混合燃料重型貨車運營價值分析

朱維娜，張 恒，李 昊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

關鍵字：氣耗；混合燃料；運營成本；經濟價值

前言

自20世紀開始，我國重型貨車燃料以柴油為主。到20世紀末，石油供需日趨緊張，我國提出戰(zhàn)略性發(fā)展綱要，開展替代燃料汽車的研究及開發(fā)，以緩解因石油資源緊缺對我國經濟發(fā)展帶來的不利影響。在天然氣、甲醇、氫氣等眾多替代燃料中，天然氣伴隨著基礎設施的不斷完善，在汽車領域得到了廣泛應用。而天然氣發(fā)動機及其供給系統(tǒng)技術也在不斷發(fā)展，目前已滿足重型貨車對動力性及續(xù)駛里程的需求，在重型貨車市場也得到了推廣。

然而，隨著排放不斷升級，最新的排放要求NOx排放要求在0.46 g/kWh以下，同時采用更加嚴格的冷熱態(tài)WHTC循環(huán)，并且增加了顆粒大小及顆粒數。為滿排放指標，燃氣車發(fā)動機燃燒技術路線也由稀薄燃燒+DOC轉變?yōu)楫斄咳紵?EGR+TWC，就不可避免地提高了燃氣消耗。而天然氣重卡較柴油節(jié)約成本主要來源于天然氣與柴油的價格差，故增加天然氣消耗，對天然氣重卡的經濟性優(yōu)勢產生不利影響。

柴油與天然氣的高壓混合燃燒技術發(fā)動機采用了壓燃的點燃方式，其發(fā)動機熱效率高于天然氣發(fā)動機，與柴油發(fā)動機熱效率相等，其主要的燃料形式仍為天然氣，故而采用壓燃方式的混合燃料技術重卡就存在顯著的經濟價值。同時還兼具柴油重卡的動力性及天然氣重卡環(huán)保的特性[1]。

1 混合燃料重型貨車節(jié)能技術

按照整車運行過程中能消耗占比分析可知， 60%以上的能量消耗在發(fā)動機上，如圖1所示。由此可知，提升發(fā)動機的效率可以大大降低整車能量的損耗。

圖1 車輛運行過程中能量分布圖

目前主流發(fā)動機燃燒技術，壓燃式發(fā)動機壓縮比可達到17:1，而點燃式發(fā)動機壓縮比僅為12:1。兩種發(fā)動機壓縮比的差距較大，其熱效率也存在較大差異。壓燃式發(fā)動機熱效率可達到45%以上，點燃式發(fā)動機熱效率不足40%。而混合燃料發(fā)動機采用壓燃技術使得發(fā)動機熱效率達到同樣采用壓燃技術的柴油發(fā)動機水平。

混合燃料重型貨車的發(fā)動機中兩種燃料的配比也同樣影響著車輛的經濟性。混合燃料發(fā)動機利用柴油燃點低的特點作為引燃劑，按照極低的配比與天然氣進行預混合，達到多點同時燃燒的效果，也進一步提升了燃燒過程的效率。以天然氣作為主要燃料，利用天然氣價格低廉的特點，同時通過提升發(fā)動機熱效率來實現(xiàn)降低天然氣燃料消耗的目的，進一步提升產品的經濟性指標。

2 混合燃燒重型貨車與單燃料重型貨車運營成本分析

基于柴油與天然氣的高壓混合燃燒技術的重型貨車在整個運營過程中與純柴油及純天然氣重型貨車的成本差異是否能有力推動該技術在重卡領域的廣泛應用，本文將根據運營過程的投入及產出進行詳細分析[2]。

根據重型貨車市場數據統(tǒng)計可知，重型貨車的使用周期一般為5～7年，因此預估市場可接受的運營成本及收益差額較柴油重型貨車需在兩年內追平，用戶購買車輛的意愿才會較為強烈。

而運營成本及收益差額主要指支出與收入的差值。支出項主要包括購車成本、使用成本及維護成本；收入項主要包括配送費、車輛殘值等，如圖2 所示[3]。本文通過分析不同燃料類型的重型貨車收益差值來推出混合燃料車型的經濟性優(yōu)勢，故針對目標簡化模型為僅分析不同車型中支出與收入的差異項，即購車成本、使用成本、維護成本及配送費用的差異對車輛運營收益的影響[4]。

圖2 車輛運行過程中能量分布圖

這里選取的車輛基本信息如下表：

表1 6×4重型貨車對比車型基本信息表

運營分析的影響因子具體如下：

（1）購車成本：影響因子包括車輛售價、購置稅。因本文僅計算價格差異，故其中售價以柴油重卡為基準，天然氣重卡及混合燃料重卡按照預估差值進行計算。因混合燃料發(fā)動機系統(tǒng)及供給系統(tǒng)較為復雜，購車成本較單一燃料車型高，此項為不利因子。

