2020年我國(guó)重型商用車(chē)節(jié)能潛力和成本分析

鄭天雷，王 兆，保 翔，金約夫

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心 天津300300)

0 引 言

為貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)劃》)中提出的“2020年商用車(chē)新車(chē)燃料消耗量接近國(guó)際先進(jìn)水平”的發(fā)展目標(biāo)，促進(jìn)我國(guó)重型商用車(chē)行業(yè)節(jié)能技術(shù)發(fā)展和節(jié)能減排，項(xiàng)目組作為第一起草單位制定完成了我國(guó)重型商用車(chē)輛第三階段燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)研究過(guò)程中，項(xiàng)目組針對(duì)我國(guó)重型商用車(chē)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)我國(guó)重型商用車(chē)行業(yè)未來(lái)節(jié)能潛力和成本進(jìn)行了估算，為標(biāo)準(zhǔn)限值指標(biāo)的確定提供了技術(shù)依據(jù)，同時(shí)成為我國(guó)重型商用車(chē)企業(yè)未來(lái)達(dá)標(biāo)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(shì)

近年來(lái)，我國(guó)重型商用車(chē)行業(yè)通過(guò)加大技術(shù)和資金投入開(kāi)展節(jié)能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用，取得了較大的進(jìn)步，重型商用車(chē)輛燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施也在一定程度上促進(jìn)了先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的引進(jìn)、應(yīng)用和發(fā)展，但與歐洲、美國(guó)、日本等汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家相比，我國(guó)重型商用車(chē)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用比例仍較低，車(chē)型燃料消耗量仍然偏高。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

我國(guó)重型商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)以柴油機(jī)為主，通過(guò)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(mén)技術(shù)、高壓共軌技術(shù)等也得到了廣泛應(yīng)用。隨著未來(lái)更嚴(yán)格的燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施，可變氣門(mén)技術(shù)、電控附件、減少發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)重型商用車(chē)變速器型式比較單一，除少數(shù)車(chē)型采用自動(dòng)變速器或手自一體變速器外，其他全部為手動(dòng)變速器。從全球來(lái)看，自動(dòng)變速器是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，其中無(wú)級(jí)變速器在節(jié)油方面比其他類(lèi)型變速器更具優(yōu)勢(shì)，但傳動(dòng)扭矩有限，在重型商用車(chē)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(jì)性高等技術(shù)特點(diǎn)，是未來(lái)重型商用車(chē)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，目前已在少部分車(chē)型上得到應(yīng)用。

1.3 改善空氣動(dòng)力學(xué)性能

通過(guò)改善車(chē)身的空氣動(dòng)力學(xué)性能可以降低整車(chē)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(guó)重型商用車(chē)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(jìn)后視鏡位置、優(yōu)化進(jìn)氣口和格柵、加裝導(dǎo)流罩等措施。下一階段，通過(guò)在車(chē)尾部、駕駛室與掛車(chē)連接處加裝空氣套件，改善掛車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能等還將進(jìn)一步提升整車(chē)空氣動(dòng)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(guò)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(jì)、成形和聯(lián)接技術(shù)改進(jìn)等措施降低車(chē)輛自身質(zhì)量從而改善燃料經(jīng)濟(jì)性。輕量化技術(shù)在乘用車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，并逐步在商用車(chē)領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用，但受到重型商用車(chē)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的影響，輕量化技術(shù)的應(yīng)用比較有限。

1.5 車(chē)輪和輪胎

在各種輪胎類(lèi)型中，子午線輪胎在節(jié)油方面優(yōu)勢(shì)較為明顯，未來(lái)在重型商用車(chē)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。同時(shí)，低能耗車(chē)輪技術(shù)也將得到快速發(fā)展，一是通過(guò)采用高強(qiáng)度鋼板減輕車(chē)輪重量；二是采用無(wú)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(chē)節(jié)能技術(shù)之外，混合動(dòng)力技術(shù)、純電動(dòng)技術(shù)也可顯著降低車(chē)輛燃料消耗量。在國(guó)家相關(guān)政策的扶持下，怠速起停、制動(dòng)能量回收、混合動(dòng)力技術(shù)以及純電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)在城市公交車(chē)以及城市物流車(chē)上得到了一定應(yīng)用。受到電池、電機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)的制約，未來(lái)新能源汽車(chē)在重型商用車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用仍將以城市內(nèi)短途運(yùn)輸為主。

