LNG重型商用車和柴油重型商用車全生命周期環境排放差異評價

涂小岳 楊沿平 徐建全，2 陳軼嵩

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082 2.福建農林大學，福州，350002

0 引言

液化天然氣（liquified natural gas，LNG）替代柴油作為汽車燃料已成為重型商用車領域的一個重要發展方向［1-2］。然而LNG重型商用車和柴油車相比對環境有何影響，在一輪又一輪的技術變革中，這些影響又會發生怎樣的變化，這些問題值得人們研究。由于LNG重型商用車是一個新興產業，目前國內外學者對其研究較少，尚沒有取得較成熟的、系統性的研究成果。這些問題都必須通過對LNG重型商用車進行全生命周期評價才能得到全面和科學的認知。

本文基于產品生命周期評價理論［3-8］，構建了LNG重型商用車與柴油重型商用車的生命周期環境排放差異評價模型，并選取某公司已生產銷售并投入實際運營的某同一平臺LNG攪拌車和柴油攪拌車作為實證研究對象驗證前述模型，系統地評價了全生命周期（包括材料獲取與制備、零部件加工及整車裝配、車輛運行使用以及報廢回收過程）的環境排放差異，所得結論可為我國制定LNG汽車產業發展的相關政策提供參考，也可為LNG汽車企業開拓新市場提供幫助，亦可為科研工作者開展相關研究提供借鑒。

1 評價模型

建立環境排放差異評價模型旨在描述LNG重型商用車與柴油重型商用車生命周期排放差異，該模型從生命周期的角度出發，全面研究LNG車和柴油車從資源獲取、材料制備到零部件加工、整車裝配再到使用、回收利用階段的各種排放物的差異情況，最終計算出各種排放物的總差異。

1.1 質量差異矩陣

本文以模塊化的方式構建LNG車和柴油車的質量差異矩陣，一方面可以全面完整地描述現有LNG車和柴油車的零部件和材料差異；另一方面可以避免因構建巨大繁復的質量矩陣而導致的龐大計算量和后期排放計算的復雜迭代，同時，為將來技術發展的新型LNG車和柴油車設計變更而導致的零部件和材料替換提供了快捷的模塊替換組合途徑。

考慮到目前技術階段的LNG車和柴油車的功能性差異模塊主要集中在發動機（包括燃油供給系統）和后處理系統，其他如傳動系統、操控系統、功能模塊和專用上裝并沒有特殊變更，本文不對LNG車和柴油車的車型設計細節做深入探討，僅考慮直接導致全生命周期排放差異的零部件的質量差異。

