淺談中國商用汽車節能與輕量化的意義與愿景

張楠

（鋼鐵研究總院，北京100081）

主題詞：商用車 輕量化 節能 減排

0 前言

近十年來，我國商用汽車產業持續快速發展。從2009 年至2019 年，全國商用汽車年產銷量總體呈現增長勢頭，行業規模以上商用車制造企業主營業務年收入已經突破2 萬億元，有效拉動了制造業、農業、服務業等相關重點基礎產業的經濟發展[1]。

與此同時，我國商用車產業長期面臨能源消耗大、環境污染重、自主創新能力儲備低、產業轉型升級困難等一系列問題[2]。2019 年，我國汽車燃油消費占全國汽柴油消費比例高達57%左右，在這數字統計中，商用車燃油消耗就約占我國汽車燃油消耗的70%，商用車平均油耗約高于西方國家同類型產品5%～10%。此外，由于我國汽車工業起步晚，基礎研究經費投入有限、行業研究資源分散、核心技術掌控不夠，已嚴重制約我國商用車經濟性的提升和輕量化技術的長遠發展[3]。

1 汽車輕量化背景與意義

1.1 汽車輕量化的背景

能源需求與環境污染壓力日趨嚴峻的今天，作為國民經濟的重要支柱產業，汽車工業的技術進步在人類生活與經濟運行中發揮著不可替代的作用。與此同時，我國提出了加強國際合作的“一帶一路”戰略構想，此構想涉及東南亞、中亞、歐洲南部等64 個國家，總人口超過40億人，經濟總量超過20萬億美元。此創舉拉動了能源、運輸等諸多領域的大空間合作，用于長距離運輸的重型商用車迎來了新一輪發展機遇[4]。

在“一帶一路”倡議的激勵下，我國全部工業增加值占全國GDP的比重顯著增加，并帶動了我國汽車工業的蓬勃發展。圖1數據顯示我國汽車保有量持續攀升，從2010 年的1.3 億輛急增至2019 年的2.5 億輛，并帶動了我國石油對外依存度的顯著提高。對于解決我國經濟物流產業運輸“最后一公里路”的商用車而言，我國商用車2019年保有量約0.33億輛，僅占同年我國汽車保有量2.5 億輛的13.2%。據統計[1]，我國3.5 t 及以上重型商用車承擔著公路運輸的45%～50%的貨運周轉量，而耗油總量卻與乘用車耗油總量基本持平，因此由商用車帶來的能源緊張和環境污染問題便顯得更加突出。因此，如何減少商用車能源消耗與降低排放成為我國政府和汽車行業面對的主要問題之一。

圖1 2010～2019年我國汽車保有量和全部工業GDP比重的年度走勢

目前，我國已成為世界第二大石油消費國、第三大石油進口國，石油對外依存已由2002 年的32.5%上升到2014 年的59.5%，按照圖2 中2002 年～2019 年我國石油產量、消耗量和對外依存度的統計數據，預計到2020 年底這一數字將穩定突破70%。在整個石油消耗中，汽車消耗石油占石油總消耗量的1/2 左右。據統計[5]，2011 年我國汽車用汽柴油消耗量已占社會總汽柴油用量的88.7%，其中2011 年商用車汽柴油消耗量又占到當年我國汽車用汽柴油消耗量的45.1%。回顧圖1 中2010 年至2019 年我國汽車保有量與石油對外依存度之間所呈現高度相關性不難推斷：我國商用車燃油消耗量巨大是我國石油對外依存度居高的主要原因之一。

為降低汽車能源消耗，要開發替代能源與節能雙向并舉，開發替代能源、節約用油和提高燃油經濟性是實現汽車節能的3項途徑。汽車輕量化是實現汽車節能減排的重要途徑，已成為世界汽車發展的潮流。汽車行駛過程中必須克服多種阻力，包括滾動阻力、爬坡阻力、加速阻力和空氣阻力。除了汽車阻力外，其他阻力都與整車整備質量成正比。因此降低汽車整備質量可有效降低油耗以及排放。可見，無論是傳統燃油動力汽車還是新能源汽車，輕量化都是節能減排的重要手段。因此，商用車輕量化意義重大。

