液化天然气商用车与柴油商用车生命周期能耗差异评价

涂小岳 徐建全，2 陈轶嵩 杨沿平

1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082

2.福建农林大学，福州，350002

0 引言

液化天然气(liquefied natural gas，LNG)汽车由于其排放清洁、续驶里程长、安全、运营成本低等优势，近年愈来愈得到客户的认可和青睐。特别在重型商用车领域，用LNG替代柴油已成为十分重要的发展方向［1］，LNG重卡产销量已从2009年的672辆上升到2012年的11 920辆，2013年LNG重卡产销量预计将超过3万辆。行业专家预测:未来10年LNG重型商用车将维持25%以上的年增长率，将逐步占据20%以上的市场份额。

LNG商用车和柴油商用车对资源、能源及环境影响的差异必须从生命周期角度出发进行系统评价才能得出正确结果，目前，虽然有众多学者研究了生命周期评价在汽车上的应用［2-12］，但国内外学者对其研究仍较少，特别在LNG商用车的生命周期评价方面，尚没有取得较成熟的、系统性的研究成果。本文根据商用车的原材料提取与加工、产品制造、产品的使用、回收利用整个生命周期过程建立了LNG与柴油商用车的能耗差异评价模型，并以奇瑞商用车(安徽)有限公司已生产销售的同级别的LNG搅拌车与柴油搅拌车作为实证研究对象，系统评价了其生命周期的能耗差异。研究成果可为企业开展LNG重型商用车业务提供基础参考数据，同时可为国家制定LNG汽车产业发展战略提供决策量化参考。

1 评价模型的建立

建立能源消耗差异评价模型旨在描述LNG商用车与柴油商用车生命周期能源消耗差异情况。该模型从生命周期的角度出发，全面研究LNG商用车与柴油商用车从材料制备(含资源获取)到零部件加工制造、整车装配再到使用、回收利用各阶段的能源消耗差异情况，建立相应的差异矩阵，最终计算综合能源消耗差异［13］。

1.1 质量差异矩阵模型

根据商用车的零部件数量、材料组成以及零部件的生命周期更换情况，建立LNG商用车与柴油商用车的质量差异矩阵，然后根据质量差异矩阵构建材料消耗差异矩阵。

LNG商用车的质量矩阵ML为

式中，k为LNG商用车所包含的零部件数量;n为LNG商用车所包含的材料种类数。

则LNG商用车的整备质量ml可表示为

柴油商用车的质量矩阵MC为

式中，q为柴油商用车所包含的零部件数量;p为柴油商用车所包含的材料种类数。

则柴油商用车的整备质量mc可表示为

构建LNG商用车与柴油商用车的材料质量差异矩阵MD，则LNG商用车与柴油商用车的质量差异量为

其中，md，ij表示LNG与柴油商用车相比较，第i种零部件中包含的第j种材料的质量差异量，md，ij=ml，ij－ mc，ij，当 i ＞ q 或 j ＞ p 时，mc，ij=0。

设材料在零部件加工过程中的利用率矩阵ηP为n阶对角矩阵，材料消耗的差异矩阵MB表示如下:

则LNG商用车与柴油商用车需要消耗的材料差异量 mb，i为

1.2 能源消耗差异评价模型

1.2.1材料制备阶段的能耗差异

构建材料制备阶段的能源消耗强度矩阵EB为

式中，s为在材料制备阶段消耗的能源种类数;eb，ij为制备第i种材料过程中第j种能源的消耗强度。

本文采用了北京工业大学中国材料生命周期清单数据，该强度矩阵已包含材料制备阶段的上游能耗，则材料制备阶段的能源消耗差异矩阵ETB和能耗差异量etb为

1.2.2零部件加工阶段的能耗差异

分别构建LNG商用车与柴油商用车在零部件加工阶段的能源消耗矩阵ETWL和ETWC:

式中，t为LNG商用车零部件加工过程中消耗的能源种类数;etwl，ij为LNG商用车第i种零部件加工过程中消耗的第j种能源量;y为柴油商用车零部件加工过程中消耗的能源种类数;etwc，ij为柴油商用车第i种零部件加工过程中消耗的第j种能源量。

