涂小岳 楊沿平 徐建全，2 陳軼嵩

1.湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082 2.福建農(nóng)林大學(xué)，福州，350002

0 引言

液化天然氣（liquified natural gas，LNG）替代柴油作為汽車(chē)燃料已成為重型商用車(chē)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向［1-2］。然而LNG重型商用車(chē)和柴油車(chē)相比對(duì)環(huán)境有何影響，在一輪又一輪的技術(shù)變革中，這些影響又會(huì)發(fā)生怎樣的變化，這些問(wèn)題值得人們研究。由于LNG重型商用車(chē)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究較少，尚沒(méi)有取得較成熟的、系統(tǒng)性的研究成果。這些問(wèn)題都必須通過(guò)對(duì)LNG重型商用車(chē)進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)才能得到全面和科學(xué)的認(rèn)知。

本文基于產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)理論［3-8］，構(gòu)建了LNG重型商用車(chē)與柴油重型商用車(chē)的生命周期環(huán)境排放差異評(píng)價(jià)模型，并選取某公司已生產(chǎn)銷(xiāo)售并投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)的某同一平臺(tái)LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)作為實(shí)證研究對(duì)象驗(yàn)證前述模型，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了全生命周期（包括材料獲取與制備、零部件加工及整車(chē)裝配、車(chē)輛運(yùn)行使用以及報(bào)廢回收過(guò)程）的環(huán)境排放差異，所得結(jié)論可為我國(guó)制定LNG汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策提供參考，也可為L(zhǎng)NG汽車(chē)企業(yè)開(kāi)拓新市場(chǎng)提供幫助，亦可為科研工作者開(kāi)展相關(guān)研究提供借鑒。

1 評(píng)價(jià)模型

建立環(huán)境排放差異評(píng)價(jià)模型旨在描述LNG重型商用車(chē)與柴油重型商用車(chē)生命周期排放差異，該模型從生命周期的角度出發(fā)，全面研究LNG車(chē)和柴油車(chē)從資源獲取、材料制備到零部件加工、整車(chē)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(jì)算出各種排放物的總差異。

1.1 質(zhì)量差異矩陣

本文以模塊化的方式構(gòu)建LNG車(chē)和柴油車(chē)的質(zhì)量差異矩陣，一方面可以全面完整地描述現(xiàn)有LNG車(chē)和柴油車(chē)的零部件和材料差異；另一方面可以避免因構(gòu)建巨大繁復(fù)的質(zhì)量矩陣而導(dǎo)致的龐大計(jì)算量和后期排放計(jì)算的復(fù)雜迭代，同時(shí)，為將來(lái)技術(shù)發(fā)展的新型LNG車(chē)和柴油車(chē)設(shè)計(jì)變更而導(dǎo)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(shù)階段的LNG車(chē)和柴油車(chē)的功能性差異模塊主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)（包括燃油供給系統(tǒng)）和后處理系統(tǒng)，其他如傳動(dòng)系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、功能模塊和專用上裝并沒(méi)有特殊變更，本文不對(duì)LNG車(chē)和柴油車(chē)的車(chē)型設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)做深入探討，僅考慮直接導(dǎo)致全生命周期排放差異的零部件的質(zhì)量差異。

首先根據(jù)重型商用車(chē)的零部件數(shù)量和材料構(gòu)成情況，分別構(gòu)建LNG車(chē)的質(zhì)量矩陣ML和柴油車(chē)的質(zhì)量矩陣MC：

式中，k、n分別為L(zhǎng)NG車(chē)所包含的零部件數(shù)量和材料種類(lèi)數(shù)；q、p分別為柴油車(chē)所包含的零部件數(shù)量和材料種類(lèi)數(shù)。

假設(shè)k≥q，n≥p，則LNG車(chē)和柴油車(chē)的材料構(gòu)成質(zhì)量差異可用分塊矩陣MD來(lái)表示：

其中，mdi，j表示LNG車(chē)和柴油車(chē)相比較，第i種零部件中包含的第j種材料的質(zhì)量差異。當(dāng)k＞q，n＞p 時(shí)，mdi，j＝ mli，j。