1.2 商用車輕量化的戰略意義

1.2.1 大力發展商用車節能技術是有力保障國家能源戰略安全的重要舉措

2015 年，我國石油表現消費量高達5.43×108t，石油凈進口量高達3.28×108t，石油對外依存度突破60%大關，國家能源戰略安全問題日益嚴峻[6]。汽車成品油巨額消耗已成為我國石油對外依存度持續攀升的主力推手之一。未來5～15 年，我國仍將在傳統汽車為主的汽車產品結構下，因此推動傳統汽車節能化發展可大幅減緩成品油消耗量增長速度，從而有力保障國家能源戰略安全。

1.2.2 大力發展商用車節能技術是有效減輕國家環境保護壓力的必然手段

近年來，我國城市大氣污染日趨嚴重，霧霾現象頻頻出現，引發政府和民眾重點關注[7]。為此，我國在巴黎氣候大會中莊嚴承諾：“二氧化碳排放2030 年左右達到峰值并爭取盡早達峰，2030年單位GDP二氧化碳排放相比2005 年下降60%～65%。”在此背景下，汽車工業節能減排已成必然，而傳統汽車基數大，減排空間也較大，因此仍將是汽車工業支撐2030年巴黎氣候大會承諾目標達成的“排頭兵”。

1.3 商用車輕量化的社會貢獻

節能是商用車輕量化的首要社會貢獻。中國石油經濟技術研究院發布的《2015年國內外油氣行業發展報告》[8]顯示，2014 年和2015 年我國的石油對外依存度分別已達到59.4%和61.3%，遠超世界公認50%的安全線。中國石油集團經濟技術研究院發布《2018年國內外油氣行業發展報告》[9]稱，2018年中國的石油進口量為4.4×108t，同比增長11%，石油對外依存度升至69.8%；天然氣進口量1254×108m3，同比增長31.7%，對外依存度升至45.3%，預計2019 年，中國油氣對外依存度還將繼續上升至72%左右。2010 年以來，隨著汽車保有量的持續增加，帶動了中國工業增加值在GDP中的占比不斷攀升。與此同時，中國汽車產業油耗占比我國石油消費總量百分比也節節升高。據工信部2012 年數據統計[10]，我國汽車油耗占石油年消耗總量的一半左右，而汽車油耗的49.2%是被只占汽車總量13.9%的重型商用車（＞3.5 t）消耗掉的（輕、中型商用車暫未列入）。也就是說，雖然我國重型商用車總數量比乘用車少得多，但其消耗的燃油大體上卻與乘用車相當。由于我國重型商用車油耗量占汽車油耗量的比重最大，其油耗管理緊迫性比任何國家都強烈，如果重型商用車油耗降低10%，即使按2012年底的重型商用車保有量1 400 多萬輛來測算（空駛率20%，平均車速60 km/h，全年300天晝夜運輸），每年可至少節約900 Mt 汽柴油，相當于900 多萬輛家用轎車的燃油用量，節油效果顯著。

表1 貨車及半掛牽引車燃料消耗量限值[13]

*對于汽油車，其限值是表中相應限值的1.3 倍，精確到小數點后一位。

如果說能源對外依存度長期居高是目前我國的現狀，那么CO2則是氣候變化的主要原因。因此，減排亦成為商用車輕量化的另一社會貢獻。在總的CO2排放中，汽車的CO2排放量十分可觀，據國際能源機構（IEA）統計，全球超過15%的CO2排放來自于道路交通，尤其是汽車，發達國家或地區汽車排放的CO2更是已占其總量的25%[11]。為了更好地實現節能減排，在國際范圍內，加強重型商用車輛燃油消耗量評價與管理的必要性已經形成共識，重型商用車輛燃油消耗量已經成為當前及今后一段時期汽車節能工作的重點。由于重型商用車輛產品種類、使用條件和技術狀態遠比輕型汽車復雜，國際范圍普遍認為重型商用車輛燃油消耗評價難度高于輕型汽車，推進難度較大。截至目前，日本發布實施了重型商用車燃油消耗量限值標準，2011 年8 月美國發布了相關法規；歐洲重型商用車輛燃油消耗量標準也取得階段性成果，有望于2013 年確定測試評價方法。中國國家工信部決定對最大設計總質量大于3 500 kg的燃用柴油和汽油的商用車輛產品實施燃料消耗量管理，并按照GB/T 27840—2011[12]、QC/T 924—2011[13]要求執行，貨車及半掛牽引車燃料消耗量限值見表1。

