基于環(huán)境問題汽車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究

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摘要：據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，近年來日本運(yùn)輸部門的CO2排放量仍居高不下，其中源自汽車的CO2排放量約占總量的86．2％。因此，汽車仍是CO2的主要排放源之一。世界各國也一直在完善與收緊相關(guān)法規(guī)限值，以此卓有成效地改善汽車廢氣排放并降低燃油耗。著重分析了日本國內(nèi)制定的廢氣排放與燃油耗相關(guān)法規(guī)及政策的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)當(dāng)前的環(huán)保問題，介紹了近年來在日本汽車市場(chǎng)出售的新車型，并闡述了改善燃油耗與降低排放的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境保護(hù)；汽車技術(shù)；排放法規(guī)；燃油耗標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)展趨勢(shì)

時(shí)下，汽車與環(huán)境問題已成為社會(huì)各界密切關(guān)注的焦點(diǎn)，本文論述了最近一年來日本國內(nèi)汽車行業(yè)所達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，并闡述了廢氣排放法規(guī)與燃油耗法規(guī)的整體情況。同時(shí)，以2018年上市銷售的部分新車型（包括部分經(jīng)技術(shù)改良后的車型）為例，本文論述了與環(huán)境性能密切相關(guān)的汽車新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1概況

縱觀2017年的大氣污染狀況，考慮到與NO2密切相關(guān)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，普通測(cè)試點(diǎn)的達(dá)標(biāo)率為100％，汽車廢氣排放測(cè)試點(diǎn)（自行排放測(cè)試點(diǎn)）達(dá)標(biāo)率為99．7％（2016年的普通測(cè)試點(diǎn)達(dá)標(biāo)率為100％，自行排放測(cè)試點(diǎn)達(dá)標(biāo)率為99．7％）。就懸浮顆粒物質(zhì)（柴油機(jī)顆粒，SPM）方面而言，普通測(cè)試點(diǎn)達(dá)標(biāo)率為99．8％，自行排放測(cè)試點(diǎn)為100％，2016年的普通測(cè)試點(diǎn)、自行排放測(cè)試點(diǎn)達(dá)標(biāo)率均為100％。近年來，日本國內(nèi)汽車廢氣排放年平均質(zhì)量濃度也都呈遞減趨勢(shì)（圖1示出了NO及NO2濃度的年平均值）。源自汽車的污染排放指標(biāo)正在逐年降低，汽車被稱為“污染源”的狀況將不復(fù)存在。NO2的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率為99．7％。在393個(gè)有效測(cè)試點(diǎn)中，只有東京都大田區(qū)松原橋的1個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。日本政府通過對(duì)局部道路狀況及車流的控制，使空氣污染情況取得了有效控制。考慮到NO2及SPM的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率較低的情況，以柴油機(jī)排放顆粒（PM2．5）為例，普通測(cè)試點(diǎn)達(dá)標(biāo)率為89．9％，自行排放測(cè)試點(diǎn)的達(dá)標(biāo)率為86．2％（2015年普通測(cè)試點(diǎn)的達(dá)標(biāo)率為88．7％，自行排放測(cè)試點(diǎn)的達(dá)標(biāo)率為88．3％），整體呈現(xiàn)出持續(xù)改善的趨勢(shì)。就日本北部九州地區(qū)及四國地區(qū)的瀨戶內(nèi)海地域的普通測(cè)試點(diǎn)為例，仍存在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率較低的地區(qū)（圖2）。另外，以光化學(xué)氧化劑（Ox）為例，普通測(cè)試點(diǎn)、自行排放測(cè)試點(diǎn)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率均為0％，這種狀況目前仍亟待改善。另一方面，由于與Ox的生成密切相關(guān)，因而日本國內(nèi)進(jìn)一步強(qiáng)化了NO2及碳?xì)浠衔铮℉C）的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，雖然在上述領(lǐng)域已取得一定成效，但在整體上仍未得以顯著改善，依然有進(jìn)一步提升的空間。從2018年起，日本國內(nèi)廢氣排放法規(guī)中的試驗(yàn)循環(huán)由JC08工況調(diào)整為全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）工況，汽油車、液化石油氣（LPG）汽車要達(dá)到與JC08工況下的相近水平。從2018年10月開始，以重型汽車為研究對(duì)象，引進(jìn)了先進(jìn)的車載故障診斷（OBD）系統(tǒng)，并逐步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。