2020年我國重型商用車節(jié)能潛力和成本分析

鄭天雷，王 兆，保 翔，金約夫

(中國汽車技術(shù)研究中心 天津300300)

0 引 言

為貫徹落實國務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)中提出的“2020年商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平”的發(fā)展目標，促進我國重型商用車行業(yè)節(jié)能技術(shù)發(fā)展和節(jié)能減排，項目組作為第一起草單位制定完成了我國重型商用車輛第三階段燃料消耗量標準。標準研究過程中，項目組針對我國重型商用車節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計和技術(shù)驗證結(jié)果對我國重型商用車行業(yè)未來節(jié)能潛力和成本進行了估算，為標準限值指標的確定提供了技術(shù)依據(jù)，同時成為我國重型商用車企業(yè)未來達標的重要參考技術(shù)路徑。

1 節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

近年來，我國重型商用車行業(yè)通過加大技術(shù)和資金投入開展節(jié)能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，取得了較大的進步，重型商用車輛燃料消耗量限值標準的實施也在一定程度上促進了先進節(jié)能技術(shù)的引進、應(yīng)用和發(fā)展，但與歐洲、美國、日本等汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達地區(qū)和國家相比，我國重型商用車先進節(jié)能技術(shù)應(yīng)用比例仍較低，車型燃料消耗量仍然偏高。

1.1 發(fā)動機

我國重型商用車發(fā)動機以柴油機為主，通過近些年的發(fā)展，整體節(jié)能技術(shù)水平取得了較大的提高。電控技術(shù)、增壓技術(shù)等已基本在行業(yè)內(nèi)普及，多氣門技術(shù)、高壓共軌技術(shù)等也得到了廣泛應(yīng)用。隨著未來更嚴格的燃料消耗量限值標準的發(fā)布和實施，可變氣門技術(shù)、電控附件、減少發(fā)動機摩擦、斷缸技術(shù)、廢熱回收技術(shù)等將逐步得到應(yīng)用。

1.2 變速器

我國重型商用車變速器型式比較單一，除少數(shù)車型采用自動變速器或手自一體變速器外，其他全部為手動變速器。從全球來看，自動變速器是未來發(fā)展趨勢，其中無級變速器在節(jié)油方面比其他類型變速器更具優(yōu)勢，但傳動扭矩有限，在重型商用車領(lǐng)域的應(yīng)用受到制約；手自一體變速器具有可靠性高、燃料經(jīng)濟性高等技術(shù)特點，是未來重型商用車領(lǐng)域的重點發(fā)展方向，目前已在少部分車型上得到應(yīng)用。

1.3 改善空氣動力學(xué)性能

通過改善車身的空氣動力學(xué)性能可以降低整車空氣阻力系數(shù)，在高速行駛工況下可顯著降低燃料消耗量。我國重型商用車企業(yè)普遍采取了優(yōu)化措施，例如改善駕駛室邊角和形狀、改進后視鏡位置、優(yōu)化進氣口和格柵、加裝導(dǎo)流罩等措施。下一階段，通過在車尾部、駕駛室與掛車連接處加裝空氣套件，改善掛車空氣動力學(xué)性能等還將進一步提升整車空氣動力學(xué)性能并降低燃料消耗量。

1.4 輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)通過提高輕質(zhì)材料的應(yīng)用比例、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模塊化設(shè)計、成形和聯(lián)接技術(shù)改進等措施降低車輛自身質(zhì)量從而改善燃料經(jīng)濟性。輕量化技術(shù)在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用較廣，并逐步在商用車領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用，但受到重型商用車實際運行狀態(tài)的影響，輕量化技術(shù)的應(yīng)用比較有限。

1.5 車輪和輪胎

在各種輪胎類型中，子午線輪胎在節(jié)油方面優(yōu)勢較為明顯，未來在重型商用車領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。同時，低能耗車輪技術(shù)也將得到快速發(fā)展，一是通過采用高強度鋼板減輕車輪重量；二是采用無內(nèi)胎、扁平化的低滾阻子午線輪胎。

1.6 新能源技術(shù)

除傳統(tǒng)汽車節(jié)能技術(shù)之外，混合動力技術(shù)、純電動技術(shù)也可顯著降低車輛燃料消耗量。在國家相關(guān)政策的扶持下，怠速起停、制動能量回收、混合動力技術(shù)以及純電動汽車技術(shù)在城市公交車以及城市物流車上得到了一定應(yīng)用。受到電池、電機等關(guān)鍵技術(shù)的制約，未來新能源汽車在重型商用車領(lǐng)域的應(yīng)用仍將以城市內(nèi)短途運輸為主。

