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

涂小岳 楊沿平 徐建全，2 陳軼嵩

1.湖南大學汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙，410082 2.福建農(nóng)林大學，福州，350002

0 引言

液化天然氣（liquified natural gas，LNG）替代柴油作為汽車燃料已成為重型商用車領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向［1-2］。然而LNG重型商用車和柴油車相比對環(huán)境有何影響，在一輪又一輪的技術(shù)變革中，這些影響又會發(fā)生怎樣的變化，這些問題值得人們研究。由于LNG重型商用車是一個新興產(chǎn)業(yè)，目前國內(nèi)外學者對其研究較少，尚沒有取得較成熟的、系統(tǒng)性的研究成果。這些問題都必須通過對LNG重型商用車進行全生命周期評價才能得到全面和科學的認知。

本文基于產(chǎn)品生命周期評價理論［3-8］，構(gòu)建了LNG重型商用車與柴油重型商用車的生命周期環(huán)境排放差異評價模型，并選取某公司已生產(chǎn)銷售并投入實際運營的某同一平臺LNG攪拌車和柴油攪拌車作為實證研究對象驗證前述模型，系統(tǒng)地評價了全生命周期（包括材料獲取與制備、零部件加工及整車裝配、車輛運行使用以及報廢回收過程）的環(huán)境排放差異，所得結(jié)論可為我國制定LNG汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策提供參考，也可為LNG汽車企業(yè)開拓新市場提供幫助，亦可為科研工作者開展相關(guān)研究提供借鑒。

1 評價模型

建立環(huán)境排放差異評價模型旨在描述LNG重型商用車與柴油重型商用車生命周期排放差異，該模型從生命周期的角度出發(fā)，全面研究LNG車和柴油車從資源獲取、材料制備到零部件加工、整車裝配再到使用、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車和柴油車的質(zhì)量差異矩陣，一方面可以全面完整地描述現(xiàn)有LNG車和柴油車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)量矩陣而導致的龐大計算量和后期排放計算的復(fù)雜迭代，同時，為將來技術(shù)發(fā)展的新型LNG車和柴油車設(shè)計變更而導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車和柴油車的功能性差異模塊主要集中在發(fā)動機（包括燃油供給系統(tǒng)）和后處理系統(tǒng)，其他如傳動系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、功能模塊和專用上裝并沒有特殊變更，本文不對LNG車和柴油車的車型設(shè)計細節(jié)做深入探討，僅考慮直接導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)重型商用車的零部件數(shù)量和材料構(gòu)成情況，分別構(gòu)建LNG車的質(zhì)量矩陣ML和柴油車的質(zhì)量矩陣MC：

式中，k、n分別為LNG車所包含的零部件數(shù)量和材料種類數(shù)；q、p分別為柴油車所包含的零部件數(shù)量和材料種類數(shù)。

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

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

MD還可聚縮為

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

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

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

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

同理，當n＜p，k＜q；n＞p，k＜q以及n＜p，k＞q時，也可分別寫出相應(yīng)的質(zhì)量差異矩陣MD以及對應(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程中的利用率矩陣ηp為n階對角矩陣，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程（從原礦石到材料）中的利用率矩陣ηq為n階對角矩陣，則可得到LNG車和柴油車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)境排放強度矩陣PO：

式中，c為資源獲取階段的污染物排放種類數(shù)；poi，j為獲取單位質(zhì)量的第i種材料對應(yīng)資源獲取過程中第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

對矩陣PTO的第j列求和，就得到資源獲取階段某款LNG車和柴油車相比，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)建重型商用車材料制備階段的排放強度矩陣PB：

式中，d為材料制備階段的污染物排放種類數(shù)；pbi，j為制備單位質(zhì)量的第i種材料過程中第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

對矩陣PTB的第j列求和，得到材料制備階段該款LNG車和柴油車相比，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、柴油車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LNG車和柴油車零部件加工階段的污染 物 排放種類數(shù) ；ptwli，j、ptwli，j分別為LNG車 和柴油車第i種零部件加工過程中排放的第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LNG車與柴油車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車和柴油車相比較，加工第i種零部件時排放的第j種污染物的差異量。當k ＞q，m ＞o時，ptwdi，j＝ptwli，j。

對矩陣PTWD的第j列求和，就得到零部件加工階段，LNG車與柴油車相比，第j種污染物的排放差異量：

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

1.5 整車裝配階段的排放差異

構(gòu)建重型商用車整車裝配階段的污染物排放矩陣PTA：

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

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

1.6 使用階段的排放差異

在對LNG車和柴油車使用階段的污染物排放進行計算時，不僅要考慮車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的上游排放情況，車輛使用階段的排放差異量用ptus來表示，能源上游階段的排放差異量用ptub來表示。設(shè)LNG車單位行駛里程消耗的液化天然氣為a，設(shè)柴油車單位行駛里程消耗的柴油為b，L表示車輛生命周期總行駛里程數(shù)。

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

式中，pslj、pscj分別為LNG車和柴油車單位行駛里程第j種污染物的排放量；u1、u2分別為LNG車和柴油車行駛過程中污染物排放的種類數(shù)。

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

則在車輛使用階段，LNG車和柴油車第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)單位柴油時第j種污染物的排放量；w1、w2分別為LNG車和柴油車制造過程中污染物排放的種類數(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車和柴油車的第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)建某款重型商用車回收利用階段的污染物排放矩陣PTR：