此外，據(jù)2019年2月公布的消息稱，自2020年12月起，日本國內(nèi)將對(duì)汽油車執(zhí)行PM排放的相關(guān)法規(guī)。為了對(duì)汽車交通噪聲狀況進(jìn)行評(píng)估，調(diào)查對(duì)象約為8721400戶住戶，并在以下時(shí)段實(shí)施噪聲評(píng)價(jià)：白天（6∶00～22∶00），夜晚（22∶00～6∶00），其中有某個(gè)時(shí)段產(chǎn)生的噪聲超過了環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的居民住戶數(shù)量為532200戶（占比6．1％），與2018年的數(shù)據(jù)處于同等水平。另一方面，2017年度由日本國內(nèi)交通運(yùn)輸系統(tǒng)所排放的CO2總量為2．13×108t，相比上一年約減少0．8％。源于汽車的CO2排放量約占總量的86．2％，故目前汽車仍為CO2的主要排放源。源自汽車的CO2排放量相比2001年的峰值排放量降低約20％，與貨物運(yùn)輸密切相關(guān)的CO2排放量仍在繼續(xù)減少中。此外，與2017年相比，除私家車以外的客車CO2排放量也得以大幅減少（表1）。可認(rèn)為，專用汽車中的混合動(dòng)力汽車已在逐漸普及，并且已取得一定成果，該態(tài)勢(shì)目前仍會(huì)持續(xù)下去。近年來，美國方面也快速推進(jìn)了針對(duì)汽車燃油耗與CO2排放的改善進(jìn)程。2017年美國企業(yè)的平均燃油耗為24．9mile／g①。世界各國的汽車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)及CO2排放法規(guī)的強(qiáng)化已初見成效。考慮到燃油耗標(biāo)準(zhǔn)與CO2排放有直接聯(lián)系，相關(guān)科研人員根據(jù)2017年12月的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸納，于2019年3月29日規(guī)定了2025年重型汽車的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。就2020年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)限值而言，在進(jìn)一步削減能源消耗的形勢(shì)下，電動(dòng)汽車（EV）及插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）的推廣應(yīng)用將成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。由于燃油耗標(biāo)準(zhǔn)與稅制政策等因素密切相關(guān)，針對(duì)EV及PHEV的評(píng)價(jià)方法將對(duì)其今后的普及工作與能量轉(zhuǎn)換流程產(chǎn)生一定影響，針對(duì)該領(lǐng)域的研究方向也逐漸引起科研人員的關(guān)注。從近年的汽車燃油耗發(fā)展趨勢(shì)來看，改善燃油耗的技術(shù)已被世界各國廣泛采用，進(jìn)一步改善燃油耗的趨勢(shì)仍在繼續(xù)。目前，汽車的混合動(dòng)力化進(jìn)程已取得一定成果。在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，除了日產(chǎn)汽車公司向國外市場(chǎng)投放了可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)之外，由馬自達(dá)公司推出的采用高效燃燒控制技術(shù)的SKYACTIV－X機(jī)型同樣也已投放市場(chǎng)。另一方面，主動(dòng)采納這類技術(shù)的企業(yè)并不多，車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)展并不顯著。近年來以車型的升級(jí)換代為契機(jī)，燃油耗居高不下的情況依然普遍存在。每當(dāng)先進(jìn)技術(shù)得以投入使用，就會(huì)在一定程度上改善燃油耗限值。究其原因，總體上有如下3點(diǎn)：（1）由于安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用，車輛自重有所增加；（2）自2016年以后，對(duì)于滿足2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)而言，通過企業(yè)平均燃油耗標(biāo)準(zhǔn)（CAFE）而進(jìn)一步改善燃油耗的效果并不顯著，致使部分車型的燃油經(jīng)濟(jì)性反而惡化；（3）由于車輛其他性能的提升，致使燃油耗同樣有所惡化。由此出發(fā)，充分優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力總成，并采用其他相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，逐步達(dá)到了改善汽車燃油耗的目的。

2車輛環(huán)保技術(shù)的發(fā)展情況