首先根據重型商用車的零部件數量和材料構成情況，分別構建LNG車的質量矩陣ML和柴油車的質量矩陣MC：

式中，k、n分別為LNG車所包含的零部件數量和材料種類數；q、p分別為柴油車所包含的零部件數量和材料種類數。

假設k≥q，n≥p，則LNG車和柴油車的材料構成質量差異可用分塊矩陣MD來表示：

其中，mdi，j表示LNG車和柴油車相比較，第i種零部件中包含的第j種材料的質量差異。當k＞q，n＞p 時，mdi，j＝ mli，j。

MD還可聚縮為

當k＝q，n＝p時，MD2＝MD3＝MD4＝0，表示兩者所包含的零部件類型相同，零部件中所包含的材料種類也相同。

當k＝q時，MD3＝MD4＝0，表示兩者所包含的零部件類型相同，但零部件中所包含的材料種類不同。

當n＝p時，MD2＝MD4＝0，表示兩者所包含的零部件類型不同，但零部件中所包含的材料種類相同。

當k＞q，n＞p時，MD2、MD3、MD4都不為0，表示兩者所包含的零部件類型不同，零部件中所包含的材料種類也不同。

同理，當n＜p，k＜q；n＞p，k＜q以及n＜p，k＞q時，也可分別寫出相應的質量差異矩陣MD以及對應的質量差異md。

1.2 資源獲取階段的排放差異

設材料在零部件加工過程中的利用率矩陣ηp為n階對角矩陣，則材料消耗的差異矩陣MB可表示為

設生產各零部件所需的材料在材料制備過程（從原礦石到材料）中的利用率矩陣ηq為n階對角矩陣，則可得到LNG車和柴油車需要消耗的原礦石差異矩陣MO：

構建資源獲取階段的環境排放強度矩陣PO：

式中，c為資源獲取階段的污染物排放種類數；poi，j為獲取單位質量的第i種材料對應資源獲取過程中第j種污染物的排放量。

則資源獲取階段的環境排放差異矩陣PTO為

對矩陣PTO的第j列求和，就得到資源獲取階段某款LNG車和柴油車相比，第j種污染物的排放差異量為

1.3 材料制備階段的排放差異

構建重型商用車材料制備階段的排放強度矩陣PB：

式中，d為材料制備階段的污染物排放種類數；pbi，j為制備單位質量的第i種材料過程中第j種污染物的排放量。

則材料制備階段的污染物排放量差異矩陣PTB為

對矩陣PTB的第j列求和，得到材料制備階段該款LNG車和柴油車相比，第j種污染物的排放差異量ptbj：

1.4 零部件加工階段的排放差異

分別構建LNG車、柴油車零部件加工階段的污染物排放矩陣PTWL和PTWC：

式中，m、o分別為LNG車和柴油車零部件加工階段的污染 物 排放種類數 ；ptwli，j、ptwli，j分別為LNG車 和柴油車第i種零部件加工過程中排放的第j種污染物的量。

同理，引入分塊矩陣的概念，假設k≥q，m≥o，構建一個LNG車與柴油車在零部件加工階段的排放差異矩陣PTWD：

其中，ptwdi，j表示該款LNG車和柴油車相比較，加工第i種零部件時排放的第j種污染物的差異量。當k ＞q，m ＞o時，ptwdi，j＝ptwli，j。

對矩陣PTWD的第j列求和，就得到零部件加工階段，LNG車與柴油車相比，第j種污染物的排放差異量：

同理，當k＜q，m＜o；k＞q，m＜o以及k＜q，m＞o時，也可分別寫出相應的排放差異矩陣PTWD，并計算出相應的排放差異量ptwdi，j。

1.5 整車裝配階段的排放差異

構建重型商用車整車裝配階段的污染物排放矩陣PTA：

式中，g為重型商用車的裝配工序數；l為整車裝配階段污染物的排放種類數。

同理，可以構建出LNG車與柴油車在裝配階段的污染物排放差異矩陣PTAD，并計算出相應的污染物排放差異量ptadj。

1.6 使用階段的排放差異

在對LNG車和柴油車使用階段的污染物排放進行計算時，不僅要考慮車輛使用階段的污染物排放情況，還需要考慮生產液化天然氣和柴油時的上游排放情況，車輛使用階段的排放差異量用ptus來表示，能源上游階段的排放差異量用ptub來表示。設LNG車單位行駛里程消耗的液化天然氣為a，設柴油車單位行駛里程消耗的柴油為b，L表示車輛生命周期總行駛里程數。

首先分別構建LNG車、柴油車單位行駛里程的排放矩陣PSL和PSC：

式中，pslj、pscj分別為LNG車和柴油車單位行駛里程第j種污染物的排放量；u1、u2分別為LNG車和柴油車行駛過程中污染物排放的種類數。

假設u1≥u2，同理，引入分塊矩陣，構建LNG車和柴油車單位行駛里程的排放差異矩陣PTUS：

則在車輛使用階段，LNG車和柴油車第j種污染物的排放差異量為

考慮能源上游階段的污染物排放情況，單位液化天然氣和單位柴油的上游排放矩陣PUL和PUC可分別表示為

式中，pulj、pucj分別為生產單位液化天然氣和生產單位柴油時第j種污染物的排放量；w1、w2分別為LNG車和柴油車制造過程中污染物排放的種類數。

假設w1≥w2，同樣引入分塊矩陣的概念，兩者的上游排放差異矩陣PTUB可表示為

則在車輛使用階段，液化天然氣和柴油的上游排放的第j種污染物差異量為

從而得到使用階段LNG車和柴油車的第j種污染物的排放差異量ptudj：

1.7 回收利用階段的排放差異

構建某款重型商用車回收利用階段的污染物排放矩陣PTR：

式中，e為重型商用車的回收利用的工序數；z為回收利用階段污染物的排放種類數。

同理，參照矩陣PTWD，可以構建LNG車與柴油車在回收利用階段的污染物排放差異矩陣PTRD，并計算出排放差異量ptrdj。考慮到目前LNG重型商用車在市場上推廣時間不長，回收利用階段的相關數據較難搜集，所以本文在實證研究時暫未考慮。

1.8 全生命周期綜合排放差異

將各個階段LNG車與柴油車的污染物排放差異求和，就可以計算得到全生命周期第j種污染物的排放差異ptj：

式中，ptoj、ptbj、ptwdj、ptadj、ptudj、ptrdj分別為生命周期各階段第j種污染物的排放差異量。

2 實證分析

2.1 評價對象選擇

本文按照以下原則選擇評價對象：①必須為同一級別的車型，車身外廓尺寸相同，質量差別較小；②非車用動力系統變革所帶來的差別應盡可能小，以便于體現其關鍵結構的差異；③應是各自能源動力系統的代表性車型，動力、排放技術處于同級別車領先水平，氣體發動機和柴油發動機的額定功率相近；④兩種類型的車輛必須具有相同或盡可能接近的駕乘感受、動力性、舒適性、安全性。