式中，e為重型商用車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數(shù)。

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

1.8 全生命周期綜合排放差異

將各個階段LNG車與柴油車的污染物排放差異求和，就可以計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 實證分析

2.1 評價對象選擇

本文按照以下原則選擇評價對象：①必須為同一級別的車型，車身外廓尺寸相同，質(zhì)量差別較??；②非車用動力系統(tǒng)變革所帶來的差別應(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)是各自能源動力系統(tǒng)的代表性車型，動力、排放技術(shù)處于同級別車領(lǐng)先水平，氣體發(fā)動機和柴油發(fā)動機的額定功率相近；④兩種類型的車輛必須具有相同或盡可能接近的駕乘感受、動力性、舒適性、安全性。

經(jīng)過篩選，本文選定某公司生產(chǎn)銷售的LNG攪拌車和柴油攪拌車作為實證研究對象，這兩種車型是同一平臺的柴油版本和LNG版本，車型基本參數(shù)如表1所示。

表1 兩種車型的基本參數(shù)

本文實證研究數(shù)據(jù)來源為某公司2011年7月至2012年10月間生產(chǎn)銷售的LNG攪拌車（產(chǎn)品型號SQR5251GJBN6T4-1／發(fā)動機型號YC6MK375N）和柴油攪拌車（產(chǎn)品型號SQR5250GJND6T4-1／發(fā) 動 機 型 號YC6K10380）。說明如下：①車輛運行數(shù)據(jù)選取了武漢、重慶、昆明、合肥、深圳、惠州6個試驗單位有完整數(shù)據(jù)記錄的62臺車超過35000km的試驗數(shù)據(jù)；②LNG發(fā)動機和柴油發(fā)動機排放數(shù)據(jù)均采集自某公司AVL發(fā)動機綜合測試臺架（含煙度儀）；③數(shù)據(jù)采集時間為2011年10月7日至2012年9月30日。

實證研究對象的主要差異情況如表2所示。需要說明的是：①由于地域和地形差異，LNG攪拌車氣耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)較為發(fā)散，百公里氣耗為57～120L，為更客觀地評估評價效果，我們選取了最大值；②實證研究期間，我國采用國Ⅲ排放，試驗柴油車采用EGR國Ⅲ路徑方式，不需要后處理裝置，故實證車輛差異件僅存在于燃料供給系統(tǒng)；若排放標準在國Ⅳ以上，兩者差異將包含后處理系統(tǒng)的差異等。

表2 兩種車型的主要差異

2.2 評價結(jié)果

本模型在采集基礎(chǔ)清單數(shù)據(jù)時，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)大學中國材料生命周期清單數(shù)據(jù)庫，并參考文獻［9-13］，時間邊界為2008-2009年，技術(shù)水平反映我國的平均水平。

本文設(shè)定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，運用MATLAB軟件編寫程序計算得出LNG攪拌車與柴油攪拌車的污染物排放差異量，如表3和圖1所示。

圖1 LNG和柴油攪拌車生命周期污染物排放差異

從計算結(jié)果可以看出，該款LNG攪拌車和柴油攪拌車相比，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程中發(fā)生不完全燃燒或有部分沒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LNG攪拌車的NMHC僅占HC排放量的6.88%，說明此情況較嚴重。這進一步說明在當前氣體發(fā)動機技術(shù)水平下，天然氣這一清潔能源的減排潛力還沒有被完全挖掘出來。

LNG攪拌車與柴油攪拌車的CO2排放差異量對比如表4、圖2和圖3所示。

表4 LNG攪拌車和柴油攪拌車生命周期CO2排放差異 kg

圖2 LNG攪拌車和柴油攪拌車使用階段的CO2排放差異

圖3 LNG攪拌車和柴油攪拌車全生命周期CO2排放差異

從計算結(jié)果可以看出，該款LNG攪拌車和柴油攪拌車使用階段的CO2排放量分別占全生命周期的86.49%和84.59%，說明使用階段的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。無論是使用階段還是全生命周期，LNG攪拌車的CO2排放量都比柴油攪拌車小，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%，這同樣也說明了當前氣體發(fā)動機的減排潛力還有很大的提升空間。

3 結(jié)論

（1）以往的研究僅從燃料視角出發(fā)，未考慮車輛實際運行情況的排放結(jié)果顯然不科學，本文結(jié)合具體車型，從車輛全生命周期視角出發(fā)，得出更為準確的環(huán)境排放評價結(jié)論。

（2）LNG重型商用車和柴油重型商用車相比，排放結(jié)果與理想值相差較大，主要是由于當前LNG發(fā)動機技術(shù)水平較低，所以開發(fā)出高效可靠的LNG發(fā)動機才能充分發(fā)揮其減排優(yōu)勢。

（3）從實證研究可以看出，LNG重型商用車和柴油重型商用車的全生命周期環(huán)境排放差異主要體現(xiàn)在使用階段，但是，隨著重型商用車排放標準的迅速升級以及強制回收政策的實施，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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