратного включения) межосевого вала. При выезде на скоростное шоссе и разгоне до крейсерской скорости включается экономичный вариант 6х2 на высоких оборотах двигателя. На движении с небольшими скоростями грузовик сохранит все тяговые преимущества привода 6х4.

Грузовик получил дизель-электрическую гибридную трансмиссию, которая включает 10,7-литровый двигатель Detroit Diesel мощностью 375 л.с. с максимальным крутящим моментом 1863 Н∙м и электропривод. Силовой агрегат выполняет требования американского экологического стандарта ЕРА-2013. Достигается это двумя системами — SCR с раствором AdBlue, рециркуляцией отработанных газов (EGR) и фильтром твердых частиц. Мотор агрегатируется со 120 кВт электродвигателем и 12-ступенчатой автоматизированной коробкой передач Detroit DT12. Передаточное число ведущей оси Detroit (второй по счету) составляет 2,28.

В конструкции машины применена электронная система Intelligent Powertrain Management, которая с помощью GPS-навигации определяет положение грузовика и, используя обширную память с 3D-картографией, заблаговременно подбирает самую эффективную с точки зрения расхода топлива передачу КП. На крыше полуприцепа смонтированы солнечные панели eNow фирмы Bergstrom, которые вырабатывают электроэнергию для питания бортовых электросистем грузовика. В комплектацию автомобиля и полуприцепа входят шины Michelin с низким сопротивлением качению. Уменьшению транспортных издержек поможет инсталлированная система мониторинга давления воздуха в колесах Bendix SmartTire Tire Pressure Monitoring System (TPMS).

Для уменьшения снаряженной массы грузовика используются диски компании Alcoa Wheel and Transportation Products, выполненные из алюминия. Масса диска составляет всего 28 кг, что на 3,5 кг меньше, чем у конкурентов, также выполненных из «крылатого металла». Снижению массы машины способствуют корпусные детали (бампер, капот, крылья), изготовленные из углепластика.

Внутри кабины — обилие современных электронных систем, повышающих производительность труда водителя. Там также установлено современное кресло водителя на пневмоподвеске Bose Ride system II. Заботясь о здоровье водителя, все-таки профессия малоподвижная, в кабине установили кардио-тренажер FIT Step, разработанный совместно инженерами Freightliner и специалистами фирмы Rolling Strong. Наивно думать, что дальнобойщики начнут на нем заниматься: банка пива и телевизор — лучшие друзья после нескольких сотен миль.

Многомиллионные государственные затраты на создание эффективных грузовиков связаны с действующими федеральными правилами США, предписывающими увеличение топливной эффективности от 10% до 20% к 2018 г.

В 2010 г. в США тяжелые грузовики составляли только 4% от всех автомобилей, потребляя при этом 18% всего используемого топлива. Типичный автопоезд США состоит из тягача и полуприцепа грузоподъемностью 11 800 кг (26 000 фунтов). Полная масса автопоезда — 27 220 кг (60 000 фунтов). Такое транспортное средство расходует 14,7 галлонов топлива на 1000 т/миль. Топливная эффективность составляет 5,8 миль/галлон. Из 343 кВт энергии топлива (не путать с мощностью двигателя) при превращении в механическую в энергию в двигателе теряется 193 кВт (56%), 3,6 кВт (1%) теряется при работе двигателя на холостом ходу, 15 кВт (4,4%) забирают дополнительные агрегаты, 10 кВт (2,9%) теряется в трансмиссии, аэродинамические потери составляют 61 кВт (17,8%) при коэффициенте аэродинамического сопротивления (Св) 0,60, сопротивление качению поглощает 44 кВт (12,9%), на преодоление сил инерции при ускорении расходуется 16 кВт (4,7%).

По мнению DOE, американский автопоезд 21 века при той же грузоподъемности должен иметь полную массу 25 220 кг (55 600 фунтов), расходовать 9,0 галлонов на 1000 т/миль, а топливная эффективность должна составлять 9,4 миль/галлон. Для движения такого автопоезда потребуется 211 кВт топливной энергии. В двигателе будет теряться 105 кВт (КПД — 0,50), 0,8 кВт (0,4%) должен потреблять дополнительный модуль питания — APU. Предполагается, что дополнительная нагрузка будет забирать 8 кВт (3,8%), а потери в трансмиссии снизятся до 5 кВт (2,4%), за счет улучшения аэродинамики (Св = 0,52) потери снизятся до 53 кВт (25%), сопротивление качению снизится и будет забирать 32 кВт (15,2%). За счет регенерации энергии при торможении с эффективностью 60% потери на инерцию снизятся до 7 кВт (3,3%).

DOE поставила задачу к 2015 г. увеличить тепловой КПД двигателя на 20% на прототипах коммерческих грузовиков. К 2020 г. топливная экономичность тяжелых грузовиков должна возрасти на 30%.

Участники проекта DOE SuperTruck

1.         Команда Cummins-Peterbilt SuperTruck объединила компании: Modine (модуль охлаждения), Eaton (коробка передач), Dana (трансмиссия), Bridgestone (шины), Alcoa (колеса), Bergstrom (eSHVAC), Garmin (3D-карты), Exa (компьютерный анализ CFD), Utility Trailer Manufacturing (полуприцеп), US Xpress (конечный пользователь). DOE выделила команде $38.8 млн. Столько же вкладывала команда.

2.         Команда Daimler SuperTruck состояла из: DTNA (разработка тягача), Detroit Diesel Corporation (трансмиссия), Daimler Research (регенерация тепла), Oregon State University (теоретические исследования), Great Dane (полуприцеп), ARC (аэродинамика), Solar World Industries America (солнечные элементы), Schneider National и Wal-Mart (конечные пользователи). DOE выделила команде $39 559 861. Daimler вложил $39 559 898.

Daimler также сотрудничал с National Energy Technology, Laboratory Oak Ridge National Laboratory (регенерация тепла), Massachusetts Institute of Technology (технологии низкого трения), Atkinson LLC (управление двигателем).

3.         Команда Navistar SuperTruck включала компании: Navistar, Alcoa (легкие материалы для рамы и колес), AT Dynamics (аэродинамические устройства прицепа), ArvinMeritor (гибридная трансмиссия), Behr America (системы охлаждения), Michelin (шины), TPI (композитные материалы), Wabash National (полуприцеп), Argonne National Lab (моделирование привода), Lawrence Livermore National Lab (моделирование аэродинамики). DOE выделила команде $37 328 933. Navistar вложил $51 808 146.

4.         Команда Volvo SuperTruck была малочисленна: Mack Trucks, Inc., Volvo Powertrain NA, Volvo Powertrain Sweden, Volvo technology, Ricardo и UCLA (регенерация тепла) Penn State University (CFD моделирование и изучение биодизеля), West Virginia Univ (разработка трансмиссии). DOE выделила команде лишь $18 929 194. Volvo (США) вложила $19 066 700, Volvo (Швеция) и правительство Швеции внесли по $15 млн.