浅谈中国商用汽车节能与轻量化的意义与愿景

张楠

（钢铁研究总院，北京100081）

主题词：商用车 轻量化 节能 减排

0 前言

近十年来，我国商用汽车产业持续快速发展。从2009 年至2019 年，全国商用汽车年产销量总体呈现增长势头，行业规模以上商用车制造企业主营业务年收入已经突破2 万亿元，有效拉动了制造业、农业、服务业等相关重点基础产业的经济发展[1]。

与此同时，我国商用车产业长期面临能源消耗大、环境污染重、自主创新能力储备低、产业转型升级困难等一系列问题[2]。2019 年，我国汽车燃油消费占全国汽柴油消费比例高达57%左右，在这数字统计中，商用车燃油消耗就约占我国汽车燃油消耗的70%，商用车平均油耗约高于西方国家同类型产品5%～10%。此外，由于我国汽车工业起步晚，基础研究经费投入有限、行业研究资源分散、核心技术掌控不够，已严重制约我国商用车经济性的提升和轻量化技术的长远发展[3]。

1 汽车轻量化背景与意义

1.1 汽车轻量化的背景

能源需求与环境污染压力日趋严峻的今天，作为国民经济的重要支柱产业，汽车工业的技术进步在人类生活与经济运行中发挥着不可替代的作用。与此同时，我国提出了加强国际合作的“一带一路”战略构想，此构想涉及东南亚、中亚、欧洲南部等64 个国家，总人口超过40亿人，经济总量超过20万亿美元。此创举拉动了能源、运输等诸多领域的大空间合作，用于长距离运输的重型商用车迎来了新一轮发展机遇[4]。

在“一带一路”倡议的激励下，我国全部工业增加值占全国GDP的比重显著增加，并带动了我国汽车工业的蓬勃发展。图1数据显示我国汽车保有量持续攀升，从2010 年的1.3 亿辆急增至2019 年的2.5 亿辆，并带动了我国石油对外依存度的显著提高。对于解决我国经济物流产业运输“最后一公里路”的商用车而言，我国商用车2019年保有量约0.33亿辆，仅占同年我国汽车保有量2.5 亿辆的13.2%。据统计[1]，我国3.5 t 及以上重型商用车承担着公路运输的45%～50%的货运周转量，而耗油总量却与乘用车耗油总量基本持平，因此由商用车带来的能源紧张和环境污染问题便显得更加突出。因此，如何减少商用车能源消耗与降低排放成为我国政府和汽车行业面对的主要问题之一。

图1 2010～2019年我国汽车保有量和全部工业GDP比重的年度走势

目前，我国已成为世界第二大石油消费国、第三大石油进口国，石油对外依存已由2002 年的32.5%上升到2014 年的59.5%，按照图2 中2002 年～2019 年我国石油产量、消耗量和对外依存度的统计数据，预计到2020 年底这一数字将稳定突破70%。在整个石油消耗中，汽车消耗石油占石油总消耗量的1/2 左右。据统计[5]，2011 年我国汽车用汽柴油消耗量已占社会总汽柴油用量的88.7%，其中2011 年商用车汽柴油消耗量又占到当年我国汽车用汽柴油消耗量的45.1%。回顾图1 中2010 年至2019 年我国汽车保有量与石油对外依存度之间所呈现高度相关性不难推断：我国商用车燃油消耗量巨大是我国石油对外依存度居高的主要原因之一。

为降低汽车能源消耗，要开发替代能源与节能双向并举，开发替代能源、节约用油和提高燃油经济性是实现汽车节能的3项途径。汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要途径，已成为世界汽车发展的潮流。汽车行驶过程中必须克服多种阻力，包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力。除了汽车阻力外，其他阻力都与整车整备质量成正比。因此降低汽车整备质量可有效降低油耗以及排放。可见，无论是传统燃油动力汽车还是新能源汽车，轻量化都是节能减排的重要手段。因此，商用车轻量化意义重大。