这里引入分块矩阵的概念，当k≥q，t≥y时，得到零部件加工阶段的能耗差异矩阵ETWD:

其中，etwd，ij表示LNG与柴油商用车在加工第i种零部件时消耗的第j种能源的差异量。则LNG商用车与柴油商用车相比，在零部件加工阶段的能耗差异量etwd可以表示为

同理，当k＜ q，t＜y;k＞ q，t＜y以及k＜q，t＞y时，也可分别写出相应的能耗差异矩阵ETWD，并计算出能耗差异量etwd。

1.2.3整车装配阶段的能耗差异

构建整车装配阶段的能源消耗矩阵ETA为

式中，g为商用车的装配工序数;h为商用车装配阶段消耗的能源种类数。

同理，参照矩阵ETWD，可以构建出LNG商用车与柴油商用车在装配阶段的能耗差异矩阵ETAD，计算出能耗差异总量etad。整车装配阶段的能源消耗均考虑了各类能源生产及使用的交互作用与影响。

1.2.4使用阶段的能耗差异

在对LNG与柴油商用车使用阶段的能源消耗进行计算时，不仅要考虑车辆使用阶段的能源消耗情况，还需要考虑生产液化天然气和柴油过程中上游能源消耗情况，车辆使用阶段的能耗差异量用etus来表示，能源上游阶段的能耗差异量用etub来表示。

在车辆使用阶段，设LNG商用车单位行驶里程消耗的液化天然气的总量为a;设柴油商用车单位行驶里程消耗的柴油的总量为b，L表示车辆生命周期总行驶里程数，将b和a转换成统一能耗单位后，则可得到etus:

对能源上游阶段的能耗情况，单位液化天然气的上游能源消耗矩阵EUL可表示为

式中，v1为生产液化天然气消耗的能源种类数;eulj为生产单位液化天然气时第j种能源的消耗量。

同理，单位柴油的上游能源消耗矩阵EUC可表示为

式中，v2为生产柴油消耗的能源种类数;eucj为生产单位柴油时第j种能源的消耗量。

假设v1≥v2，同样引入分块矩阵的概念，构建单位行驶里程液化天然气和柴油的上游能源消耗差异矩阵ETUB:

转换成统一能耗单位后，etubj=aeulj－beucj，则在车辆使用阶段，液化天然气和柴油的上游能源消耗差异量为

当v1≤v2时，同理可得到相应的ETUB，并计算出相应的etub。

从而得到使用阶段LNG商用车与柴油商用车的能耗差异量etud:

1.2.5回收利用阶段的能耗差异

构建商用车回收利用阶段的能源消耗矩阵ETR为

式中，e为回收利用的工序数;f为回收利用阶段消耗的能源种类数。

同理，可以构建出LNG商用车与柴油商用车在回收利用阶段的能耗差异矩阵ETRD，进而计算出能耗差异量etrd。考虑到目前LNG重卡在市场推广不久，回收利用阶段的能耗差异数据较难搜集，所以本文暂不考虑。

1.2.6生命周期综合能耗差异

将各个阶段LNG商用车与柴油商用车的能源消耗差异求和，即可计算出生命周期的综合能源消耗差异量et:

2 实证分析

2.1 评价对象

本文经过筛选，根据文献［13］，选定奇瑞商用车(安徽)有限公司生产销售的LNG搅拌车和柴油搅拌车作为LNG车与传统车的代表性车型，这两个车型是同一平台的柴油版本和LNG版本，车型主要参数配置如表1所示。

表1 两种车型的主要参数配置

本文实证研究数据来源为奇瑞商用车(安徽)有限公司2011年7月～2013年3月间生产销售的LNG混凝土搅拌车(产品型号为SQR5251GJBN6T4－1，发动机型号为YC6MK375N)和柴油搅拌车(产品型号为SQR5250GJND6T4－1，发动机型号为YC6K10380)。其中，车辆运营数据选取自石家庄、杭州、武汉、合肥、深圳、东莞8个试验单位中有完整数据记录的 79台车，系累计超过50 000km的同车型同路径不同燃料模式下的对照试验数据。数据采集时间为2011年10月1日～2012年12月31日。

