涂小岳 徐建全，2 陳軼嵩 楊沿平

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(liquefied natural gas，LNG)汽車由于其排放清潔、續(xù)駛里程長、安全、運營成本低等優(yōu)勢，近年愈來愈得到客戶的認可和青睞。特別在重型商用車領域，用LNG替代柴油已成為十分重要的發(fā)展方向［1］，LNG重卡產銷量已從2009年的672輛上升到2012年的11 920輛，2013年LNG重卡產銷量預計將超過3萬輛。行業(yè)專家預測:未來10年LNG重型商用車將維持25%以上的年增長率，將逐步占據(jù)20%以上的市場份額。

LNG商用車和柴油商用車對資源、能源及環(huán)境影響的差異必須從生命周期角度出發(fā)進行系統(tǒng)評價才能得出正確結果，目前，雖然有眾多學者研究了生命周期評價在汽車上的應用［2-12］，但國內外學者對其研究仍較少，特別在LNG商用車的生命周期評價方面，尚沒有取得較成熟的、系統(tǒng)性的研究成果。本文根據(jù)商用車的原材料提取與加工、產品制造、產品的使用、回收利用整個生命周期過程建立了LNG與柴油商用車的能耗差異評價模型，并以奇瑞商用車(安徽)有限公司已生產銷售的同級別的LNG攪拌車與柴油攪拌車作為實證研究對象，系統(tǒng)評價了其生命周期的能耗差異。研究成果可為企業(yè)開展LNG重型商用車業(yè)務提供基礎參考數(shù)據(jù)，同時可為國家制定LNG汽車產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略提供決策量化參考。

1 評價模型的建立

建立能源消耗差異評價模型旨在描述LNG商用車與柴油商用車生命周期能源消耗差異情況。該模型從生命周期的角度出發(fā)，全面研究LNG商用車與柴油商用車從材料制備(含資源獲取)到零部件加工制造、整車裝配再到使用、回收利用各階段的能源消耗差異情況，建立相應的差異矩陣，最終計算綜合能源消耗差異［13］。

1.1 質量差異矩陣模型

根據(jù)商用車的零部件數(shù)量、材料組成以及零部件的生命周期更換情況，建立LNG商用車與柴油商用車的質量差異矩陣，然后根據(jù)質量差異矩陣構建材料消耗差異矩陣。

LNG商用車的質量矩陣ML為

式中，k為LNG商用車所包含的零部件數(shù)量;n為LNG商用車所包含的材料種類數(shù)。

則LNG商用車的整備質量ml可表示為

柴油商用車的質量矩陣MC為

式中，q為柴油商用車所包含的零部件數(shù)量;p為柴油商用車所包含的材料種類數(shù)。

則柴油商用車的整備質量mc可表示為

構建LNG商用車與柴油商用車的材料質量差異矩陣MD，則LNG商用車與柴油商用車的質量差異量為

其中，md，ij表示LNG與柴油商用車相比較，第i種零部件中包含的第j種材料的質量差異量，md，ij=ml，ij－ mc，ij，當 i ＞ q 或 j ＞ p 時，mc，ij=0。

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，材料消耗的差異矩陣MB表示如下:

則LNG商用車與柴油商用車需要消耗的材料差異量 mb，i為

1.2 能源消耗差異評價模型

1.2.1材料制備階段的能耗差異

構建材料制備階段的能源消耗強度矩陣EB為

式中，s為在材料制備階段消耗的能源種類數(shù);eb，ij為制備第i種材料過程中第j種能源的消耗強度。

本文采用了北京工業(yè)大學中國材料生命周期清單數(shù)據(jù)，該強度矩陣已包含材料制備階段的上游能耗，則材料制備階段的能源消耗差異矩陣ETB和能耗差異量etb為

1.2.2零部件加工階段的能耗差異

分別構建LNG商用車與柴油商用車在零部件加工階段的能源消耗矩陣ETWL和ETWC:

式中，t為LNG商用車零部件加工過程中消耗的能源種類數(shù);etwl，ij為LNG商用車第i種零部件加工過程中消耗的第j種能源量;y為柴油商用車零部件加工過程中消耗的能源種類數(shù);etwc，ij為柴油商用車第i種零部件加工過程中消耗的第j種能源量。

這里引入分塊矩陣的概念，當k≥q，t≥y時，得到零部件加工階段的能耗差異矩陣ETWD:

其中，etwd，ij表示LNG與柴油商用車在加工第i種零部件時消耗的第j種能源的差異量。則LNG商用車與柴油商用車相比，在零部件加工階段的能耗差異量etwd可以表示為