2 商用車輕量化現狀分析

2.1 國內外商用車發展對比

現階段，我國汽車產業依舊面臨能源消耗大、環境污染重、自主創新能力缺乏、產業轉型升級緩慢等一系列問題[14]。但隨著我國商用車市場的不斷發展以及自主品牌整車、零部件企業的持續壯大，我國商用車節能技術也取得了較為突出的發展成績[15]。

（1）優秀整車產品性能大幅提升。

在載貨汽車方面，以東風天龍重型載貨汽車為例，其發動機最低比油耗降至185 g/kW·h，油耗下降5%～8%，經濟車速提高至80～90 km/h。該車采用框架式車身，高強度鋼板用量占車身用鋼的比例超過40%，滿足嚴苛的瑞典VVFS安全法規。

（2）重型商用車動力總成技術水平持續提升。

在發動機領域，玉柴開發出滿足歐VI排放法規的車用柴油機并順利通過歐盟E/e-mark 認證試驗，開啟了國產歐VI 發動機出口歐美的大門；濰柴WP13 重型發動機將我國商用車正式帶入“500馬力+”時代；云內動力在多缸小缸徑柴油機方面也取得了重大科技突破。在變速器領域，配備液力緩速器的法士特12擋機械式自動變速器（AMT）打破了外資品牌構筑的知識產權壁壘。

但與國外相比，我國自主品牌商用車的油耗水平與國外的差距仍然存在，并長期存在先進技術研發力度不足等明顯特征，主要表現如下。

（1）主流車型油耗水平差距較大[16]。

根據國外某研究機構的仿真計算，將國際主流車型先進節能技術運用到我國49 t 6×4 牽引車上，在同工況同載荷情況下，統計數據顯示我國自主品牌產品的油耗比國外主流車型高出10%以上。其中，主流客車在長途高速工況下的油耗水平約在22.4～23.8 L/100 km，接近歐洲主流車型水平，在城市工況下的油耗水平在36.3～37.5 L/100 km，比歐洲主流車型高出10%左右。

（2）關鍵技術指標仍處于落后狀態[17]。

我國商用車發動機最高熱效率與國外最高差距約為5%，變速器各擋位傳動效率值差距約為1%～5%。在低速工況下，整車滑行阻力差距約為200 N，在高速下，整車滑行阻力差距約為600～800 N，平均滑行阻力差距為12%～16%。在輕量化方面，國際上三軸掛車最低質量僅為5.3 t，而我國同等車型最低質量為7.5 t左右，差距較大。

（3）先進節能技術研發與應用程度不足[18]。

國內車企受制于產品成本及產業生態環境，對部分節能技術無法實現規模化應用，進而導致了對先進技術的研發主動性不足，如混合動力重型貨車尚無明確的產業化時間表，自動變速器應用率偏低，在國外當前大力發展的車輛隊列、道路預見性系統、降低空載等方面的應用尚處于空白階段。

2.2 國內外商用車輕量化狀況分析

為了系統研究我國載貨汽車，尤其是重型載貨汽車的輕量化現狀，收集了列入《公告》在我國市場銷售的近3 000 余量車型數據，包括自卸車、載貨車、牽引車和半掛車等，對其表征輕量化的相關參數進行了分析研究，并引入車載質量利用系數（用符號A 表示）和牽引車牽掛比（用符號B 表示）這兩個參量來分析國內外商用貨車在輕量化方面的狀況。

載質量利用系數A 定義為汽車裝載質量與整備質量的比值，是衡量輕量化水平的重要參數。在裝載質量和使用壽命相同的條件下，A越大，該車的結構設計與制造水平越高。表2為我國不同總質量的重型載貨汽車產品載質量利用系數A 分布統計結果。表中縱向數據顯示：在重型載貨汽車中，38.7%產品的載質量利用系數約為1，僅有27.8%產品的載質量利用系數大于1.6。橫向數據顯示：24.5～29 t 級載質量利用系數達到1.6 以上的產品約占總樣本的3.4%，而在11.9～16.5 t級的占比95.4%。這些數據表明載貨汽車“小馬拉大車”的現象較為明顯。