2 節(jié)能技術(shù)調(diào)查

重型商用車輛第三階段燃料消耗量標準研究過程中，在行業(yè)內(nèi)開展了節(jié)能技術(shù)應(yīng)用調(diào)查，統(tǒng)計了主要節(jié)能技術(shù)的節(jié)能潛力、應(yīng)用成本、2015年應(yīng)用比例以及 2020年應(yīng)用比例預(yù)測等數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)開展了未來重型商用車行業(yè)節(jié)能技術(shù)潛力和成本分析，進一步評估節(jié)能目標和燃料消耗量限值標準未來實施的可行性以及帶來的成本增加值。在節(jié)能技術(shù)調(diào)查中，考慮的節(jié)能選項包括發(fā)動機、空氣動力學(xué)、整車、傳動系、輪胎和車輪、混合動力和新能源、工況外措施等幾個方面，如表1所示。

表1 節(jié)能技術(shù)選項列表Tab.1 List of energy saving technology options

3 節(jié)能技術(shù)潛力和成本分析

項目組從國內(nèi)十余家主要重型商用車企業(yè)調(diào)查得到了各節(jié)能技術(shù)選項的節(jié)能潛力、應(yīng)用成本、2015年應(yīng)用比例以及2020年應(yīng)用比例預(yù)測數(shù)據(jù)，剔除明顯偏離實際的數(shù)據(jù)后，統(tǒng)計得到全行業(yè)各項節(jié)能技術(shù)選項估測值，并對節(jié)能技術(shù)潛力、成本等進行分析：

3.1 節(jié)能技術(shù)選項分布

按照發(fā)動機及整車節(jié)能技術(shù)分別對各節(jié)能技術(shù)選項的節(jié)能效果和應(yīng)用成本分布進行分析。其中，發(fā)動機相關(guān)節(jié)能技術(shù)分布如圖1所示，主要分布于3個區(qū)域。下方區(qū)域為常見的發(fā)動機節(jié)能技術(shù)，包括高壓共軌、增壓、進排氣優(yōu)化等，成本在 500～5,000元不等，其中電控、增壓等節(jié)能效果較好的技術(shù)已被廣泛采用。EGR、SCR兩種排放技術(shù)路線盡管不屬于節(jié)能技術(shù)，但對發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性具有一定影響，兩種排放技術(shù)路線成本接近，SCR技術(shù)具有一定節(jié)能優(yōu)勢。廢熱回收技術(shù)具有較好的節(jié)能效果，由于成本較高且國內(nèi)相關(guān)研究較少，目前在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用有限。

圖1 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)潛力和成本分布Fig.1 Distribution of engine energy saving technology potentials and costs

整車相關(guān)節(jié)能技術(shù)分布如圖2所示，主要分布于3個區(qū)域。下方區(qū)域包括改善空氣動力性能技術(shù)、輪胎技術(shù)、傳動效率優(yōu)化等，成本在 100～8,000元不等，節(jié)能效果在1%,～4%,左右。上方區(qū)域中，CVT變速器節(jié)能效果大、成本高，但受扭矩等條件限制在重型商用車領(lǐng)域應(yīng)用較少；輕量化和AMT變速器技術(shù)具有較大節(jié)能效果，但相應(yīng)成本較高。

圖2 整車節(jié)能技術(shù)潛力和成本分布Fig.2 Distribution of vehicle energy saving technology potentials and costs

3.2 節(jié)能潛力和成本曲線

為分析未來我國重型商用車節(jié)能潛力及相應(yīng)的成本增加值，研究在匯總各項節(jié)能技術(shù)潛力和成本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各項技術(shù)在行業(yè)內(nèi) 2015年的應(yīng)用比例以及預(yù)測的 2020年未來應(yīng)用比例，對各項節(jié)能技術(shù)效果和成本進行疊加，從而對我國重型商用車行業(yè)平均節(jié)能潛力和成本曲線進行分析。統(tǒng)計中采用的主要方法和原則說明如下：

①為簡化分析過程，假設(shè)各項節(jié)能技術(shù)同時采用的綜合節(jié)能效果為各單項節(jié)能技術(shù)效果之和；而在實際應(yīng)用中不同節(jié)能技術(shù)效果可能互有抵消，綜合節(jié)能效果將略低于理論分析結(jié)果。

②研究主要立足于重型商用車行業(yè)的平均節(jié)能潛力和成本進行分析，而非具體車型。例如，增壓技術(shù)在單車型上具有 2.5%,的節(jié)能效果，成本增加約3,000元；若其在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用比例從2015年的90%,提高到 2020年的 100%,，則對重型商用車行業(yè)的總體節(jié)能貢獻率為0.25%,，成本增加300元。

③研究對未來的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分兩種情景進行分析。情景1是最理想的情景，按“節(jié)能效果/成本”由大到小的順序?qū)Ω鞴?jié)能技術(shù)選項進行疊加，在實際應(yīng)用中，考慮到各企業(yè)產(chǎn)品、技術(shù)的實際情況以及各項技術(shù)研發(fā)或獲取的難易程度，往往無法按照最理想情景發(fā)展，因此可作為未來發(fā)展場景分析的上限。情景2是假設(shè)現(xiàn)行油耗限值標準不加嚴的情況下，行業(yè)內(nèi)重點企業(yè)對未來產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)的規(guī)劃情況，未來更嚴格的油耗限值標準將進一步提高節(jié)能技術(shù)應(yīng)用比例，因此作為未來發(fā)展場景分析的下限。