MD還可聚縮為

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

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

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

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

同理，當(dāng)n＜p，k＜q；n＞p，k＜q以及n＜p，k＞q時(shí)，也可分別寫(xiě)出相應(yīng)的質(zhì)量差異矩陣MD以及對(duì)應(yīng)的質(zhì)量差異md。

1.2 資源獲取階段的排放差異

設(shè)材料在零部件加工過(guò)程中的利用率矩陣ηp為n階對(duì)角矩陣，則材料消耗的差異矩陣MB可表示為

設(shè)生產(chǎn)各零部件所需的材料在材料制備過(guò)程（從原礦石到材料）中的利用率矩陣ηq為n階對(duì)角矩陣，則可得到LNG車(chē)和柴油車(chē)需要消耗的原礦石差異矩陣MO：

構(gòu)建資源獲取階段的環(huán)境排放強(qiáng)度矩陣PO：

式中，c為資源獲取階段的污染物排放種類(lèi)數(shù)；poi，j為獲取單位質(zhì)量的第i種材料對(duì)應(yīng)資源獲取過(guò)程中第j種污染物的排放量。

則資源獲取階段的環(huán)境排放差異矩陣PTO為

對(duì)矩陣PTO的第j列求和，就得到資源獲取階段某款LNG車(chē)和柴油車(chē)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(gòu)建重型商用車(chē)材料制備階段的排放強(qiáng)度矩陣PB：

式中，d為材料制備階段的污染物排放種類(lèi)數(shù)；pbi，j為制備單位質(zhì)量的第i種材料過(guò)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(duì)矩陣PTB的第j列求和，得到材料制備階段該款LNG車(chē)和柴油車(chē)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(gòu)建LNG車(chē)、柴油車(chē)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L(zhǎng)NG車(chē)和柴油車(chē)零部件加工階段的污染 物 排放種類(lèi)數(shù) ；ptwli，j、ptwli，j分別為L(zhǎng)NG車(chē) 和柴油車(chē)第i種零部件加工過(guò)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(shè)k≥q，m≥o，構(gòu)建一個(gè)LNG車(chē)與柴油車(chē)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(chē)和柴油車(chē)相比較，加工第i種零部件時(shí)排放的第j種污染物的差異量。當(dāng)k ＞q，m ＞o時(shí)，ptwdi，j＝ptwli，j。

對(duì)矩陣PTWD的第j列求和，就得到零部件加工階段，LNG車(chē)與柴油車(chē)相比，第j種污染物的排放差異量：

同理，當(dāng)k＜q，m＜o(jì)；k＞q，m＜o(jì)以及k＜q，m＞o時(shí)，也可分別寫(xiě)出相應(yīng)的排放差異矩陣PTWD，并計(jì)算出相應(yīng)的排放差異量ptwdi，j。

1.5 整車(chē)裝配階段的排放差異

構(gòu)建重型商用車(chē)整車(chē)裝配階段的污染物排放矩陣PTA：

式中，g為重型商用車(chē)的裝配工序數(shù)；l為整車(chē)裝配階段污染物的排放種類(lèi)數(shù)。

同理，可以構(gòu)建出LNG車(chē)與柴油車(chē)在裝配階段的污染物排放差異矩陣PTAD，并計(jì)算出相應(yīng)的污染物排放差異量ptadj。

1.6 使用階段的排放差異

在對(duì)LNG車(chē)和柴油車(chē)使用階段的污染物排放進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不僅要考慮車(chē)輛使用階段的污染物排放情況，還需要考慮生產(chǎn)液化天然氣和柴油時(shí)的上游排放情況，車(chē)輛使用階段的排放差異量用ptus來(lái)表示，能源上游階段的排放差異量用ptub來(lái)表示。設(shè)LNG車(chē)單位行駛里程消耗的液化天然氣為a，設(shè)柴油車(chē)單位行駛里程消耗的柴油為b，L表示車(chē)輛生命周期總行駛里程數(shù)。