同理，當k＜ q，t＜y;k＞ q，t＜y以及k＜q，t＞y時，也可分別寫出相應的能耗差異矩陣ETWD，并計算出能耗差異量etwd。

1.2.3整車裝配階段的能耗差異

構建整車裝配階段的能源消耗矩陣ETA為

式中，g為商用車的裝配工序數(shù);h為商用車裝配階段消耗的能源種類數(shù)。

同理，參照矩陣ETWD，可以構建出LNG商用車與柴油商用車在裝配階段的能耗差異矩陣ETAD，計算出能耗差異總量etad。整車裝配階段的能源消耗均考慮了各類能源生產及使用的交互作用與影響。

1.2.4使用階段的能耗差異

在對LNG與柴油商用車使用階段的能源消耗進行計算時，不僅要考慮車輛使用階段的能源消耗情況，還需要考慮生產液化天然氣和柴油過程中上游能源消耗情況，車輛使用階段的能耗差異量用etus來表示，能源上游階段的能耗差異量用etub來表示。

在車輛使用階段，設LNG商用車單位行駛里程消耗的液化天然氣的總量為a;設柴油商用車單位行駛里程消耗的柴油的總量為b，L表示車輛生命周期總行駛里程數(shù)，將b和a轉換成統(tǒng)一能耗單位后，則可得到etus:

對能源上游階段的能耗情況，單位液化天然氣的上游能源消耗矩陣EUL可表示為

式中，v1為生產液化天然氣消耗的能源種類數(shù);eulj為生產單位液化天然氣時第j種能源的消耗量。

同理，單位柴油的上游能源消耗矩陣EUC可表示為

式中，v2為生產柴油消耗的能源種類數(shù);eucj為生產單位柴油時第j種能源的消耗量。

假設v1≥v2，同樣引入分塊矩陣的概念，構建單位行駛里程液化天然氣和柴油的上游能源消耗差異矩陣ETUB:

轉換成統(tǒng)一能耗單位后，etubj=aeulj－beucj，則在車輛使用階段，液化天然氣和柴油的上游能源消耗差異量為

當v1≤v2時，同理可得到相應的ETUB，并計算出相應的etub。

從而得到使用階段LNG商用車與柴油商用車的能耗差異量etud:

1.2.5回收利用階段的能耗差異

構建商用車回收利用階段的能源消耗矩陣ETR為

式中，e為回收利用的工序數(shù);f為回收利用階段消耗的能源種類數(shù)。

同理，可以構建出LNG商用車與柴油商用車在回收利用階段的能耗差異矩陣ETRD，進而計算出能耗差異量etrd?？紤]到目前LNG重卡在市場推廣不久，回收利用階段的能耗差異數(shù)據(jù)較難搜集，所以本文暫不考慮。

1.2.6生命周期綜合能耗差異

將各個階段LNG商用車與柴油商用車的能源消耗差異求和，即可計算出生命周期的綜合能源消耗差異量et:

2 實證分析

2.1 評價對象

本文經(jīng)過篩選，根據(jù)文獻［13］，選定奇瑞商用車(安徽)有限公司生產銷售的LNG攪拌車和柴油攪拌車作為LNG車與傳統(tǒng)車的代表性車型，這兩個車型是同一平臺的柴油版本和LNG版本，車型主要參數(shù)配置如表1所示。

表1 兩種車型的主要參數(shù)配置

本文實證研究數(shù)據(jù)來源為奇瑞商用車(安徽)有限公司2011年7月～2013年3月間生產銷售的LNG混凝土攪拌車(產品型號為SQR5251GJBN6T4－1，發(fā)動機型號為YC6MK375N)和柴油攪拌車(產品型號為SQR5250GJND6T4－1，發(fā)動機型號為YC6K10380)。其中，車輛運營數(shù)據(jù)選取自石家莊、杭州、武漢、合肥、深圳、東莞8個試驗單位中有完整數(shù)據(jù)記錄的 79臺車，系累計超過50 000km的同車型同路徑不同燃料模式下的對照試驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集時間為2011年10月1日～2012年12月31日。

2.2 評價方法與結果

本模型在采集基礎能耗清單數(shù)據(jù)時，除了考慮材料制備階段(包括礦石資源獲取)的能源消耗情況，還考慮了煤炭、柴油、天然氣、電力等能源上游的能耗情況。材料和能源的能耗基礎清單數(shù)據(jù)主要取自于北京工業(yè)大學中國材料生命周期清單數(shù)據(jù)庫，時間邊界為2008年～2009年，技術水平反映中國的平均水平。其他數(shù)據(jù)主要來源于權威部門發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及國內外公開文獻資料，如各類統(tǒng)計年鑒，國家部委及冶金、能源、環(huán)境部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及第三方機構發(fā)布的權威數(shù)據(jù)等。