（2）使用成本：影響因子包括燃料成本、后處理成本。其中燃料成本的影響因子包括燃料單價、燃料使用量；燃料使用量的影響因子包括燃料密度、熱值、發(fā)動機熱效率及年運營里程。年運營里程按照目前快速物流、日用工業(yè)品運輸市場平均水平進行計算，均取值20萬公里，單位距離的燃料使用量按照做等量功的計算方法進行燃料使用量的推算。后處理成本主要考慮柴油重卡及混合燃料重卡在對尾氣進行后處理時消耗的尿素量進行計算。其中燃料成本為混合燃料的有力因子且為主要的運營優(yōu)勢體現(xiàn)。

基于以上相關因子，混合燃料的百公里燃料消耗計算公式如下：

其中柴油消耗量為：

式中，W為車輛滿載運行100 km所做的總功；ηHPDI為混合燃料發(fā)動機熱效率；qd為柴油熱值；ρd為柴油密度。

式中Qd1為柴油重卡國六百公里平均氣耗值；ηd為柴油發(fā)動機熱效率。

混合燃料重卡的使用成本計算公式如下：

式中a%為混合燃料中的柴油占比；b%為混合燃料中的天然氣占比；qg為LNG 熱值。

（3）維護成本：影響因子包括發(fā)動機保養(yǎng)里程、變速器保養(yǎng)里程、驅動橋保養(yǎng)里程及輪胎保養(yǎng)里程，主要差異體現(xiàn)在發(fā)動機保養(yǎng)里程上。因混合燃料發(fā)動機系統(tǒng)結構較為復雜且技術尚未成熟，維護成本較單一燃料車型高，此項為不利因子。

（4）配送費：影響因子包括可運輸貨物重量及運價。可運輸貨物重量的影響因子為底盤整備質量。運價按照每公斤0.25元進行計算[5]。因混合燃料發(fā)動機及供給系統(tǒng)結構較為復雜且重量較大導致整車重量較重，受列車總重限值，可運輸貨物總量受影響，故配送費用較單一燃料車型低，此項為 不利因子。

根據以上影響因子，按照不同燃料價格計算運營收益差值，建立柴油、天然氣、混合燃料車型的運營價值對比模型，見圖3。可得出以下結論。

圖3 不同燃料價格的運營收益曲線

（1）混合燃料重卡的運營優(yōu)勢主要體現(xiàn)在燃料費用上，而燃料費用由柴油及天然氣費用共同組成，一般情況下，柴油的價格較高，故在燃料混合時應應盡量多用天然氣，少用柴油以最大限度地降低燃料費用。

（2）隨著天然氣價格的降低，混合燃料車型較柴油車的運營收益增高：當柴油與天然氣的價差在2元時，混合燃料重卡可在12.5萬公里時追平與柴油重卡的運營收益差值。在這之后就逐漸體現(xiàn)較柴油重卡的收益優(yōu)勢。

（3）隨著天然氣價格的降低，混合燃料重卡較天然氣重卡的運營收益差值降低：當柴油與天然氣的價差在2元時，混合燃料重卡可在35萬公里時追平與天然氣重卡的運營收益差值。因混合燃料重卡具有更高的熱效率，故而即使燃料中混入了柴油，其燃料費用仍較天然氣重卡有明顯優(yōu)勢。

（4）存在一個燃料價格臨界區(qū)間，使得混合燃料重卡既優(yōu)于柴油重卡運營收益，也優(yōu)于天然氣重卡運營收益:當油氣差價在0.5元～2元區(qū)間時，混合燃料重卡的運營收益較柴油重卡及天然氣重卡均具有顯著優(yōu)勢。此區(qū)間也是通常情況下天然氣與柴油的價格差值區(qū)間范圍，圖4為2017年至2020年柴油與天然氣的價格及差值走勢。

圖4 油氣差價走勢圖

3 總結

柴油-天然氣混合燃料重型貨車因其集合了柴油燃點低，天然氣熱值高且價格低的優(yōu)勢，采用熱效率更高的壓燃點火方式，既提升了熱效率，又使用了成本較低的天然氣作為主要燃料，比單一的柴油或天然氣重型貨車具有明顯的運營收益優(yōu)勢。

混合燃料重型貨車雖然在投資初期增加了購車成本，但其可在較短時間內補償購車成本價格差異，在整個車輛運營周期內運營價值優(yōu)勢明顯，在技術狀態(tài)成熟的情況下，具有較高的推廣價值。