1.2 商用车轻量化的战略意义

1.2.1 大力发展商用车节能技术是有力保障国家能源战略安全的重要举措

2015 年，我国石油表现消费量高达5.43×108t，石油净进口量高达3.28×108t，石油对外依存度突破60%大关，国家能源战略安全问题日益严峻[6]。汽车成品油巨额消耗已成为我国石油对外依存度持续攀升的主力推手之一。未来5～15 年，我国仍将在传统汽车为主的汽车产品结构下，因此推动传统汽车节能化发展可大幅减缓成品油消耗量增长速度，从而有力保障国家能源战略安全。

1.2.2 大力发展商用车节能技术是有效减轻国家环境保护压力的必然手段

近年来，我国城市大气污染日趋严重，雾霾现象频频出现，引发政府和民众重点关注[7]。为此，我国在巴黎气候大会中庄严承诺：“二氧化碳排放2030 年左右达到峰值并争取尽早达峰，2030年单位GDP二氧化碳排放相比2005 年下降60%～65%。”在此背景下，汽车工业节能减排已成必然，而传统汽车基数大，减排空间也较大，因此仍将是汽车工业支撑2030年巴黎气候大会承诺目标达成的“排头兵”。

1.3 商用车轻量化的社会贡献

节能是商用车轻量化的首要社会贡献。中国石油经济技术研究院发布的《2015年国内外油气行业发展报告》[8]显示，2014 年和2015 年我国的石油对外依存度分别已达到59.4%和61.3%，远超世界公认50%的安全线。中国石油集团经济技术研究院发布《2018年国内外油气行业发展报告》[9]称，2018年中国的石油进口量为4.4×108t，同比增长11%，石油对外依存度升至69.8%；天然气进口量1254×108m3，同比增长31.7%，对外依存度升至45.3%，预计2019 年，中国油气对外依存度还将继续上升至72%左右。2010 年以来，随着汽车保有量的持续增加，带动了中国工业增加值在GDP中的占比不断攀升。与此同时，中国汽车产业油耗占比我国石油消费总量百分比也节节升高。据工信部2012 年数据统计[10]，我国汽车油耗占石油年消耗总量的一半左右，而汽车油耗的49.2%是被只占汽车总量13.9%的重型商用车（＞3.5 t）消耗掉的（轻、中型商用车暂未列入）。也就是说，虽然我国重型商用车总数量比乘用车少得多，但其消耗的燃油大体上却与乘用车相当。由于我国重型商用车油耗量占汽车油耗量的比重最大，其油耗管理紧迫性比任何国家都强烈，如果重型商用车油耗降低10%，即使按2012年底的重型商用车保有量1 400 多万辆来测算（空驶率20%，平均车速60 km/h，全年300天昼夜运输），每年可至少节约900 Mt 汽柴油，相当于900 多万辆家用轿车的燃油用量，节油效果显著。

表1 货车及半挂牵引车燃料消耗量限值[13]

*对于汽油车，其限值是表中相应限值的1.3 倍，精确到小数点后一位。

如果说能源对外依存度长期居高是目前我国的现状，那么CO2则是气候变化的主要原因。因此，减排亦成为商用车轻量化的另一社会贡献。在总的CO2排放中，汽车的CO2排放量十分可观，据国际能源机构（IEA）统计，全球超过15%的CO2排放来自于道路交通，尤其是汽车，发达国家或地区汽车排放的CO2更是已占其总量的25%[11]。为了更好地实现节能减排，在国际范围内，加强重型商用车辆燃油消耗量评价与管理的必要性已经形成共识，重型商用车辆燃油消耗量已经成为当前及今后一段时期汽车节能工作的重点。由于重型商用车辆产品种类、使用条件和技术状态远比轻型汽车复杂，国际范围普遍认为重型商用车辆燃油消耗评价难度高于轻型汽车，推进难度较大。截至目前，日本发布实施了重型商用车燃油消耗量限值标准，2011 年8 月美国发布了相关法规；欧洲重型商用车辆燃油消耗量标准也取得阶段性成果，有望于2013 年确定测试评价方法。中国国家工信部决定对最大设计总质量大于3 500 kg的燃用柴油和汽油的商用车辆产品实施燃料消耗量管理，并按照GB/T 27840—2011[12]、QC/T 924—2011[13]要求执行，货车及半挂牵引车燃料消耗量限值见表1。

