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

涂小岳 杨沿平 徐建全，2 陈轶嵩

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（liquified natural gas，LNG）替代柴油作为汽车燃料已成为重型商用车领域的一个重要发展方向［1-2］。然而LNG重型商用车和柴油车相比对环境有何影响，在一轮又一轮的技术变革中，这些影响又会发生怎样的变化，这些问题值得人们研究。由于LNG重型商用车是一个新兴产业，目前国内外学者对其研究较少，尚没有取得较成熟的、系统性的研究成果。这些问题都必须通过对LNG重型商用车进行全生命周期评价才能得到全面和科学的认知。

本文基于产品生命周期评价理论［3-8］，构建了LNG重型商用车与柴油重型商用车的生命周期环境排放差异评价模型，并选取某公司已生产销售并投入实际运营的某同一平台LNG搅拌车和柴油搅拌车作为实证研究对象验证前述模型，系统地评价了全生命周期（包括材料获取与制备、零部件加工及整车装配、车辆运行使用以及报废回收过程）的环境排放差异，所得结论可为我国制定LNG汽车产业发展的相关政策提供参考，也可为LNG汽车企业开拓新市场提供帮助，亦可为科研工作者开展相关研究提供借鉴。

1 评价模型

建立环境排放差异评价模型旨在描述LNG重型商用车与柴油重型商用车生命周期排放差异，该模型从生命周期的角度出发，全面研究LNG车和柴油车从资源获取、材料制备到零部件加工、整车装配再到使用、回收利用阶段的各种排放物的差异情况，最终计算出各种排放物的总差异。

1.1 质量差异矩阵

本文以模块化的方式构建LNG车和柴油车的质量差异矩阵，一方面可以全面完整地描述现有LNG车和柴油车的零部件和材料差异；另一方面可以避免因构建巨大繁复的质量矩阵而导致的庞大计算量和后期排放计算的复杂迭代，同时，为将来技术发展的新型LNG车和柴油车设计变更而导致的零部件和材料替换提供了快捷的模块替换组合途径。

考虑到目前技术阶段的LNG车和柴油车的功能性差异模块主要集中在发动机（包括燃油供给系统）和后处理系统，其他如传动系统、操控系统、功能模块和专用上装并没有特殊变更，本文不对LNG车和柴油车的车型设计细节做深入探讨，仅考虑直接导致全生命周期排放差异的零部件的质量差异。