2.2 评价方法与结果

本模型在采集基础能耗清单数据时，除了考虑材料制备阶段(包括矿石资源获取)的能源消耗情况，还考虑了煤炭、柴油、天然气、电力等能源上游的能耗情况。材料和能源的能耗基础清单数据主要取自于北京工业大学中国材料生命周期清单数据库，时间边界为2008年～2009年，技术水平反映中国的平均水平。其他数据主要来源于权威部门发布的统计数据以及国内外公开文献资料，如各类统计年鉴，国家部委及冶金、能源、环境部门的统计数据以及第三方机构发布的权威数据等。

本文在计算LNG商用车与柴油商用车的生命周期能源消耗差异时，仅关注两种类型车辆的主要差异部分，因此在采集数据过程中，重点考虑了钢材、铸铁、铸铝、锻铝等对评价结果影响较大的金属材料的资源消耗清单，而对于玻璃、塑料、橡胶和复合材料等非金属材料暂不列出。比如气瓶和油箱的差异(见表1);发动机差异方面，气体机比柴油机多了2kg铸铝。考虑到未来非可再生能源耗尽的压力，本文仅对商用车生命周期非可再生能源影响进行评估，而暂时未涉及可再生能源。

本文假设LNG搅拌车和柴油搅拌车的寿命为5年(年均80 000km)，在综合工况下进行比较，然后将采集到的清单数据代入评价模型，采用MATLAB软件编程，得出LNG搅拌车与柴油搅拌车的能耗差异情况，如图1～图6所示。图6中能耗差异是天然气车能耗减去柴油车能耗。

图1 材料制备阶段发动机差异部分能耗

图2 材料制备阶段其他零部件差异部分能耗

图3 制造装配阶段直接能耗

图4 使用阶段直接能耗

图5 生命周期差异部分能耗

图6 各阶段及生命周期能耗差异量

2.3 结果分析

在材料制备阶段，LNG搅拌车和柴油搅拌车相比，发动机差异部分LNG车能耗多了498.1MJ(17kgce，本文采用1kgce=29.3MJ);对比气瓶和油箱，制造气瓶的能耗11.3977GJ(389kgce)明显大于制造油箱的能耗4.688GJ(160kgce)。在制造装配阶段，LNG搅拌车与柴油搅拌车的能耗差异分别为4.3657GJ(149kgce)和6153MJ(210kgce)。在使用阶段，LNG搅拌车与柴油搅拌车的直接能耗差异分别为1.02×1013J(349 718kgce)和 8.34×1012J(284 449kgce)。可见，LNG搅拌车与柴油搅拌车的能耗差异主要体现在使用阶段，而在材料制备阶段和制造装配阶段的能耗差异很小。LNG搅拌车使用阶段的直接能耗差异较柴油搅拌车大 1.91×1012J(65 269kgce)，主要原因在于LNG搅拌车在使用阶段的耗气量较大，所以，降低气耗是未来天然气发动机的一个研究重点。

若考虑能源上游情况，通过评价模型计算得出，LNG搅拌车比柴油搅拌车的生命周期总能耗差异减少8.25×1011(28 158kgce)。这说明虽然LNG搅拌车的直接能耗比柴油搅拌车高，但总能耗却比柴油车低，从生命周期视角来看，LNG搅拌车在节能上有一定的优势。加之，当前燃气发动机技术才刚刚起步，改进的空间更大，随着发动机技术的不断进步，LNG商用车的节能潜力也将逐步被挖掘出来。