2 商用车轻量化现状分析

2.1 国内外商用车发展对比

现阶段，我国汽车产业依旧面临能源消耗大、环境污染重、自主创新能力缺乏、产业转型升级缓慢等一系列问题[14]。但随着我国商用车市场的不断发展以及自主品牌整车、零部件企业的持续壮大，我国商用车节能技术也取得了较为突出的发展成绩[15]。

（1）优秀整车产品性能大幅提升。

在载货汽车方面，以东风天龙重型载货汽车为例，其发动机最低比油耗降至185 g/kW·h，油耗下降5%～8%，经济车速提高至80～90 km/h。该车采用框架式车身，高强度钢板用量占车身用钢的比例超过40%，满足严苛的瑞典VVFS安全法规。

（2）重型商用车动力总成技术水平持续提升。

在发动机领域，玉柴开发出满足欧VI排放法规的车用柴油机并顺利通过欧盟E/e-mark 认证试验，开启了国产欧VI 发动机出口欧美的大门；潍柴WP13 重型发动机将我国商用车正式带入“500马力+”时代；云内动力在多缸小缸径柴油机方面也取得了重大科技突破。在变速器领域，配备液力缓速器的法士特12挡机械式自动变速器（AMT）打破了外资品牌构筑的知识产权壁垒。

但与国外相比，我国自主品牌商用车的油耗水平与国外的差距仍然存在，并长期存在先进技术研发力度不足等明显特征，主要表现如下。

（1）主流车型油耗水平差距较大[16]。

根据国外某研究机构的仿真计算，将国际主流车型先进节能技术运用到我国49 t 6×4 牵引车上，在同工况同载荷情况下，统计数据显示我国自主品牌产品的油耗比国外主流车型高出10%以上。其中，主流客车在长途高速工况下的油耗水平约在22.4～23.8 L/100 km，接近欧洲主流车型水平，在城市工况下的油耗水平在36.3～37.5 L/100 km，比欧洲主流车型高出10%左右。

（2）关键技术指标仍处于落后状态[17]。

我国商用车发动机最高热效率与国外最高差距约为5%，变速器各挡位传动效率值差距约为1%～5%。在低速工况下，整车滑行阻力差距约为200 N，在高速下，整车滑行阻力差距约为600～800 N，平均滑行阻力差距为12%～16%。在轻量化方面，国际上三轴挂车最低质量仅为5.3 t，而我国同等车型最低质量为7.5 t左右，差距较大。

（3）先进节能技术研发与应用程度不足[18]。

国内车企受制于产品成本及产业生态环境，对部分节能技术无法实现规模化应用，进而导致了对先进技术的研发主动性不足，如混合动力重型货车尚无明确的产业化时间表，自动变速器应用率偏低，在国外当前大力发展的车辆队列、道路预见性系统、降低空载等方面的应用尚处于空白阶段。

2.2 国内外商用车轻量化状况分析

为了系统研究我国载货汽车，尤其是重型载货汽车的轻量化现状，收集了列入《公告》在我国市场销售的近3 000 余量车型数据，包括自卸车、载货车、牵引车和半挂车等，对其表征轻量化的相关参数进行了分析研究，并引入车载质量利用系数（用符号A 表示）和牵引车牵挂比（用符号B 表示）这两个参量来分析国内外商用货车在轻量化方面的状况。

载质量利用系数A 定义为汽车装载质量与整备质量的比值，是衡量轻量化水平的重要参数。在装载质量和使用寿命相同的条件下，A越大，该车的结构设计与制造水平越高。表2为我国不同总质量的重型载货汽车产品载质量利用系数A 分布统计结果。表中纵向数据显示：在重型载货汽车中，38.7%产品的载质量利用系数约为1，仅有27.8%产品的载质量利用系数大于1.6。横向数据显示：24.5～29 t 级载质量利用系数达到1.6 以上的产品约占总样本的3.4%，而在11.9～16.5 t级的占比95.4%。这些数据表明载货汽车“小马拉大车”的现象较为明显。

