李恩光，李毓，馮美寧，趙航，吳丹

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

天然氣作為目前常用的汽車替代燃料，來源豐富、經(jīng)濟(jì)性好、污染物排放量少、安全性高。天然氣的大力推廣，緩解了石油資源緊缺對我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約。天然氣價(jià)格受供需關(guān)系影響較大，在不同區(qū)域價(jià)格有所不同，如圖1，近半年LNG 液體出廠價(jià)格區(qū)間為3656-5611 元/噸。較大的價(jià)格波動(dòng)使得天然氣汽車的經(jīng)濟(jì)性成為制約整車性能的關(guān)鍵。本文針對天然氣重型貨車可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行介紹，并針對每個(gè)細(xì)分節(jié)能技術(shù)研究節(jié)能路徑及發(fā)展。

1 天然氣重型貨車發(fā)展現(xiàn)狀

天然氣重型貨車即匹配天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的重型貨車，根據(jù)燃料的形態(tài)可以分為CNG（壓縮天然氣）重型貨車和LNG（液化天然氣）重型貨車。LNG 燃料存儲(chǔ)、運(yùn)輸便利[1]，且LNG車輛續(xù)駛里程可有效滿足用戶長距離運(yùn)輸需求，同時(shí)，LNG車輛的環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯優(yōu)于柴油車輛，因此，現(xiàn)階段LNG 重型貨車發(fā)展日趨向好[2]。因此，從圖2 可看出，截至2018 年12 月，我國天然氣重型貨車?yán)塾?jì)銷量已達(dá)23 萬輛，加氣站保有量超過8400 座，均位居世界第一位。

2 天然氣重型貨車節(jié)能技術(shù)

2.1 節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

出于保障能源安全、緩解污染等目的，全球主要國家陸續(xù)加嚴(yán)油耗法規(guī)，汽車節(jié)能水平也不斷提升。由于燃?xì)廛嚺c柴油車主要的差異在于燃料的不同，因此柴油車的節(jié)能技術(shù)的發(fā)展一定程度上為天然氣車提供了方向。日本商用車以輕型載貨車為主，其采用主要的節(jié)能技術(shù)為動(dòng)力總成優(yōu)化和混合動(dòng)力。美國中重型貨車主要的節(jié)能手段則為空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化，原因在于美國高速公路發(fā)達(dá)，車輛行駛速度較高，降低風(fēng)阻可節(jié)能15%~25%[3]。除優(yōu)化動(dòng)力學(xué)外，美國將逐步應(yīng)用朗肯循環(huán)、余熱回收、輕量化、駕駛行為優(yōu)化等技術(shù)進(jìn)一步降低能耗。近年來，歐盟連續(xù)出臺的碳排放標(biāo)準(zhǔn)有效促進(jìn)歐洲汽車節(jié)能技術(shù)的不斷提升。動(dòng)力總成優(yōu)化、空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化、智能駕駛技術(shù)是歐洲載貨汽車的三大節(jié)能手段。我國重型載貨汽車主要通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到節(jié)能目的，陸續(xù)出臺的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012- 2020）》《中國制造2025》等戰(zhàn)略規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)也進(jìn)一步促進(jìn)了節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

圖1 LNG 液體出廠價(jià)格曲線

圖2 天然氣重型貨車節(jié)能技術(shù)

2.2 節(jié)能技術(shù)研究

基于天然氣重型貨車的特點(diǎn)，其可采用的主要節(jié)能技術(shù)有：燃燒技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)附件降功耗、車用設(shè)備、控制策略管理、傳遞效率、行駛阻力、輕量化技術(shù)、智能化技術(shù)、混合動(dòng)力技術(shù)，如圖3 所示。

圖3 天然氣重型貨車細(xì)分節(jié)能技術(shù)