2 節(jié)能技術(shù)調(diào)查

重型商用車(chē)輛第三階段燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)研究過(guò)程中，在行業(yè)內(nèi)開(kāi)展了節(jié)能技術(shù)應(yīng)用調(diào)查，統(tǒng)計(jì)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(cè)等數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展了未來(lái)重型商用車(chē)行業(yè)節(jié)能技術(shù)潛力和成本分析，進(jìn)一步評(píng)估節(jié)能目標(biāo)和燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)未來(lái)實(shí)施的可行性以及帶來(lái)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(xiàng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力學(xué)、整車(chē)、傳動(dòng)系、輪胎和車(chē)輪、混合動(dòng)力和新能源、工況外措施等幾個(gè)方面，如表1所示。

表1 節(jié)能技術(shù)選項(xiàng)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(xiàng)目組從國(guó)內(nèi)十余家主要重型商用車(chē)企業(yè)調(diào)查得到了各節(jié)能技術(shù)選項(xiàng)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(cè)數(shù)據(jù)，剔除明顯偏離實(shí)際的數(shù)據(jù)后，統(tǒng)計(jì)得到全行業(yè)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)選項(xiàng)估測(cè)值，并對(duì)節(jié)能技術(shù)潛力、成本等進(jìn)行分析：

3.1 節(jié)能技術(shù)選項(xiàng)分布

按照發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)節(jié)能技術(shù)分別對(duì)各節(jié)能技術(shù)選項(xiàng)的節(jié)能效果和應(yīng)用成本分布進(jìn)行分析。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)節(jié)能技術(shù)分布如圖1所示，主要分布于3個(gè)區(qū)域。下方區(qū)域?yàn)槌Ｒ?jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)，包括高壓共軌、增壓、進(jìn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)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(shì)。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(guó)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(dòng)機(jī)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(chē)相關(guān)節(jié)能技術(shù)分布如圖2所示，主要分布于3個(gè)區(qū)域。下方區(qū)域包括改善空氣動(dòng)力性能技術(shù)、輪胎技術(shù)、傳動(dòng)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(chē)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(chē)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(lái)我國(guó)重型商用車(chē)節(jié)能潛力及相應(yīng)的成本增加值，研究在匯總各項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)在行業(yè)內(nèi) 2015年的應(yīng)用比例以及預(yù)測(cè)的 2020年未來(lái)應(yīng)用比例，對(duì)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)效果和成本進(jìn)行疊加，從而對(duì)我國(guó)重型商用車(chē)行業(yè)平均節(jié)能潛力和成本曲線進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)中采用的主要方法和原則說(shuō)明如下：

①為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)同時(shí)采用的綜合節(jié)能效果為各單項(xiàng)節(jié)能技術(shù)效果之和；而在實(shí)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(chē)行業(yè)的平均節(jié)能潛力和成本進(jìn)行分析，而非具體車(chē)型。例如，增壓技術(shù)在單車(chē)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(duì)重型商用車(chē)行業(yè)的總體節(jié)能貢獻(xiàn)率為0.25%,，成本增加300元。

③研究對(duì)未來(lái)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分兩種情景進(jìn)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(xiàng)進(jìn)行疊加，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到各企業(yè)產(chǎn)品、技術(shù)的實(shí)際情況以及各項(xiàng)技術(shù)研發(fā)或獲取的難易程度，往往無(wú)法按照最理想情景發(fā)展，因此可作為未來(lái)發(fā)展場(chǎng)景分析的上限。情景2是假設(shè)現(xiàn)行油耗限值標(biāo)準(zhǔn)不加嚴(yán)的情況下，行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)對(duì)未來(lái)產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)的規(guī)劃情況，未來(lái)更嚴(yán)格的油耗限值標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步提高節(jié)能技術(shù)應(yīng)用比例，因此作為未來(lái)發(fā)展場(chǎng)景分析的下限。

