天然氣重型貨車節能技術發展路徑

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、經濟性好、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經濟發展的制約。天然氣價格受供需關系影響較大，在不同區域價格有所不同，如圖1，近半年LNG 液體出廠價格區間為3656-5611 元/噸。較大的價格波動使得天然氣汽車的經濟性成為制約整車性能的關鍵。本文針對天然氣重型貨車可實現的節能技術進行介紹，并針對每個細分節能技術研究節能路徑及發展。

1 天然氣重型貨車發展現狀

天然氣重型貨車即匹配天然氣發動機的重型貨車，根據燃料的形態可以分為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、運輸便利[1]，且LNG車輛續駛里程可有效滿足用戶長距離運輸需求，同時，LNG車輛的環保性及經濟性優勢明顯優于柴油車輛，因此，現階段LNG 重型貨車發展日趨向好[2]。因此，從圖2 可看出，截至2018 年12 月，我國天然氣重型貨車累計銷量已達23 萬輛，加氣站保有量超過8400 座，均位居世界第一位。

2 天然氣重型貨車節能技術

2.1 節能技術現狀

出于保障能源安全、緩解污染等目的，全球主要國家陸續加嚴油耗法規，汽車節能水平也不斷提升。由于燃氣車與柴油車主要的差異在于燃料的不同，因此柴油車的節能技術的發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，其采用主要的節能技術為動力總成優化和混合動力。美國中重型貨車主要的節能手段則為空氣動力學性能優化，原因在于美國高速公路發達，車輛行駛速度較高，降低風阻可節能15%~25%[3]。除優化動力學外，美國將逐步應用朗肯循環、余熱回收、輕量化、駕駛行為優化等技術進一步降低能耗。近年來，歐盟連續出臺的碳排放標準有效促進歐洲汽車節能技術的不斷提升。動力總成優化、空氣動力學性能優化、智能駕駛技術是歐洲載貨汽車的三大節能手段。我國重型載貨汽車主要通過提高發動機熱效率達到節能目的，陸續出臺的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012- 2020）》《中國制造2025》等戰略規劃和標準法規也進一步促進了節能技術的發展。

圖1 LNG 液體出廠價格曲線

圖2 天然氣重型貨車節能技術

2.2 節能技術研究

基于天然氣重型貨車的特點，其可采用的主要節能技術有：燃燒技術、發動機附件降功耗、車用設備、控制策略管理、傳遞效率、行駛阻力、輕量化技術、智能化技術、混合動力技術，如圖3 所示。

圖3 天然氣重型貨車細分節能技術

2.2.1 燃燒技術

發動機燃燒技術可采用米勒循環，有機朗肯循環回收（ORC），可變壓縮比來降低氣耗。米勒循環可通過改變進氣門關閉角度控制發動機負荷，減少了部分負荷下發動機的泵氣損失，改善發動機熱效率，降低燃料消耗。有機朗肯循環則通過回收排氣能量，采用螺桿膨脹機進行動力輸出。可變壓縮比可以在小負荷低轉速時采用較大壓縮比提高發動機熱效率；大負荷高轉速時采用低壓縮比降低機械負荷和熱負荷。

2.2.2 發動機附件節能

圖4 可看出，發動機及發動機附件損耗對車輛運行氣耗影響較大，目前重型貨車以機械附件為主，可從附件的結構優化和電控化進行發動機附件節能。進氣系統通過結構優化可以降低進氣阻力，常用途徑為直流空濾器；發動機增壓器的優化可以增加可燃的燃氣量，提高了燃燒效率，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；排氣系統可以通過優化排氣管路，降低排氣背壓，常用途徑為方形后處理箱體；空壓機可通過提高效率，減少工作時間來降低氣耗，常用途徑有自卸荷空壓機，離合器空壓機，節能型電動空壓機等；冷卻系統主要通過降低水泵和風扇的功率消耗實現節能，包括提高風扇效率，中冷器的合適匹配，低水阻的散熱器和節溫器等；小附件電控化可考慮電子機油泵以及電子水泵。