表3为我国重型自卸车产品载质量利用系数A分布统计结果。从表3统计数据可知，在重型自卸车中，99.2%产品的载质量利用系数小于1.1。

表2 重型载货汽车产品载质量利用系数A分布情况

2012～2013年以及国外近5年典型的最大装载质量为10～15 t的重型自卸车和15～20 t的重型自卸车分析结果见表3～17。国内载质量10～15 t车型的总质量约为25 t，整备质量为12 t，平均载质量系数约为1.035。国外同类车型总质量约为26 t，整备质量为12 t，平均载质量系数约为1.05。国内载质量15～20 t 重型自卸车的总质量为31 t，整备质量为14 t，平均载质量系数约为1.07。国外同类车型总质量约为32 t，整备质量约为12 t，平均载质量系数约为1.34。

由此可见，国外近5 年的典型最大装载质量10～15 t 重型自卸车的整备质量与国产同类型自卸车辆整备质量类似，平均载质量利用系数也差别不大，见表4。而国产大吨位即总质量31～32 t、装在质量15～20 t 的自卸车的整备质量较重，载质量利用系数较小。

表3 重型自卸汽车产品载质量利用系数A分布情况

表4 国产与进口自卸车轻量化水平比较

虽然国家标准对牵引车没有载质量利用系数的要求，但通过引入牵引车牵挂比的概念可以很好地反应我国重型牵引车产品的轻量化水平。表5为国产重型牵引车产品牵挂比B的统计分析结果。

骆马湖局开展采砂管理工作以来，河湖采砂从曾经的混乱无序到如今的逐步规范有序，采砂管理从高压严打到寻求源头管理的标本兼治，从流域与区域当初的“一事一议”到建立长效的合作机制，这一切，都归功于不断推进的流域性河湖采砂联合管理机制。但是，这种联合管理机制目前还不是十分完善，仍然存在着以下几个方面急需解决的问题。

表5 国产重型牵引汽车产品牵挂比B分布情况

从表5 中数据可知，占样本20%产品的牵挂比大于5.0，但80%产品的牵挂比小于5.0。其中，在拖挂39.5 t 以上的牵引车中B 值小于5 的样本数占到总样本的94%，但同时又4.6%样本的牵挂比大于6。也就是说，在最大载质量相同、发动机功率接近、拖挂总质量相同的条件下，牵引车的整备质量有很大差距，又存在“大马拉小车”的现象，这无疑是一种浪费。此外，表6 给出了不同类型国产与进口重型牵引车整备质量对比情况。由于牵引车的类型较多，这里重点选择经典的6×4 牵引车来比较国内外牵引车在轻量化方面的差异。

经计算分析，国产经典6×4 牵引车的平均整备质量为9.1t，动力范围为194～318 kW，多数为250 kW 左右。同样选取了国内销售的国外品牌牵引车，国外品牌典型6×4 牵引车的平均整备质量为8.2 t，动力范围为280～320 kW，通过表6中的数据可知，6×4牵引车国产车型总质量比进口车型重11%，而这一数值在4×2牵引车中仅体现为增重2.8%。

表6 不同类型国产与进口重型牵引车整备质量比较

2016 年以前，国内牵引车所呈现的“大马拉小车”现象从侧面促推了牵引半挂车在道路上的超载现象[19]。据初步统计，2015 年中国国内全年货运周转量的48%～55%是由重型牵引半挂车完成的。图3 为重型货车国内公路货运周转量的变化历程，可见：我国从2010 年～2015 年的货运周转量稳步提升，2015 年全年累计周转达6 万亿吨公里，同比2010 年的4 万亿吨公里，增幅达50%。为满足逐年增长的物流周转需求，我国年载货汽车保有量与年货运周转量的变化趋势始终保持着高度一致，而重型货车产销量却逐年下降，从2010 年约100 万辆骤降至2015 年的40 万辆，降幅约60%。在2015 年08 月发改委发布的《关于加快实施现代物流重大工程的通知》中，统计了额定载荷各种车型货运量与货物周转量的相关数据，如表7。数据说明，按额定载荷能力，当年货运汽车保有量无法完成公路运输量的需求，在重型货车产销量逐年下降的背景下，货运量的20%多、周转量的30%多必然是通过超载运输完成的。