下文以2018年度投放至日本國內(nèi)市場(chǎng)的車型為例，研究汽車燃油耗及廢氣排放的優(yōu)化技術(shù)。燃油消耗量等參數(shù)及其圖表等數(shù)據(jù)，充分參考了企業(yè)資料、商品目錄及項(xiàng)目記錄。2018年7月，斯巴魯公司對(duì)其“Forester”車型進(jìn)行了全面升級(jí)換代（圖3）。被稱為新版“e－BOXER”的車型配裝了混合動(dòng)力系統(tǒng)，并成功投放市場(chǎng)。該車型動(dòng)力系統(tǒng)在2．0L汽油機(jī)上組合了功率為10kW的電機(jī)，并已應(yīng)用到該公司旗下的四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）車型中。采用混合動(dòng)力系統(tǒng)的4WD車型并不多見，少數(shù)4WD車型無需通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于4WD車型基本已實(shí)現(xiàn)了整車電動(dòng)化，從而具有顯著的里程碑意義。e－BOXER車型在JC08工況下的燃油耗為18．6km／L，相比2020年的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)提升了10％～20％（車輛質(zhì)量的不同，燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)標(biāo)率也會(huì)相應(yīng)存在差異）。另一方面，按照WLTC測(cè)試的燃油耗為13．2km／L。由于該燃油耗與處于同一水平下的2．5L汽油機(jī)的差異較小，在下一階段執(zhí)行WLTC試驗(yàn)循環(huán)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，其燃油耗優(yōu)勢(shì)并不大。斯巴魯公司后續(xù)將投產(chǎn)以該車型為原型的改進(jìn)車型或者PHEV車型。2018年10月，斯巴魯公司配裝了相同系統(tǒng)的“XVADVANCE”車型也已成功投放市場(chǎng)。2018年7月，本田公司的“ClarityPHEV”車型成功上市銷售（圖4）。在JC08工況下，該車型在EV模式下的續(xù)航里程為114．6km，按WLTC測(cè)試為101．0km，燃油耗分別為28．0km／L與24．2km／L。乘用車每日續(xù)航里程的中位數(shù)約為30km。由于在EV工況下?lián)碛邢喈?dāng)于該中位數(shù)數(shù)倍的續(xù)航里程，因此該車型在日常生活中可作為EV車型使用。在長(zhǎng)途行駛時(shí)，該車型僅需補(bǔ)充汽油，同時(shí)不會(huì)損害車輛的使用便捷性，并使環(huán)境負(fù)荷降至最低限度。從價(jià)格層面考慮，通常認(rèn)為該車型目前難以快速普及，而以ClarityPHEV車型的推出為契機(jī)，其在小型車領(lǐng)域?qū)⒌靡酝茝V應(yīng)用，會(huì)顯著推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。2018年7月，Mercedes－Benz公司對(duì)“C－Class”車系投放了相應(yīng)款式的改型車（圖5），包括動(dòng)力總成在內(nèi)的改進(jìn)點(diǎn)多達(dá)6500處。其中較引人關(guān)注的是“C200”車型，其采用了48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)（BSG），發(fā)動(dòng)機(jī)排量則由原來的2．0L縮減到1．5L。BSG中的電動(dòng)發(fā)電機(jī)功率為10kW，與上文所述的“Forester”車型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率相同。該車型在JC08工況下的燃油耗為13．6km／L，按WLTC試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試的燃油耗為12．9km／L。其燃油耗比技術(shù)改良前的原車型更低，同時(shí)基于2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)標(biāo)率已超過5％。該燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施經(jīng)歷了艱難歷程。另外，即便C200車型不采用混合動(dòng)力系統(tǒng)，與配裝了普通1．6L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車型相比，由于其搭載設(shè)備數(shù)量增加，整車質(zhì)量相應(yīng)增加，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性降低。考慮到當(dāng)前的技術(shù)水平，“BSG＋縮缸強(qiáng)化”可使燃油經(jīng)濟(jì)性有所改善。2019年3月，配裝有BSG的“E300”車型也成功投放了市場(chǎng)。2018年8月，三菱公司對(duì)“Outlander－PHEV”車型進(jìn)行了改良（圖6）。在JC08工況下，該車型EV模式下的續(xù)航里程為65．0km；采用WLTC試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)時(shí)，其EV模式下的續(xù)航里程為57．6km，燃油耗分別為18．6km／L與16．4km／L。該車型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用4WD模式，前輪裝備了最大功率為60kW的電機(jī)；后輪則裝備了最大功率為70kW的電機(jī)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的排量由原來的2．0L增加到2．4L。