2.2.3 車用電子設備

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，車用電子設備逐步增多，降低車用設備功耗也成為重型貨車重要的節能手段，例如已批量應用推廣的高效電動智能空調，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動機噴氣量，發動機輸出扭矩，發動機工作時長來達到節能的目的。同時可結合發動機的熱負荷需求，優化風扇控制邏輯，保證發動機始終處于最佳工作狀態，降低附件消耗，從而降低整車氣耗。另外可通過車輛實際運行工況，制定按需輸出發動機扭矩的控制策略，可有效控制燃氣消耗。

2.2.5 傳遞效率

高效傳動技術可以從發動機、轉向、變速器、驅動橋、傳動軸、液壓系統、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動機、變速器、小速比驅動橋的同步應用實現了高效傳動，處于行業領先地位。AMT 的應用可以降低駕駛習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，在某些細分領域，重型貨車變速箱檔位可達16 檔。通過優化驅動橋內部齒輪、軸承可以提高傳遞效率，降低傳遞損失。在轉向方面，重型貨車目前主要應用液壓助力轉向，逐步開發應用的根據轉速不同調整排量的轉向泵可以降低發動機能量消耗0.4275Kw/100Km。傳動軸方面可以通過降低傳動軸自重減小轉動慣量，目前可預見的有鋁合金傳動軸。液壓系統可通過縮短管道，減少彎管數量降低液壓損失。低功耗電磁閥的大量應用也可實現節能效果。

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阻力和整車風阻。整車滾動阻力主要相關部件為輪胎，低滾阻輪胎、自動胎壓調整、單寬胎均可降低滾動阻力。國際上先進水平的輪胎滾動阻力系數在5.5~6.9[3]，國內重型貨車采用的低滾阻輪胎阻力系數一階段已可降至5.2，二階段可降至4.5。自動胎壓調整由于成本原因，在重型貨車上的應用較少，但可實現的胎壓監測功能也可間接減少滾動阻力。單寬胎可以通過減少接觸面積進而降低滾動阻力，目前天然氣重型貨車已有搭載應用。整車風阻主要相關部件為車身及底盤。車身主要通過優化后視鏡外觀流線型、駕駛室本體結構、遮陽罩、前面罩、保險杠、進氣格柵來優化風阻系數。國際先進載貨汽車奔馳Acros 整車風阻系數為0.46[3]，國內車企整車風阻系數目前可達0.513。可升降導流罩、自動進氣格柵等設計已經開始逐步應用于重型載貨車。同時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阻的進一步降低。

2.2.7 輕量化技術

整車輕量化是實現汽車節能的重要途徑[4]。整車整備質量降低，可載貨物質量相應增加，單位質量貨物百公里消耗的燃料相應降低。目前重型貨車主要通過結構優化及輕質材料的應用降低整車重量。結構優化常用途徑有整體式尾梁，平衡軸優化，無副梁沖壓氣瓶框架、免維護轉向軸、輕量化 擋泥板等，輕質材料應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

智能化技術主要有道路預見性系統，車輛隊列，駕駛行為評分及不良駕駛行為提醒等。目前，國內陜西重型貨車的自動駕駛技術已經進行了試運行，結合天行健后臺大數據已經實現了駕駛行為評分及不良駕駛行為提醒。

2.2.9 混合動力技術

重型貨車目前混合動力主要方向有HPDI、HCNG 以及甲醇柴油混合。其中HPDI 發動機的熱效率與柴油機相同，比燃氣發動機高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力性的同時和柴油機相比有更低的排放。

3 結論

未來天然氣重型貨車將主要通過動力總成升級，混合動力以及智能網聯進一步實現節能。隨著柴油機節能步伐的加快，小速比后橋、朗肯循環等技術也會逐步在天然氣重型貨車上進行搭載，實現燃氣車的節能。HPDI 和HCNG 等燃氣車特有的混合動力前景也更加廣闊。隨著人工智能的進一步發展，新型節能技術的應用也會逐步增多。天然氣重卡未來將向低碳化、輕量化和智能化方向發展。