图3 2010～2015年重型货车道路运输相关数据变化趋势

表7 额定载荷货运量与货物周转量的统计数据

为保障道路运输安全，2016 年09 月，GB 1589—2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》正式实行，此国标规定六轴汽车列车总重上限从55 t降至49 t，半挂车（三轴）总重上限降至40 t。该国标的颁布加大了货运能力与周转需求量的亏空。为满足货运周转需求，商用车的市场销量必然会进一步加大，直接表现为2017 年中国商用车保有量较2016年增幅接近10%（见图1），这一数据显示我国商用车辆的空前热销。

中国汽车工程学会相关数据表明（表8），在2010年商用车数据中，重型货车的实际保有量约在367.9万辆，假设在整备质量轻量化10%-空驶率20%的条件下，2010 年重型货车在全部满载运营的前提下，仍可维持当年的实际运输需求量，但到2015年却已出现约35 万辆的重载货车亏空（计算数据）。若按我国年均GDP 增幅6.5%计算，参考图3 重型货车保有量拟合关系外推得到“十三五”末期，我国重卡的保有量约在723万辆；而2015年重型载货汽车实际保有量为511.5万辆；因此，2020年将累计新增211.5万辆。

表8 无超载需求量与高效运输状态需求量分析

中国承诺到2020 年将单位国内生产总值（GDP）的碳排放较2005 年削减40%～45%，其中降低汽车尾气排放是很重要的工作。从各国的经验看，实现汽车节能减排的措施主要有4种：改进发动机燃油效率，小型化、轻量化，替代燃料和开发新能源汽车。轻量化作为传统汽车、替代燃料汽车和新能源汽车共有的关键基础技术已经引起了世界各国和知名跨国企业的高度重视。汽车轻量化是一个系统工程，涉及到产品设计、材料、装备和工艺、售后维修、回收再利用等多方面，结构优化和材料优化无疑是其中最重要的内容，高强度钢的开发及结构优化和相关制造技术的应用，是商用车轻量化的有效手段。为此，中国汽车工程学会颁布了商用车轻量化发展目标[20]。到2020 年底，实现整车材料减重10%；到2025年底，实现整车材料减重20%；到2030 年底，实现整车材料减重35%，基本达到额定载荷货运量与货物周转量的平衡。

2.3 商用车节能技术潜力和成本分析

从上述商用车产销量与年周转量的分析来看，在未来我国道路运输中，由于半挂牵引车的物流运输周转效率高，通用性强，将逐步成为最普遍、最经济的运输车辆。为此，半挂牵引车的轻量化可以带来显著的经济效益和节能效果。

2.3.1 节能潜力分析

中国汽车技术研究中心在2018 年统计分析了我国重型商用车整车节能技术潜力和成本分布，如图4所示[21]。图4 中左下区域包含了空气动力性能技术、轮胎技术、传动技术优化等，各自成本不超过8 000元，节能效果在4%以内。上方区域中的CVT 和AMT变速器节能技术开发成本显著偏高，且受扭矩等条件限制在重型商用车领域应用较少。综合考评研发成本与节能效果，轻量化技术成为关注重点。

图4 整车节能技术潜力和成本分布[21]

图5 半挂牵引车及大型货车轻量化节能技术潜力和成本曲线[21]