經過篩選，本文選定某公司生產銷售的LNG攪拌車和柴油攪拌車作為實證研究對象，這兩種車型是同一平臺的柴油版本和LNG版本，車型基本參數如表1所示。

表1 兩種車型的基本參數

本文實證研究數據來源為某公司2011年7月至2012年10月間生產銷售的LNG攪拌車（產品型號SQR5251GJBN6T4-1／發動機型號YC6MK375N）和柴油攪拌車（產品型號SQR5250GJND6T4-1／發 動 機 型 號YC6K10380）。說明如下：①車輛運行數據選取了武漢、重慶、昆明、合肥、深圳、惠州6個試驗單位有完整數據記錄的62臺車超過35000km的試驗數據；②LNG發動機和柴油發動機排放數據均采集自某公司AVL發動機綜合測試臺架（含煙度儀）；③數據采集時間為2011年10月7日至2012年9月30日。

實證研究對象的主要差異情況如表2所示。需要說明的是：①由于地域和地形差異，LNG攪拌車氣耗統計數據較為發散，百公里氣耗為57～120L，為更客觀地評估評價效果，我們選取了最大值；②實證研究期間，我國采用國Ⅲ排放，試驗柴油車采用EGR國Ⅲ路徑方式，不需要后處理裝置，故實證車輛差異件僅存在于燃料供給系統；若排放標準在國Ⅳ以上，兩者差異將包含后處理系統的差異等。

表2 兩種車型的主要差異

2.2 評價結果

本模型在采集基礎清單數據時，除了考慮材料獲取階段的環境排放情況外，還考慮了煤炭、柴油、天然氣、電力等能源直接上游階段的環境排放情況。材料和能源排放基礎清單數據主要取自于北京工業大學中國材料生命周期清單數據庫，并參考文獻［9-13］，時間邊界為2008-2009年，技術水平反映我國的平均水平。

本文設定LNG攪拌車和柴油攪拌車的壽命為5年（年均80 000km），在綜合工況下進行比較，然后將采集到的清單數據代入評價模型，運用MATLAB軟件編寫程序計算得出LNG攪拌車與柴油攪拌車的污染物排放差異量，如表3和圖1所示。

圖1 LNG和柴油攪拌車生命周期污染物排放差異

從計算結果可以看出，該款LNG攪拌車和柴油攪拌車相比，NOx排放量減少了32.83%，SOx排放量減少了83.68%，PM排放量減少了100%；而CO排放量增加了21.39%，HC排放量增加了7.83倍。HC和CO排放量增加的主要原因是在行駛過程中發生不完全燃燒或有部分沒有燃燒的天然氣直接排出，而液化天然氣的主要成分是甲烷，同時LNG攪拌車的NMHC僅占HC排放量的6.88%，說明此情況較嚴重。這進一步說明在當前氣體發動機技術水平下，天然氣這一清潔能源的減排潛力還沒有被完全挖掘出來。

LNG攪拌車與柴油攪拌車的CO2排放差異量對比如表4、圖2和圖3所示。

表4 LNG攪拌車和柴油攪拌車生命周期CO2排放差異 kg

圖2 LNG攪拌車和柴油攪拌車使用階段的CO2排放差異

圖3 LNG攪拌車和柴油攪拌車全生命周期CO2排放差異

從計算結果可以看出，該款LNG攪拌車和柴油攪拌車使用階段的CO2排放量分別占全生命周期的86.49%和84.59%，說明使用階段的CO2排放量占了主要部分，而能源上游和材料制備階段所釋放的CO2排放量所占比例較小。無論是使用階段還是全生命周期，LNG攪拌車的CO2排放量都比柴油攪拌車小，使用階段CO2排放量減少6.82%，全生命周期CO2排放量減少8.88%；而按照理論同熱值，LNG比柴油的CO2排放量減少26%，這同樣也說明了當前氣體發動機的減排潛力還有很大的提升空間。

3 結論

（1）以往的研究僅從燃料視角出發，未考慮車輛實際運行情況的排放結果顯然不科學，本文結合具體車型，從車輛全生命周期視角出發，得出更為準確的環境排放評價結論。

（2）LNG重型商用車和柴油重型商用車相比，排放結果與理想值相差較大，主要是由于當前LNG發動機技術水平較低，所以開發出高效可靠的LNG發動機才能充分發揮其減排優勢。

（3）從實證研究可以看出，LNG重型商用車和柴油重型商用車的全生命周期環境排放差異主要體現在使用階段，但是，隨著重型商用車排放標準的迅速升級以及強制回收政策的實施，后處理系統將日漸復雜，從而影響資源獲取、材料制備、零件加工、回收利用等其他階段的環境排放差異量，這也是今后需要關注和繼續研究的方向。

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