首先根据重型商用车的零部件数量和材料构成情况，分别构建LNG车的质量矩阵ML和柴油车的质量矩阵MC：

式中，k、n分别为LNG车所包含的零部件数量和材料种类数；q、p分别为柴油车所包含的零部件数量和材料种类数。

假设k≥q，n≥p，则LNG车和柴油车的材料构成质量差异可用分块矩阵MD来表示：

其中，mdi，j表示LNG车和柴油车相比较，第i种零部件中包含的第j种材料的质量差异。当k＞q，n＞p 时，mdi，j＝ mli，j。

MD还可聚缩为

当k＝q，n＝p时，MD2＝MD3＝MD4＝0，表示两者所包含的零部件类型相同，零部件中所包含的材料种类也相同。

当k＝q时，MD3＝MD4＝0，表示两者所包含的零部件类型相同，但零部件中所包含的材料种类不同。

当n＝p时，MD2＝MD4＝0，表示两者所包含的零部件类型不同，但零部件中所包含的材料种类相同。

当k＞q，n＞p时，MD2、MD3、MD4都不为0，表示两者所包含的零部件类型不同，零部件中所包含的材料种类也不同。

同理，当n＜p，k＜q；n＞p，k＜q以及n＜p，k＞q时，也可分别写出相应的质量差异矩阵MD以及对应的质量差异md。

1.2 资源获取阶段的排放差异

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，则材料消耗的差异矩阵MB可表示为

设生产各零部件所需的材料在材料制备过程（从原矿石到材料）中的利用率矩阵ηq为n阶对角矩阵，则可得到LNG车和柴油车需要消耗的原矿石差异矩阵MO：

构建资源获取阶段的环境排放强度矩阵PO：

式中，c为资源获取阶段的污染物排放种类数；poi，j为获取单位质量的第i种材料对应资源获取过程中第j种污染物的排放量。

则资源获取阶段的环境排放差异矩阵PTO为

对矩阵PTO的第j列求和，就得到资源获取阶段某款LNG车和柴油车相比，第j种污染物的排放差异量为

1.3 材料制备阶段的排放差异

构建重型商用车材料制备阶段的排放强度矩阵PB：

式中，d为材料制备阶段的污染物排放种类数；pbi，j为制备单位质量的第i种材料过程中第j种污染物的排放量。

则材料制备阶段的污染物排放量差异矩阵PTB为

对矩阵PTB的第j列求和，得到材料制备阶段该款LNG车和柴油车相比，第j种污染物的排放差异量ptbj：

1.4 零部件加工阶段的排放差异

分别构建LNG车、柴油车零部件加工阶段的污染物排放矩阵PTWL和PTWC：

式中，m、o分别为LNG车和柴油车零部件加工阶段的污染 物 排放种类数 ；ptwli，j、ptwli，j分别为LNG车 和柴油车第i种零部件加工过程中排放的第j种污染物的量。

同理，引入分块矩阵的概念，假设k≥q，m≥o，构建一个LNG车与柴油车在零部件加工阶段的排放差异矩阵PTWD：

其中，ptwdi，j表示该款LNG车和柴油车相比较，加工第i种零部件时排放的第j种污染物的差异量。当k ＞q，m ＞o时，ptwdi，j＝ptwli，j。

对矩阵PTWD的第j列求和，就得到零部件加工阶段，LNG车与柴油车相比，第j种污染物的排放差异量：

同理，当k＜q，m＜o；k＞q，m＜o以及k＜q，m＞o时，也可分别写出相应的排放差异矩阵PTWD，并计算出相应的排放差异量ptwdi，j。

1.5 整车装配阶段的排放差异

构建重型商用车整车装配阶段的污染物排放矩阵PTA：

式中，g为重型商用车的装配工序数；l为整车装配阶段污染物的排放种类数。

同理，可以构建出LNG车与柴油车在装配阶段的污染物排放差异矩阵PTAD，并计算出相应的污染物排放差异量ptadj。

1.6 使用阶段的排放差异

在对LNG车和柴油车使用阶段的污染物排放进行计算时，不仅要考虑车辆使用阶段的污染物排放情况，还需要考虑生产液化天然气和柴油时的上游排放情况，车辆使用阶段的排放差异量用ptus来表示，能源上游阶段的排放差异量用ptub来表示。设LNG车单位行驶里程消耗的液化天然气为a，设柴油车单位行驶里程消耗的柴油为b，L表示车辆生命周期总行驶里程数。

首先分别构建LNG车、柴油车单位行驶里程的排放矩阵PSL和PSC：

式中，pslj、pscj分别为LNG车和柴油车单位行驶里程第j种污染物的排放量；u1、u2分别为LNG车和柴油车行驶过程中污染物排放的种类数。

假设u1≥u2，同理，引入分块矩阵，构建LNG车和柴油车单位行驶里程的排放差异矩阵PTUS：

则在车辆使用阶段，LNG车和柴油车第j种污染物的排放差异量为

考虑能源上游阶段的污染物排放情况，单位液化天然气和单位柴油的上游排放矩阵PUL和PUC可分别表示为

式中，pulj、pucj分别为生产单位液化天然气和生产单位柴油时第j种污染物的排放量；w1、w2分别为LNG车和柴油车制造过程中污染物排放的种类数。

假设w1≥w2，同样引入分块矩阵的概念，两者的上游排放差异矩阵PTUB可表示为

则在车辆使用阶段，液化天然气和柴油的上游排放的第j种污染物差异量为

从而得到使用阶段LNG车和柴油车的第j种污染物的排放差异量ptudj：

1.7 回收利用阶段的排放差异

构建某款重型商用车回收利用阶段的污染物排放矩阵PTR：

式中，e为重型商用车的回收利用的工序数；z为回收利用阶段污染物的排放种类数。

同理，参照矩阵PTWD，可以构建LNG车与柴油车在回收利用阶段的污染物排放差异矩阵PTRD，并计算出排放差异量ptrdj。考虑到目前LNG重型商用车在市场上推广时间不长，回收利用阶段的相关数据较难搜集，所以本文在实证研究时暂未考虑。

1.8 全生命周期综合排放差异

将各个阶段LNG车与柴油车的污染物排放差异求和，就可以计算得到全生命周期第j种污染物的排放差异ptj：

式中，ptoj、ptbj、ptwdj、ptadj、ptudj、ptrdj分别为生命周期各阶段第j种污染物的排放差异量。

2 实证分析

2.1 评价对象选择

本文按照以下原则选择评价对象：①必须为同一级别的车型，车身外廓尺寸相同，质量差别较小；②非车用动力系统变革所带来的差别应尽可能小，以便于体现其关键结构的差异；③应是各自能源动力系统的代表性车型，动力、排放技术处于同级别车领先水平，气体发动机和柴油发动机的额定功率相近；④两种类型的车辆必须具有相同或尽可能接近的驾乘感受、动力性、舒适性、安全性。