表3為我國重型自卸車產品載質量利用系數A分布統計結果。從表3統計數據可知，在重型自卸車中，99.2%產品的載質量利用系數小于1.1。

表2 重型載貨汽車產品載質量利用系數A分布情況

2012～2013年以及國外近5年典型的最大裝載質量為10～15 t的重型自卸車和15～20 t的重型自卸車分析結果見表3～17。國內載質量10～15 t車型的總質量約為25 t，整備質量為12 t，平均載質量系數約為1.035。國外同類車型總質量約為26 t，整備質量為12 t，平均載質量系數約為1.05。國內載質量15～20 t 重型自卸車的總質量為31 t，整備質量為14 t，平均載質量系數約為1.07。國外同類車型總質量約為32 t，整備質量約為12 t，平均載質量系數約為1.34。

由此可見，國外近5 年的典型最大裝載質量10～15 t 重型自卸車的整備質量與國產同類型自卸車輛整備質量類似，平均載質量利用系數也差別不大，見表4。而國產大噸位即總質量31～32 t、裝在質量15～20 t 的自卸車的整備質量較重，載質量利用系數較小。

表3 重型自卸汽車產品載質量利用系數A分布情況

表4 國產與進口自卸車輕量化水平比較

雖然國家標準對牽引車沒有載質量利用系數的要求，但通過引入牽引車牽掛比的概念可以很好地反應我國重型牽引車產品的輕量化水平。表5為國產重型牽引車產品牽掛比B的統計分析結果。

駱馬湖局開展采砂管理工作以來，河湖采砂從曾經的混亂無序到如今的逐步規范有序，采砂管理從高壓嚴打到尋求源頭管理的標本兼治，從流域與區域當初的“一事一議”到建立長效的合作機制，這一切，都歸功于不斷推進的流域性河湖采砂聯合管理機制。但是，這種聯合管理機制目前還不是十分完善，仍然存在著以下幾個方面急需解決的問題。

表5 國產重型牽引汽車產品牽掛比B分布情況

從表5 中數據可知，占樣本20%產品的牽掛比大于5.0，但80%產品的牽掛比小于5.0。其中，在拖掛39.5 t 以上的牽引車中B 值小于5 的樣本數占到總樣本的94%，但同時又4.6%樣本的牽掛比大于6。也就是說，在最大載質量相同、發動機功率接近、拖掛總質量相同的條件下，牽引車的整備質量有很大差距，又存在“大馬拉小車”的現象，這無疑是一種浪費。此外，表6 給出了不同類型國產與進口重型牽引車整備質量對比情況。由于牽引車的類型較多，這里重點選擇經典的6×4 牽引車來比較國內外牽引車在輕量化方面的差異。

經計算分析，國產經典6×4 牽引車的平均整備質量為9.1t，動力范圍為194～318 kW，多數為250 kW 左右。同樣選取了國內銷售的國外品牌牽引車，國外品牌典型6×4 牽引車的平均整備質量為8.2 t，動力范圍為280～320 kW，通過表6中的數據可知，6×4牽引車國產車型總質量比進口車型重11%，而這一數值在4×2牽引車中僅體現為增重2.8%。

表6 不同類型國產與進口重型牽引車整備質量比較

2016 年以前，國內牽引車所呈現的“大馬拉小車”現象從側面促推了牽引半掛車在道路上的超載現象[19]。據初步統計，2015 年中國國內全年貨運周轉量的48%～55%是由重型牽引半掛車完成的。圖3 為重型貨車國內公路貨運周轉量的變化歷程，可見：我國從2010 年～2015 年的貨運周轉量穩步提升，2015 年全年累計周轉達6 萬億噸公里，同比2010 年的4 萬億噸公里，增幅達50%。為滿足逐年增長的物流周轉需求，我國年載貨汽車保有量與年貨運周轉量的變化趨勢始終保持著高度一致，而重型貨車產銷量卻逐年下降，從2010 年約100 萬輛驟降至2015 年的40 萬輛，降幅約60%。在2015 年08 月發改委發布的《關于加快實施現代物流重大工程的通知》中，統計了額定載荷各種車型貨運量與貨物周轉量的相關數據，如表7。數據說明，按額定載荷能力，當年貨運汽車保有量無法完成公路運輸量的需求，在重型貨車產銷量逐年下降的背景下，貨運量的20%多、周轉量的30%多必然是通過超載運輸完成的。