首先分別構(gòu)建LNG車(chē)、柴油車(chē)單位行駛里程的排放矩陣PSL和PSC：

式中，pslj、pscj分別為L(zhǎng)NG車(chē)和柴油車(chē)單位行駛里程第j種污染物的排放量；u1、u2分別為L(zhǎng)NG車(chē)和柴油車(chē)行駛過(guò)程中污染物排放的種類(lèi)數(shù)。

假設(shè)u1≥u2，同理，引入分塊矩陣，構(gòu)建LNG車(chē)和柴油車(chē)單位行駛里程的排放差異矩陣PTUS：

則在車(chē)輛使用階段，LNG車(chē)和柴油車(chē)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(chǎn)單位液化天然氣和生產(chǎn)單位柴油時(shí)第j種污染物的排放量；w1、w2分別為L(zhǎng)NG車(chē)和柴油車(chē)制造過(guò)程中污染物排放的種類(lèi)數(shù)。

假設(shè)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(chē)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(chē)和柴油車(chē)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(gòu)建某款重型商用車(chē)回收利用階段的污染物排放矩陣PTR：

式中，e為重型商用車(chē)的回收利用的工序數(shù)；z為回收利用階段污染物的排放種類(lèi)數(shù)。

同理，參照矩陣PTWD，可以構(gòu)建LNG車(chē)與柴油車(chē)在回收利用階段的污染物排放差異矩陣PTRD，并計(jì)算出排放差異量ptrdj?？紤]到目前LNG重型商用車(chē)在市場(chǎng)上推廣時(shí)間不長(zhǎng)，回收利用階段的相關(guān)數(shù)據(jù)較難搜集，所以本文在實(shí)證研究時(shí)暫未考慮。

1.8 全生命周期綜合排放差異

將各個(gè)階段LNG車(chē)與柴油車(chē)的污染物排放差異求和，就可以計(jì)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(shí)證分析

2.1 評(píng)價(jià)對(duì)象選擇

本文按照以下原則選擇評(píng)價(jià)對(duì)象：①必須為同一級(jí)別的車(chē)型，車(chē)身外廓尺寸相同，質(zhì)量差別較??；②非車(chē)用動(dòng)力系統(tǒng)變革所帶來(lái)的差別應(yīng)盡可能小，以便于體現(xiàn)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的差異；③應(yīng)是各自能源動(dòng)力系統(tǒng)的代表性車(chē)型，動(dòng)力、排放技術(shù)處于同級(jí)別車(chē)領(lǐng)先水平，氣體發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率相近；④兩種類(lèi)型的車(chē)輛必須具有相同或盡可能接近的駕乘感受、動(dòng)力性、舒適性、安全性。

經(jīng)過(guò)篩選，本文選定某公司生產(chǎn)銷(xiāo)售的LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)作為實(shí)證研究對(duì)象，這兩種車(chē)型是同一平臺(tái)的柴油版本和LNG版本，車(chē)型基本參數(shù)如表1所示。

表1 兩種車(chē)型的基本參數(shù)

本文實(shí)證研究數(shù)據(jù)來(lái)源為某公司2011年7月至2012年10月間生產(chǎn)銷(xiāo)售的LNG攪拌車(chē)（產(chǎn)品型號(hào)SQR5251GJBN6T4-1／發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)YC6MK375N）和柴油攪拌車(chē)（產(chǎn)品型號(hào)SQR5250GJND6T4-1／發(fā) 動(dòng) 機(jī) 型 號(hào)YC6K10380）。說(shuō)明如下：①車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)選取了武漢、重慶、昆明、合肥、深圳、惠州6個(gè)試驗(yàn)單位有完整數(shù)據(jù)記錄的62臺(tái)車(chē)超過(guò)35000km的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；②LNG發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)均采集自某公司AVL發(fā)動(dòng)機(jī)綜合測(cè)試臺(tái)架（含煙度儀）；③數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2011年10月7日至2012年9月30日。