经过筛选，本文选定某公司生产销售的LNG搅拌车和柴油搅拌车作为实证研究对象，这两种车型是同一平台的柴油版本和LNG版本，车型基本参数如表1所示。

表1 两种车型的基本参数

本文实证研究数据来源为某公司2011年7月至2012年10月间生产销售的LNG搅拌车（产品型号SQR5251GJBN6T4-1／发动机型号YC6MK375N）和柴油搅拌车（产品型号SQR5250GJND6T4-1／发 动 机 型 号YC6K10380）。说明如下：①车辆运行数据选取了武汉、重庆、昆明、合肥、深圳、惠州6个试验单位有完整数据记录的62台车超过35000km的试验数据；②LNG发动机和柴油发动机排放数据均采集自某公司AVL发动机综合测试台架（含烟度仪）；③数据采集时间为2011年10月7日至2012年9月30日。

实证研究对象的主要差异情况如表2所示。需要说明的是：①由于地域和地形差异，LNG搅拌车气耗统计数据较为发散，百公里气耗为57～120L，为更客观地评估评价效果，我们选取了最大值；②实证研究期间，我国采用国Ⅲ排放，试验柴油车采用EGR国Ⅲ路径方式，不需要后处理装置，故实证车辆差异件仅存在于燃料供给系统；若排放标准在国Ⅳ以上，两者差异将包含后处理系统的差异等。

表2 两种车型的主要差异

2.2 评价结果

本模型在采集基础清单数据时，除了考虑材料获取阶段的环境排放情况外，还考虑了煤炭、柴油、天然气、电力等能源直接上游阶段的环境排放情况。材料和能源排放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，并参考文献［9-13］，时间边界为2008-2009年，技术水平反映我国的平均水平。

本文设定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，运用MATLAB软件编写程序计算得出LNG搅拌车与柴油搅拌车的污染物排放差异量，如表3和图1所示。

图1 LNG和柴油搅拌车生命周期污染物排放差异

从计算结果可以看出，该款LNG搅拌车和柴油搅拌车相比，NOx排放量减少了32.83%，SOx排放量减少了83.68%，PM排放量减少了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驶过程中发生不完全燃烧或有部分没有燃烧的天然气直接排出，而液化天然气的主要成分是甲烷，同时LNG搅拌车的NMHC仅占HC排放量的6.88%，说明此情况较严重。这进一步说明在当前气体发动机技术水平下，天然气这一清洁能源的减排潜力还没有被完全挖掘出来。

LNG搅拌车与柴油搅拌车的CO2排放差异量对比如表4、图2和图3所示。

表4 LNG搅拌车和柴油搅拌车生命周期CO2排放差异 kg

图2 LNG搅拌车和柴油搅拌车使用阶段的CO2排放差异

图3 LNG搅拌车和柴油搅拌车全生命周期CO2排放差异

从计算结果可以看出，该款LNG搅拌车和柴油搅拌车使用阶段的CO2排放量分别占全生命周期的86.49%和84.59%，说明使用阶段的CO2排放量占了主要部分，而能源上游和材料制备阶段所释放的CO2排放量所占比例较小。无论是使用阶段还是全生命周期，LNG搅拌车的CO2排放量都比柴油搅拌车小，使用阶段CO2排放量减少6.82%，全生命周期CO2排放量减少8.88%；而按照理论同热值，LNG比柴油的CO2排放量减少26%，这同样也说明了当前气体发动机的减排潜力还有很大的提升空间。

3 结论

（1）以往的研究仅从燃料视角出发，未考虑车辆实际运行情况的排放结果显然不科学，本文结合具体车型，从车辆全生命周期视角出发，得出更为准确的环境排放评价结论。

（2）LNG重型商用车和柴油重型商用车相比，排放结果与理想值相差较大，主要是由于当前LNG发动机技术水平较低，所以开发出高效可靠的LNG发动机才能充分发挥其减排优势。

（3）从实证研究可以看出，LNG重型商用车和柴油重型商用车的全生命周期环境排放差异主要体现在使用阶段，但是，随着重型商用车排放标准的迅速升级以及强制回收政策的实施，后处理系统将日渐复杂，从而影响资源获取、材料制备、零件加工、回收利用等其他阶段的环境排放差异量，这也是今后需要关注和继续研究的方向。

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