④重型商用車車型較多，且質(zhì)量跨度較大，在節(jié)能技術(shù)選項的應(yīng)用及節(jié)能效果上有一定差異。研究根據(jù)各類車型技術(shù)特征，分兩類進行分析。第一類是半掛牽引車、大質(zhì)量貨車和客車；第二類是城市客車、小質(zhì)量貨車和客車。

綜合以上分析方法對兩類車型在情景 1、情景 2下的節(jié)能技術(shù)潛力和成本曲線進行分析，如圖 3、圖4所示。總體上看，兩類車型的節(jié)能潛力和成本曲線接近，但具體技術(shù)特征有一定差異，第一類車型在實際運行中以高速工況為主，改善空氣動力外形具有較大節(jié)能效果；第二類車型在實際運行中以低速工況為主，混合動力技術(shù)具有較大效果。從企業(yè)現(xiàn)有規(guī)劃的情景2看，與2015年相比，2020年全行業(yè)最大節(jié)能潛力在18%,左右，單車成本增加約4.0萬元。在情景1下，18%,節(jié)能潛力對應(yīng)的成本增加值約為 1.5萬元，而當現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)全部應(yīng)用時，我國重型商用車節(jié)能潛力可達 40%,以上，但相應(yīng)的成本增加也將超過10.0萬元。

圖3 半掛牽引車、大質(zhì)量貨車和客車節(jié)能技術(shù)潛力和成本曲線Fig.3 Curve of energy saving technology potentials and costs of semi-trailer tractors，heavy-duty trucks and buses

圖4 城市客車、小質(zhì)量貨車和客車節(jié)能技術(shù)潛力和成本曲線Fig.4 Curve of energy saving technology potentials and costs of city buses，light-duty trucks and buses

3.3 成本回收周期

基于上述重型商用車行業(yè)未來節(jié)能潛力和成本測算，以及與國外相關(guān)車型和標準法規(guī)的比對結(jié)果，項目組制定完成了我國重型商用車輛燃料消耗量第三階段限值標準。在限值指標方面，第三階段限值標準(2020年)較第二階段(2015年)平均加嚴約15%,。第三階段標準的實施將促進節(jié)能技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，相應(yīng)地也將導(dǎo)致車輛成本和售價的增加，然而由于車輛燃料經(jīng)濟性的改善，消費者往往可在一定周期內(nèi)節(jié)省回收車輛成本增加值。根據(jù)3.2分析結(jié)果對成本回收周期進行估算，計算中采用以下假設(shè)：

車輛基礎(chǔ)燃料消耗量按 30,L/100,km計算，當燃料消耗量下降15%,時，按照3.2中情景1、情景2分析，相應(yīng)成本增加約 1.5～2.0萬元；車輛年行駛里程按50,000,km計算；燃油價格按6元/L計算。

綜上假設(shè)可以計算得到，原車輛每年燃油使用成本約為 9.0萬元，若百公里燃料消耗量下降 15%，每年節(jié)省費用為1.35萬元，成本回收周期為1.1～1.5年，即消費者可在購買車輛的 2年內(nèi)回收購買車輛的成本增加值，而在車輛超過回收周期后的使用時間里為消費者繼續(xù)節(jié)約大量燃油費用。

4 結(jié) 論

本研究針對我國重型商用車節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計和技術(shù)驗證結(jié)果對我國重型商用車行業(yè)未來節(jié)能潛力和成本進行了估算。與 2015年相比，2020年我國重型商用車行業(yè)有 18%,～40%,的節(jié)能潛力；成本方面，當車型百公里燃料消耗量下降 15%,時，車輛成本增加約1.5～2.0萬元，消費者可在購買車輛的2年內(nèi)回收購車成本增加值。

本研究的開展為2020年重型商用車輛第三階段燃料消耗量標準限值指標的確定提供了技術(shù)依據(jù)，從技術(shù)和成本角度論證了《規(guī)劃》提出的“2020年商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平”發(fā)展目標和第三階段限值標準實施的可行性，同時也是我國重型商用車企業(yè)未來達標的重要參考技術(shù)路徑。

［1］ 全國汽車標準化技術(shù)委員會. GB 30510—2014，重型商用車輛燃料消耗量限值[S]. 北京：中國標準出版社，2014.

［2］ NESCCAF，ICCT，SRI，et al. Reducing Heavy-Duty Long Haul Combination Truck Fuel Consumption and CO2Emissions[R]. 2009.

［3］ Raemdonck G M R V. Design of Low Drag Bluff Road Vehicles[R]. 2012.