2.2.1 燃燒技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)可采用米勒循環(huán)，有機(jī)朗肯循環(huán)回收（ORC），可變壓縮比來降低氣耗。米勒循環(huán)可通過改變進(jìn)氣門關(guān)閉角度控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，減少了部分負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失，改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低燃料消耗。有機(jī)朗肯循環(huán)則通過回收排氣能量，采用螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出?？勺儔嚎s比可以在小負(fù)荷低轉(zhuǎn)速時(shí)采用較大壓縮比提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率；大負(fù)荷高轉(zhuǎn)速時(shí)采用低壓縮比降低機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。

2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)附件節(jié)能

圖4 可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)附件損耗對車輛運(yùn)行氣耗影響較大，目前重型貨車以機(jī)械附件為主，可從附件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電控化進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)附件節(jié)能。進(jìn)氣系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以降低進(jìn)氣阻力，常用途徑為直流空濾器；發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的優(yōu)化可以增加可燃的燃?xì)饬浚岣吡巳紵?，常用途徑有小渦輪高效增壓器、VGT 可變截面渦輪增壓器、雙渦輪增壓和雙增壓；排氣系統(tǒng)可以通過優(yōu)化排氣管路，降低排氣背壓，常用途徑為方形后處理箱體；空壓機(jī)可通過提高效率，減少工作時(shí)間來降低氣耗，常用途徑有自卸荷空壓機(jī)，離合器空壓機(jī)，節(jié)能型電動(dòng)空壓機(jī)等；冷卻系統(tǒng)主要通過降低水泵和風(fēng)扇的功率消耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能，包括提高風(fēng)扇效率，中冷器的合適匹配，低水阻的散熱器和節(jié)溫器等；小附件電控化可考慮電子機(jī)油泵以及電子水泵。

2.2.3 車用電子設(shè)備

隨著重型貨車駕駛員的低齡化，對汽車安全、娛樂需求的不斷提高，車用電子設(shè)備逐步增多，降低車用設(shè)備功耗也成為重型貨車重要的節(jié)能手段，例如已批量應(yīng)用推廣的高效電動(dòng)智能空調(diào)，就是有效措施之一。

圖4 天然氣重型貨車能量平衡圖

2.2.4 控制策略管理

控制策略管理主要是通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)長來達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)可結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷需求，優(yōu)化風(fēng)扇控制邏輯，保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)，降低附件消耗，從而降低整車氣耗。另外可通過車輛實(shí)際運(yùn)行工況，制定按需輸出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的控制策略，可有效控制燃?xì)庀摹?/p>

2.2.5 傳遞效率

高效傳動(dòng)技術(shù)可以從發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向、變速器、驅(qū)動(dòng)橋、傳動(dòng)軸、液壓系統(tǒng)、電磁閥等方面提高傳遞效率，降低能量損耗。目前濰柴低速大扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、小速比驅(qū)動(dòng)橋的同步應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高效傳動(dòng)，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。AMT 的應(yīng)用可以降低駕駛習(xí)慣對整車氣耗的影響，目前重型貨車已開始逐步配備AMT。多檔位的變速箱也有利于效率的提升，在某些細(xì)分領(lǐng)域，重型貨車變速箱檔位可達(dá)16 檔。通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部齒輪、軸承可以提高傳遞效率，降低傳遞損失。在轉(zhuǎn)向方面，重型貨車目前主要應(yīng)用液壓助力轉(zhuǎn)向，逐步開發(fā)應(yīng)用的根據(jù)轉(zhuǎn)速不同調(diào)整排量的轉(zhuǎn)向泵可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)能量消耗0.4275Kw/100Km。傳動(dòng)軸方面可以通過降低傳動(dòng)軸自重減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，目前可預(yù)見的有鋁合金傳動(dòng)軸。液壓系統(tǒng)可通過縮短管道，減少彎管數(shù)量降低液壓損失。低功耗電磁閥的大量應(yīng)用也可實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