3 结语

通过建立LNG商用车与柴油商用车的生命周期能耗差异评价模型并进行实证计算分析可知，虽然LNG搅拌车使用阶段的直接能耗较柴油搅拌车大，但LNG搅拌车的生命周期总能耗却比柴油车小，这符合国家汽车产业节能发展方向。因此国家应加大力度支持LNG商用车的发展，特别应该高度重视LNG发动机的开发，加强对LNG燃烧机理的研究，系统研发专门针对气体机的高压直喷、精确控制等先进技术，充分挖掘出气体机的节能潜力。

［1］李西秦，刘冰.燃气汽车发动机研究现状与发展趋势［J］.天然气工业，2009，29(4):105-108.Li Xiqin，Liu Bing.Research Status and Development Trend of Gas－fueled Vehicle［J］.Natural Gas Industry，2009，29(4):105-108.

［2］Campanari S，Manzolini G，de la Iglesia F G.Energy Analysis of Electric Vehicles Using Batteries or Fuel Cells through Well－to－wheel Driving Cycle Simulations［J］.Journal of Power Sources，2009，186(2):464-477.

［3］Ou Xunmin，Zhang Xiliang，Chang Shiyan，et al.Energy Consumption and GHG Emissions of Six Biofuel Pathways by LCA in(the)People’s Republic of China［J］.Applied Energy，2009，86(S1):197-208.

［4］Hao Han，Wang Hewu，Ouyang Minggao.Fuel Conservation and GHG(Greenhouse Gas)Emissions Mitigation Scenarios for China’s Passenger Vehicle Fleet［J］.Energy，2011，36(11):6520-6528.

［5］Carla S.Electric and Plug－in Hybrid Vehicles Influence on CO2and Water Vapour Emissions［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36(20):13225-13232.

［6］Lucas A，Silva C A，Neto R C.Life Cycle Analysis of Energy Supply Infrastructure for Conventional and E-lectric Vehicles［J］.Energy Policy，2012，41(2):537-547.

［7］Lin Gao，Winfield Z C.Life Cycle Assessment of Environmental and Economic Impacts of Advanced Vehicles［J］.Energies，2012，5(3):605-620.

［8］Ou Xunmin，Yan Xiaoyu，Zhang Xiliang，et al.Lifecycle Analysis on Energy Consumption and GHG Emission Intensities of Alternative Vehicle Fuels in China［J］.Applied Energy，2012，90(2):218-224.

［9］McKenzie E C，Durango－Cohen P L.Environmental Life－cycle Assessment of Transit Buses with Alternative Fuel Technology［J］.Transportation Research Part D，2012，17(1):39-47.

［10］胡志远，张成，浦耿强，等.木薯乙醇汽油生命周期能源、环境及经济性评价［J］.内燃机工程，2004，25(1):13-16.Hu Zhiyuan，Zhang Cheng，Pu Gengqiang，et al.Life Cycle Energy，Environment，and Economy Assessment of Cassava－based Ethanol Gasoline［J］.Internal Combustion Engine，2004，25(1):13-16.

［11］王寿兵，董辉，王如松，等.中国某轿车生命周期内能耗和环境排放特性［J］.复旦学报(自然科学版)，2006，45(3):328-334.Wang Shoubing，Dong Hui，Wang Rusong，et al.Life Cycle Inventory of a China Car［J］.Journal of Fudan University(Natural Science)，2006，45(3):328-334.

［12］李飞龙，郭孔辉，杨沿平，等.基于GREET模型的汽车材料轻量化能耗评价研究［J］.中国机械工程，2013，24(5):681-684.Li Feilong，Guo Konghui，Yang Yanping.et al.Research on Assessment of Energy Saving in Lightweight of Automotive Material Based on GREET Model［J］.China Mechanical Engineering，2013，24(5):681-684.

［13］涂小岳，杨沿平，徐建全，等.LNG重型商用车和柴油重型商用车全生命周期环境排放差异评价［J］.中国机械工程，2013，24(11):1525-1530.Tu Xiaoyue，Yang Yanping，Xu jianquan.et al.Evaluation of Difference between LNG and Diesel Heavy－duty Commercial Vehicle’s Life Cycle Environment Emission［J］.China Mechanical Engineering，2013，24(11):1525-1530.