圖3 2010～2015年重型貨車道路運輸相關數據變化趨勢

表7 額定載荷貨運量與貨物周轉量的統計數據

為保障道路運輸安全，2016 年09 月，GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》正式實行，此國標規定六軸汽車列車總重上限從55 t降至49 t，半掛車（三軸）總重上限降至40 t。該國標的頒布加大了貨運能力與周轉需求量的虧空。為滿足貨運周轉需求，商用車的市場銷量必然會進一步加大，直接表現為2017 年中國商用車保有量較2016年增幅接近10%（見圖1），這一數據顯示我國商用車輛的空前熱銷。

中國汽車工程學會相關數據表明（表8），在2010年商用車數據中，重型貨車的實際保有量約在367.9萬輛，假設在整備質量輕量化10%-空駛率20%的條件下，2010 年重型貨車在全部滿載運營的前提下，仍可維持當年的實際運輸需求量，但到2015年卻已出現約35 萬輛的重載貨車虧空（計算數據）。若按我國年均GDP 增幅6.5%計算，參考圖3 重型貨車保有量擬合關系外推得到“十三五”末期，我國重卡的保有量約在723萬輛；而2015年重型載貨汽車實際保有量為511.5萬輛；因此，2020年將累計新增211.5萬輛。

表8 無超載需求量與高效運輸狀態需求量分析

中國承諾到2020 年將單位國內生產總值（GDP）的碳排放較2005 年削減40%～45%，其中降低汽車尾氣排放是很重要的工作。從各國的經驗看，實現汽車節能減排的措施主要有4種：改進發動機燃油效率，小型化、輕量化，替代燃料和開發新能源汽車。輕量化作為傳統汽車、替代燃料汽車和新能源汽車共有的關鍵基礎技術已經引起了世界各國和知名跨國企業的高度重視。汽車輕量化是一個系統工程，涉及到產品設計、材料、裝備和工藝、售后維修、回收再利用等多方面，結構優化和材料優化無疑是其中最重要的內容，高強度鋼的開發及結構優化和相關制造技術的應用，是商用車輕量化的有效手段。為此，中國汽車工程學會頒布了商用車輕量化發展目標[20]。到2020 年底，實現整車材料減重10%；到2025年底，實現整車材料減重20%；到2030 年底，實現整車材料減重35%，基本達到額定載荷貨運量與貨物周轉量的平衡。

2.3 商用車節能技術潛力和成本分析

從上述商用車產銷量與年周轉量的分析來看，在未來我國道路運輸中，由于半掛牽引車的物流運輸周轉效率高，通用性強，將逐步成為最普遍、最經濟的運輸車輛。為此，半掛牽引車的輕量化可以帶來顯著的經濟效益和節能效果。

2.3.1 節能潛力分析

中國汽車技術研究中心在2018 年統計分析了我國重型商用車整車節能技術潛力和成本分布，如圖4所示[21]。圖4 中左下區域包含了空氣動力性能技術、輪胎技術、傳動技術優化等，各自成本不超過8 000元，節能效果在4%以內。上方區域中的CVT 和AMT變速器節能技術開發成本顯著偏高，且受扭矩等條件限制在重型商用車領域應用較少。綜合考評研發成本與節能效果，輕量化技術成為關注重點。

圖4 整車節能技術潛力和成本分布[21]

圖5 半掛牽引車及大型貨車輕量化節能技術潛力和成本曲線[21]