本文在計算LNG商用車與柴油商用車的生命周期能源消耗差異時，僅關注兩種類型車輛的主要差異部分，因此在采集數(shù)據(jù)過程中，重點考慮了鋼材、鑄鐵、鑄鋁、鍛鋁等對評價結果影響較大的金屬材料的資源消耗清單，而對于玻璃、塑料、橡膠和復合材料等非金屬材料暫不列出。比如氣瓶和油箱的差異(見表1);發(fā)動機差異方面，氣體機比柴油機多了2kg鑄鋁?？紤]到未來非可再生能源耗盡的壓力，本文僅對商用車生命周期非可再生能源影響進行評估，而暫時未涉及可再生能源。

本文假設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(shù)據(jù)代入評價模型，采用MATLAB軟件編程，得出LNG攪拌車與柴油攪拌車的能耗差異情況，如圖1～圖6所示。圖6中能耗差異是天然氣車能耗減去柴油車能耗。

圖1 材料制備階段發(fā)動機差異部分能耗

圖2 材料制備階段其他零部件差異部分能耗

圖3 制造裝配階段直接能耗

圖4 使用階段直接能耗

圖5 生命周期差異部分能耗

圖6 各階段及生命周期能耗差異量

2.3 結果分析

在材料制備階段，LNG攪拌車和柴油攪拌車相比，發(fā)動機差異部分LNG車能耗多了498.1MJ(17kgce，本文采用1kgce=29.3MJ);對比氣瓶和油箱，制造氣瓶的能耗11.3977GJ(389kgce)明顯大于制造油箱的能耗4.688GJ(160kgce)。在制造裝配階段，LNG攪拌車與柴油攪拌車的能耗差異分別為4.3657GJ(149kgce)和6153MJ(210kgce)。在使用階段，LNG攪拌車與柴油攪拌車的直接能耗差異分別為1.02×1013J(349 718kgce)和 8.34×1012J(284 449kgce)?？梢?，LNG攪拌車與柴油攪拌車的能耗差異主要體現(xiàn)在使用階段，而在材料制備階段和制造裝配階段的能耗差異很小。LNG攪拌車使用階段的直接能耗差異較柴油攪拌車大 1.91×1012J(65 269kgce)，主要原因在于LNG攪拌車在使用階段的耗氣量較大，所以，降低氣耗是未來天然氣發(fā)動機的一個研究重點。

若考慮能源上游情況，通過評價模型計算得出，LNG攪拌車比柴油攪拌車的生命周期總能耗差異減少8.25×1011(28 158kgce)。這說明雖然LNG攪拌車的直接能耗比柴油攪拌車高，但總能耗卻比柴油車低，從生命周期視角來看，LNG攪拌車在節(jié)能上有一定的優(yōu)勢。加之，當前燃氣發(fā)動機技術才剛剛起步，改進的空間更大，隨著發(fā)動機技術的不斷進步，LNG商用車的節(jié)能潛力也將逐步被挖掘出來。

3 結語

通過建立LNG商用車與柴油商用車的生命周期能耗差異評價模型并進行實證計算分析可知，雖然LNG攪拌車使用階段的直接能耗較柴油攪拌車大，但LNG攪拌車的生命周期總能耗卻比柴油車小，這符合國家汽車產業(yè)節(jié)能發(fā)展方向。因此國家應加大力度支持LNG商用車的發(fā)展，特別應該高度重視LNG發(fā)動機的開發(fā)，加強對LNG燃燒機理的研究，系統(tǒng)研發(fā)專門針對氣體機的高壓直噴、精確控制等先進技術，充分挖掘出氣體機的節(jié)能潛力。

［1］李西秦，劉冰.燃氣汽車發(fā)動機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.天然氣工業(yè)，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］胡志遠，張成，浦耿強，等.木薯乙醇汽油生命周期能源、環(huán)境及經(jīng)濟性評價［J］.內燃機工程，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］王壽兵，董輝，王如松，等.中國某轎車生命周期內能耗和環(huán)境排放特性［J］.復旦學報(自然科學版)，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］李飛龍，郭孔輝，楊沿平，等.基于GREET模型的汽車材料輕量化能耗評價研究［J］.中國機械工程，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，楊沿平，徐建全，等.LNG重型商用車和柴油重型商用車全生命周期環(huán)境排放差異評價［J］.中國機械工程，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.