天然气重型货车节能技术发展路径

前言

天然气作为目前常用的汽车替代燃料，来源丰富、经济性好、污染物排放量少、安全性高。天然气的大力推广，缓解了石油资源紧缺对我国工业经济发展的制约。天然气价格受供需关系影响较大，在不同区域价格有所不同，如图1，近半年LNG 液体出厂价格区间为3656-5611 元/吨。较大的价格波动使得天然气汽车的经济性成为制约整车性能的关键。本文针对天然气重型货车可实现的节能技术进行介绍，并针对每个细分节能技术研究节能路径及发展。

1 天然气重型货车发展现状

天然气重型货车即匹配天然气发动机的重型货车，根据燃料的形态可以分为CNG（压缩天然气）重型货车和LNG（液化天然气）重型货车。LNG 燃料存储、运输便利[1]，且LNG车辆续驶里程可有效满足用户长距离运输需求，同时，LNG车辆的环保性及经济性优势明显优于柴油车辆，因此，现阶段LNG 重型货车发展日趋向好[2]。因此，从图2 可看出，截至2018 年12 月，我国天然气重型货车累计销量已达23 万辆，加气站保有量超过8400 座，均位居世界第一位。

2 天然气重型货车节能技术

2.1 节能技术现状

出于保障能源安全、缓解污染等目的，全球主要国家陆续加严油耗法规，汽车节能水平也不断提升。由于燃气车与柴油车主要的差异在于燃料的不同，因此柴油车的节能技术的发展一定程度上为天然气车提供了方向。日本商用车以轻型载货车为主，其采用主要的节能技术为动力总成优化和混合动力。美国中重型货车主要的节能手段则为空气动力学性能优化，原因在于美国高速公路发达，车辆行驶速度较高，降低风阻可节能15%~25%[3]。除优化动力学外，美国将逐步应用朗肯循环、余热回收、轻量化、驾驶行为优化等技术进一步降低能耗。近年来，欧盟连续出台的碳排放标准有效促进欧洲汽车节能技术的不断提升。动力总成优化、空气动力学性能优化、智能驾驶技术是欧洲载货汽车的三大节能手段。我国重型载货汽车主要通过提高发动机热效率达到节能目的，陆续出台的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012- 2020）》《中国制造2025》等战略规划和标准法规也进一步促进了节能技术的发展。

图1 LNG 液体出厂价格曲线

图2 天然气重型货车节能技术

2.2 节能技术研究

基于天然气重型货车的特点，其可采用的主要节能技术有：燃烧技术、发动机附件降功耗、车用设备、控制策略管理、传递效率、行驶阻力、轻量化技术、智能化技术、混合动力技术，如图3 所示。

图3 天然气重型货车细分节能技术

2.2.1 燃烧技术

发动机燃烧技术可采用米勒循环，有机朗肯循环回收（ORC），可变压缩比来降低气耗。米勒循环可通过改变进气门关闭角度控制发动机负荷，减少了部分负荷下发动机的泵气损失，改善发动机热效率，降低燃料消耗。有机朗肯循环则通过回收排气能量，采用螺杆膨胀机进行动力输出。可变压缩比可以在小负荷低转速时采用较大压缩比提高发动机热效率；大负荷高转速时采用低压缩比降低机械负荷和热负荷。

2.2.2 发动机附件节能

图4 可看出，发动机及发动机附件损耗对车辆运行气耗影响较大，目前重型货车以机械附件为主，可从附件的结构优化和电控化进行发动机附件节能。进气系统通过结构优化可以降低进气阻力，常用途径为直流空滤器；发动机增压器的优化可以增加可燃的燃气量，提高了燃烧效率，常用途径有小涡轮高效增压器、VGT 可变截面涡轮增压器、双涡轮增压和双增压；排气系统可以通过优化排气管路，降低排气背压，常用途径为方形后处理箱体；空压机可通过提高效率，减少工作时间来降低气耗，常用途径有自卸荷空压机，离合器空压机，节能型电动空压机等；冷却系统主要通过降低水泵和风扇的功率消耗实现节能，包括提高风扇效率，中冷器的合适匹配，低水阻的散热器和节温器等；小附件电控化可考虑电子机油泵以及电子水泵。

2.2.3 车用电子设备

随着重型货车驾驶员的低龄化，对汽车安全、娱乐需求的不断提高，车用电子设备逐步增多，降低车用设备功耗也成为重型货车重要的节能手段，例如已批量应用推广的高效电动智能空调，就是有效措施之一。

图4 天然气重型货车能量平衡图

2.2.4 控制策略管理

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