2.3.2 成本回收周期

基于上述半掛牽引車及大型貨車未來節能潛力分析，結合中國2020 年商用車節能技術愿景至少節能20%的規劃目標進行成本回收周期評估。計算時采用以下假設：以某49 t 六軸半掛牽引車燃料消耗量限值56 L/ 100km 計算為例，當燃油消耗量下降20%時，按情景1 的相應成本增加值約為4 萬元。若每天運行1 000 km，汽柴油價格按5元/L 計算，全年累計節省油耗成本支出20.16 萬元，相當于新車運營2～3 個月即可回收輕量化技術的購車成本增加值，而車輛在超過回收周期后的全壽命運營周期里均為購車方節約大量燃油成本。若按情景2 計算，相同假設條件下的購車成本增加值回收周期更短，遠期收益更高。因此，無論從近端需求還是終端需求角度分析，通過汽車輕量化實現節能減排都勢在必行。

3 商用車輕量化發展的愿景目標

相應“中國制造2025”中關于汽車低碳化、信息化、智能化的發展要求，通過大幅降低各類商用車能耗水平，保障國家能源戰略安全，以能源利用的高效化及低排放應對氣候變化，助力汽車工業提高達成CO2峰值目標，突破并掌握關鍵核心技術，實現戰略轉型升級發展，最終有力支撐我國汽車工業從大到強的轉變。

根據我國陸續發布的汽車工業戰略規劃及相關政策中，均對節能汽車有所涉及，主要包括：GB 20997—2015《輕型商用車輛燃料消耗量限值》、GB 30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》及各階段排放標準等，同時參考《中國制造2025 重點領域技術路線圖》等重要指導文件[22-24]，綜合梳理出我國商用車近、中、遠期不同階段的戰略目標（部分），見圖6。

圖6 我國商用車的近、中、遠期不同階段戰略目標(部分)[24]

當前，對于商用車用高強度鋼及減重比例已經成為眾多企業和學者關注的焦點，對近、中、遠期戰略目標分析如下。

3.1 近期目標

到2020 年，重點提升總成節油和輕量化應用水平。從嚴整治超載、排放超標等現象，鼓勵企業加快輕量化材料、先進結構工藝等新產品、新技術的應用。整車600 MPa 以上高強度鋼的應用比例達到50%，并在2015 年基礎上實現整車減重10%。綜上基礎，使商用車年產銷量達到350 萬輛，平均油耗累計降低15%～20%，商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平。

3.2 中期目標

到2025 年，重點提升混合動力、空氣動力性能、輕量化等節能技術水平，加大整車制造中輕合金與復合材料的應用比例，600 MPa 以上高強度鋼的應用比例需達30%，并在2015 年基礎上實現整車減重20%。進一步優化商用車節能技術發展環境。相比2015年，商用車年產銷量穩定在350 萬輛，平均油耗累計降低30%～35%，商用車新車燃料消耗量達到國際先進水平。

3.3 遠期目標

到2030年，重點發展基于智能聯網的新型節能技術，提升混合動力、替代燃料、輕量化技術的應用能力。1 000 MPa 以上汽車結構鋼有一定比例應用的同時，在2015年的基礎上實現整車減重25%。在商用車年產銷量在350 萬輛的基礎上，進一步提高整車全壽命周期的貨運周轉能力。相比2015年，商用車平均油耗累計降低35%～45%，并保持與國際領先水平同步。

4 總結

商用車尤其是重型載貨汽車，按設定目標減重可增加可觀的經濟效益，這為重型載貨車的輕量化創造了極其有利的條件。

我國載質量為15～20 t 自卸車整備質量和載質量利用系數都與國外先進水平有較大差距，牽引車的整備質量和牽引比都有較大提升潛力。

目前，在同一公路運輸超載管理規定的基礎上，制定限值生產可超載汽車的管理辦法、同時抓好適用車型的載質量利用系數管理和牽引車、半掛車的質量利用管理，充分發揮政府對市場的引導和指導作用。

總之，“十三五”以來，在國家部委相關政策法規的推動下，在汽車輕量化技術創新戰略聯盟的指導下，我國商用車輕量化水平有了一定的提升，但和國外商用車的輕量化水平仍有較大差距，主要表現在整車輕量化水平上，在牽引車、掛車和各種關鍵總成的輕量化方面仍有改善空間。未來，圍繞商用車輕量化的工作任重而道遠。