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

綜合以上分析方法對(duì)兩類(lèi)車(chē)型在情景 1、情景 2下的節(jié)能技術(shù)潛力和成本曲線進(jìn)行分析，如圖 3、圖4所示?？傮w上看，兩類(lèi)車(chē)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(lèi)車(chē)型在實(shí)際運(yùn)行中以高速工況為主，改善空氣動(dòng)力外形具有較大節(jié)能效果；第二類(lèi)車(chē)型在實(shí)際運(yùn)行中以低速工況為主，混合動(dòng)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(chē)成本增加約4.0萬(wàn)元。在情景1下，18%,節(jié)能潛力對(duì)應(yīng)的成本增加值約為 1.5萬(wàn)元，而當(dāng)現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)全部應(yīng)用時(shí)，我國(guó)重型商用車(chē)節(jié)能潛力可達(dá) 40%,以上，但相應(yīng)的成本增加也將超過(guò)10.0萬(wàn)元。

圖3 半掛牽引車(chē)、大質(zhì)量貨車(chē)和客車(chē)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(chē)、小質(zhì)量貨車(chē)和客車(chē)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(chē)行業(yè)未來(lái)節(jié)能潛力和成本測(cè)算，以及與國(guó)外相關(guān)車(chē)型和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的比對(duì)結(jié)果，項(xiàng)目組制定完成了我國(guó)重型商用車(chē)輛燃料消耗量第三階段限值標(biāo)準(zhǔn)。在限值指標(biāo)方面，第三階段限值標(biāo)準(zhǔn)(2020年)較第二階段(2015年)平均加嚴(yán)約15%,。第三階段標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將促進(jìn)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(chē)輛成本和售價(jià)的增加，然而由于車(chē)輛燃料經(jīng)濟(jì)性的改善，消費(fèi)者往往可在一定周期內(nèi)節(jié)省回收車(chē)輛成本增加值。根據(jù)3.2分析結(jié)果對(duì)成本回收周期進(jìn)行估算，計(jì)算中采用以下假設(shè)：

車(chē)輛基礎(chǔ)燃料消耗量按 30,L/100,km計(jì)算，當(dāng)燃料消耗量下降15%,時(shí)，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(wàn)元；車(chē)輛年行駛里程按50,000,km計(jì)算；燃油價(jià)格按6元/L計(jì)算。

綜上假設(shè)可以計(jì)算得到，原車(chē)輛每年燃油使用成本約為 9.0萬(wàn)元，若百公里燃料消耗量下降 15%，每年節(jié)省費(fèi)用為1.35萬(wàn)元，成本回收周期為1.1～1.5年，即消費(fèi)者可在購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛的 2年內(nèi)回收購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛的成本增加值，而在車(chē)輛超過(guò)回收周期后的使用時(shí)間里為消費(fèi)者繼續(xù)節(jié)約大量燃油費(fèi)用。

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)我國(guó)重型商用車(chē)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)我國(guó)重型商用車(chē)行業(yè)未來(lái)節(jié)能潛力和成本進(jìn)行了估算。與 2015年相比，2020年我國(guó)重型商用車(chē)行業(yè)有 18%,～40%,的節(jié)能潛力；成本方面，當(dāng)車(chē)型百公里燃料消耗量下降 15%,時(shí)，車(chē)輛成本增加約1.5～2.0萬(wàn)元，消費(fèi)者可在購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛的2年內(nèi)回收購(gòu)車(chē)成本增加值。

本研究的開(kāi)展為2020年重型商用車(chē)輛第三階段燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)限值指標(biāo)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(chē)新車(chē)燃料消耗量接近國(guó)際先進(jìn)水平”發(fā)展目標(biāo)和第三階段限值標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的可行性，同時(shí)也是我國(guó)重型商用車(chē)企業(yè)未來(lái)達(dá)標(biāo)的重要參考技術(shù)路徑。

［1］ 全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB 30510—2014，重型商用車(chē)輛燃料消耗量限值[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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.