2.3.2 成本回收周期

基于上述半挂牵引车及大型货车未来节能潜力分析，结合中国2020 年商用车节能技术愿景至少节能20%的规划目标进行成本回收周期评估。计算时采用以下假设：以某49 t 六轴半挂牵引车燃料消耗量限值56 L/ 100km 计算为例，当燃油消耗量下降20%时，按情景1 的相应成本增加值约为4 万元。若每天运行1 000 km，汽柴油价格按5元/L 计算，全年累计节省油耗成本支出20.16 万元，相当于新车运营2～3 个月即可回收轻量化技术的购车成本增加值，而车辆在超过回收周期后的全寿命运营周期里均为购车方节约大量燃油成本。若按情景2 计算，相同假设条件下的购车成本增加值回收周期更短，远期收益更高。因此，无论从近端需求还是终端需求角度分析，通过汽车轻量化实现节能减排都势在必行。

3 商用车轻量化发展的愿景目标

相应“中国制造2025”中关于汽车低碳化、信息化、智能化的发展要求，通过大幅降低各类商用车能耗水平，保障国家能源战略安全，以能源利用的高效化及低排放应对气候变化，助力汽车工业提高达成CO2峰值目标，突破并掌握关键核心技术，实现战略转型升级发展，最终有力支撑我国汽车工业从大到强的转变。

根据我国陆续发布的汽车工业战略规划及相关政策中，均对节能汽车有所涉及，主要包括：GB 20997—2015《轻型商用车辆燃料消耗量限值》、GB 30510—2018《重型商用车辆燃料消耗量限值》及各阶段排放标准等，同时参考《中国制造2025 重点领域技术路线图》等重要指导文件[22-24]，综合梳理出我国商用车近、中、远期不同阶段的战略目标（部分），见图6。

图6 我国商用车的近、中、远期不同阶段战略目标(部分)[24]

当前，对于商用车用高强度钢及减重比例已经成为众多企业和学者关注的焦点，对近、中、远期战略目标分析如下。

3.1 近期目标

到2020 年，重点提升总成节油和轻量化应用水平。从严整治超载、排放超标等现象，鼓励企业加快轻量化材料、先进结构工艺等新产品、新技术的应用。整车600 MPa 以上高强度钢的应用比例达到50%，并在2015 年基础上实现整车减重10%。综上基础，使商用车年产销量达到350 万辆，平均油耗累计降低15%～20%，商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。

3.2 中期目标

到2025 年，重点提升混合动力、空气动力性能、轻量化等节能技术水平，加大整车制造中轻合金与复合材料的应用比例，600 MPa 以上高强度钢的应用比例需达30%，并在2015 年基础上实现整车减重20%。进一步优化商用车节能技术发展环境。相比2015年，商用车年产销量稳定在350 万辆，平均油耗累计降低30%～35%，商用车新车燃料消耗量达到国际先进水平。

3.3 远期目标

到2030年，重点发展基于智能联网的新型节能技术，提升混合动力、替代燃料、轻量化技术的应用能力。1 000 MPa 以上汽车结构钢有一定比例应用的同时，在2015年的基础上实现整车减重25%。在商用车年产销量在350 万辆的基础上，进一步提高整车全寿命周期的货运周转能力。相比2015年，商用车平均油耗累计降低35%～45%，并保持与国际领先水平同步。

4 总结

商用车尤其是重型载货汽车，按设定目标减重可增加可观的经济效益，这为重型载货车的轻量化创造了极其有利的条件。

我国载质量为15～20 t 自卸车整备质量和载质量利用系数都与国外先进水平有较大差距，牵引车的整备质量和牵引比都有较大提升潜力。

目前，在同一公路运输超载管理规定的基础上，制定限值生产可超载汽车的管理办法、同时抓好适用车型的载质量利用系数管理和牵引车、半挂车的质量利用管理，充分发挥政府对市场的引导和指导作用。

总之，“十三五”以来，在国家部委相关政策法规的推动下，在汽车轻量化技术创新战略联盟的指导下，我国商用车轻量化水平有了一定的提升，但和国外商用车的轻量化水平仍有较大差距，主要表现在整车轻量化水平上，在牵引车、挂车和各种关键总成的轻量化方面仍有改善空间。未来，围绕商用车轻量化的工作任重而道远。