實(shí)證研究對(duì)象的主要差異情況如表2所示。需要說(shuō)明的是：①由于地域和地形差異，LNG攪拌車(chē)氣耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較為發(fā)散，百公里氣耗為57～120L，為更客觀地評(píng)估評(píng)價(jià)效果，我們選取了最大值；②實(shí)證研究期間，我國(guó)采用國(guó)Ⅲ排放，試驗(yàn)柴油車(chē)采用EGR國(guó)Ⅲ路徑方式，不需要后處理裝置，故實(shí)證車(chē)輛差異件僅存在于燃料供給系統(tǒng)；若排放標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)Ⅳ以上，兩者差異將包含后處理系統(tǒng)的差異等。

表2 兩種車(chē)型的主要差異

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

本模型在采集基礎(chǔ)清單數(shù)據(jù)時(shí)，除了考慮材料獲取階段的環(huán)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(huán)境排放情況。材料和能源排放基礎(chǔ)清單數(shù)據(jù)主要取自于北京工業(yè)大學(xué)中國(guó)材料生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)，并參考文獻(xiàn)［9-13］，時(shí)間邊界為2008-2009年，技術(shù)水平反映我國(guó)的平均水平。

本文設(shè)定LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)的壽命為5年（年均80 000km），在綜合工況下進(jìn)行比較，然后將采集到的清單數(shù)據(jù)代入評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用MATLAB軟件編寫(xiě)程序計(jì)算得出LNG攪拌車(chē)與柴油攪拌車(chē)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(chē)生命周期污染物排放差異

從計(jì)算結(jié)果可以看出，該款LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)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(guò)程中發(fā)生不完全燃燒或有部分沒(méi)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(shí)LNG攪拌車(chē)的NMHC僅占HC排放量的6.88%，說(shuō)明此情況較嚴(yán)重。這進(jìn)一步說(shuō)明在當(dāng)前氣體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平下，天然氣這一清潔能源的減排潛力還沒(méi)有被完全挖掘出來(lái)。

LNG攪拌車(chē)與柴油攪拌車(chē)的CO2排放差異量對(duì)比如表4、圖2和圖3所示。

表4 LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)生命周期CO2排放差異 kg

圖2 LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)使用階段的CO2排放差異

圖3 LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)全生命周期CO2排放差異

從計(jì)算結(jié)果可以看出，該款LNG攪拌車(chē)和柴油攪拌車(chē)使用階段的CO2排放量分別占全生命周期的86.49%和84.59%，說(shuō)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(wú)論是使用階段還是全生命周期，LNG攪拌車(chē)的CO2排放量都比柴油攪拌車(chē)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(shuō)明了當(dāng)前氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的減排潛力還有很大的提升空間。

3 結(jié)論

（1）以往的研究?jī)H從燃料視角出發(fā)，未考慮車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行情況的排放結(jié)果顯然不科學(xué)，本文結(jié)合具體車(chē)型，從車(chē)輛全生命周期視角出發(fā)，得出更為準(zhǔn)確的環(huán)境排放評(píng)價(jià)結(jié)論。

（2）LNG重型商用車(chē)和柴油重型商用車(chē)相比，排放結(jié)果與理想值相差較大，主要是由于當(dāng)前LNG發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平較低，所以開(kāi)發(fā)出高效可靠的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)才能充分發(fā)揮其減排優(yōu)勢(shì)。

（3）從實(shí)證研究可以看出，LNG重型商用車(chē)和柴油重型商用車(chē)的全生命周期環(huán)境排放差異主要體現(xiàn)在使用階段，但是，隨著重型商用車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的迅速升級(jí)以及強(qiáng)制回收政策的實(shí)施，后處理系統(tǒng)將日漸復(fù)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(huán)境排放差異量，這也是今后需要關(guān)注和繼續(xù)研究的方向。

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