2.2.6 行駛阻力

影響天然氣重型貨車氣耗的行駛阻力主要為整車滾動(dòng)阻力和整車風(fēng)阻。整車滾動(dòng)阻力主要相關(guān)部件為輪胎，低滾阻輪胎、自動(dòng)胎壓調(diào)整、單寬胎均可降低滾動(dòng)阻力。國際上先進(jìn)水平的輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)在5.5~6.9[3]，國內(nèi)重型貨車采用的低滾阻輪胎阻力系數(shù)一階段已可降至5.2，二階段可降至4.5。自動(dòng)胎壓調(diào)整由于成本原因，在重型貨車上的應(yīng)用較少，但可實(shí)現(xiàn)的胎壓監(jiān)測功能也可間接減少滾動(dòng)阻力。單寬胎可以通過減少接觸面積進(jìn)而降低滾動(dòng)阻力，目前天然氣重型貨車已有搭載應(yīng)用。整車風(fēng)阻主要相關(guān)部件為車身及底盤。車身主要通過優(yōu)化后視鏡外觀流線型、駕駛室本體結(jié)構(gòu)、遮陽罩、前面罩、保險(xiǎn)杠、進(jìn)氣格柵來優(yōu)化風(fēng)阻系數(shù)。國際先進(jìn)載貨汽車奔馳Acros 整車風(fēng)阻系數(shù)為0.46[3]，國內(nèi)車企整車風(fēng)阻系數(shù)目前可達(dá)0.513?？缮祵?dǎo)流罩、自動(dòng)進(jìn)氣格柵等設(shè)計(jì)已經(jīng)開始逐步應(yīng)用于重型載貨車。同時(shí)各主流整車廠已開始逐步推出半長頭重型載貨車，流線型車身本體有利于風(fēng)阻的進(jìn)一步降低。

2.2.7 輕量化技術(shù)

整車輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能的重要途徑[4]。整車整備質(zhì)量降低，可載貨物質(zhì)量相應(yīng)增加，單位質(zhì)量貨物百公里消耗的燃料相應(yīng)降低。目前重型貨車主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕質(zhì)材料的應(yīng)用降低整車重量。結(jié)構(gòu)優(yōu)化常用途徑有整體式尾梁，平衡軸優(yōu)化，無副梁沖壓氣瓶框架、免維護(hù)轉(zhuǎn)向軸、輕量化 擋泥板等，輕質(zhì)材料應(yīng)用常用途徑有鋁合金輪輞、鋁合金輪轂等。

2.2.8 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)主要有道路預(yù)見性系統(tǒng)，車輛隊(duì)列，駕駛行為評分及不良駕駛行為提醒等。目前，國內(nèi)陜西重型貨車的自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了試運(yùn)行，結(jié)合天行健后臺大數(shù)據(jù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了駕駛行為評分及不良駕駛行為提醒。

2.2.9 混合動(dòng)力技術(shù)

重型貨車目前混合動(dòng)力主要方向有HPDI、HCNG 以及甲醇柴油混合。其中HPDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率與柴油機(jī)相同，比燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)高5%，綜合氣耗可降低15%~20%，HCNG 通過氫氣和天然氣的混合，熱效率可大幅提高。甲醇柴油混合保證動(dòng)力性的同時(shí)和柴油機(jī)相比有更低的排放。

3 結(jié)論

未來天然氣重型貨車將主要通過動(dòng)力總成升級，混合動(dòng)力以及智能網(wǎng)聯(lián)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。隨著柴油機(jī)節(jié)能步伐的加快，小速比后橋、朗肯循環(huán)等技術(shù)也會(huì)逐步在天然氣重型貨車上進(jìn)行搭載，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廛嚨墓?jié)能。HPDI 和HCNG 等燃?xì)廛囂赜械幕旌蟿?dòng)力前景也更加廣闊。隨著人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，新型節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)逐步增多。天然氣重卡未來將向低碳化、輕量化和智能化方向發(fā)展。