雖然該車型主要利用電機(jī)以實(shí)現(xiàn)EV模式下的行駛，但在高速行駛工況下則仍以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力來源，力求在提高行駛性能的同時(shí)，逐漸改善環(huán)保性能。2018年12月，豐田公司對(duì)“Prius”車型進(jìn)行了部分改良。豐田公司雖未對(duì)動(dòng)力總成系統(tǒng)加以特殊改動(dòng)，但出于對(duì)車輛環(huán)境性能方向的調(diào)整，車型的最佳燃油耗值由40．8km／L（JC08工況）降至39．0km／L。燃油耗值有所降低的主要原因是源于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的應(yīng)用，導(dǎo)致車輛自重增加。雖然車輛自身性能并未降低，但作為日本國內(nèi)具有較好經(jīng)濟(jì)性的車型，相關(guān)指標(biāo)仍有待進(jìn)一步提升。2019年1月，日產(chǎn)公司“Leafe＋”車型（圖7）。“Leafe＋”車將以往322km的WLTC工況續(xù)航里程延長(zhǎng)到458km，而該車型在JC08工況下的續(xù)航里程為570km，能量密度提高約25％。針對(duì)質(zhì)量有所增加的狀況，日產(chǎn)公司將該車型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率提高到了160kW，改善了高速條件下的加速時(shí)間等性能參數(shù)。在JC08工況下嘗試通過優(yōu)化燃油箱容量以延長(zhǎng)續(xù)航里程時(shí)，部分跑車也存在達(dá)不到570km續(xù)航里程的情況。該車型在實(shí)際道路行駛條件下的使用效果尚有待驗(yàn)證，但在解決EV續(xù)航里程能力等方面，“Leafe＋”車型可與傳統(tǒng)汽油車型一較長(zhǎng)短。“Leafe＋”作為可投入量產(chǎn)的車型產(chǎn)品能躋身于市場(chǎng)前列，可稱得上意義重大。2016年廢氣排放法規(guī)關(guān)于重型車的適用范圍有所擴(kuò)展。2017年，該法規(guī)主要針對(duì)中型及小型載貨汽車而進(jìn)行調(diào)整。2018年，日本國內(nèi)針對(duì)牽引車開始執(zhí)行2016年的廢氣排放法規(guī)，各生產(chǎn)商改進(jìn)后的車型已逐步投放至市場(chǎng)。2018年5月，日野公司對(duì)其“Profiatractor”車型實(shí)施了改良。牽引車雖然難以滿足重型汽車的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)此次技術(shù)改良，不但滿足了2016年廢氣排放法規(guī)，而且部分車型的燃油耗等級(jí)相比2015年的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)超出5％的水平。傳統(tǒng)的12檔機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）也進(jìn)一步調(diào)整為16檔變速器（ProShift16）。本車型的設(shè)計(jì)過程重點(diǎn)考慮了對(duì)燃油耗的改善，例如通過對(duì)車體形狀的最優(yōu)化處理以降低空氣阻力（圖8）。就最新的重型汽車燃油耗試驗(yàn)法而言，部分?jǐn)?shù)據(jù)將采用實(shí)測(cè)值，而以往各類車型曾統(tǒng)一采用行駛阻力值。試驗(yàn)方法的變動(dòng)，會(huì)進(jìn)一步改善汽車燃油耗。圖8日野公司的“Profia”車型用于降低空氣阻力的措施2018年10月，五十鈴公司對(duì)其“Elf”車型進(jìn)行了技術(shù)改良。以往該公司的小型載貨汽車并未采用氮氧化物（NOx）后處理裝置，但在此次的技術(shù)優(yōu)化過程中，除了在排氣歧管的下游位置布置了柴油機(jī)顆粒排放處理器（DPD）之外，還配備了帶尿素噴射的選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）（圖9）。隨著智能噴油精度校正技術(shù)（i－ART）的應(yīng)用，以此逐步改善燃油經(jīng)濟(jì)性。在配裝了怠速停止機(jī)構(gòu)的車型上，其燃油耗相比2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)可超出10％（除了部分4WD車型）。2019年1月，日產(chǎn)UD卡車公司對(duì)其“Quon”車型進(jìn)行了技術(shù)改良。該車型最大的技術(shù)特點(diǎn)是采用了排量為8L的發(fā)動(dòng)機(jī)（圖10）。通常，整車質(zhì)量為25t的重型汽車須配裝排量為9～13L的發(fā)動(dòng)機(jī)，該款新機(jī)型有效減小了整機(jī)尺寸。就該類重型汽車而言，由于其單位質(zhì)量的排量較小，通過尺寸小型化而對(duì)燃油耗的改善效果同樣較為有限。另一方面，整車質(zhì)量會(huì)受到相關(guān)法規(guī)的限制，假設(shè)排氣后處理裝置等設(shè)備數(shù)量增加，車輛自重會(huì)相應(yīng)增加，必然會(huì)減少最大載質(zhì)量，由此降低了車輛的市場(chǎng)價(jià)值。因此，通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸，實(shí)現(xiàn)輕量化具有顯著意義。該款8L發(fā)動(dòng)機(jī)一方面可輸出262kW的功率，另一方面相比傳統(tǒng)的10．5L發(fā)動(dòng)機(jī)又實(shí)現(xiàn)了輕量化。該機(jī)型質(zhì)量約為300kg，充分滿足了2016年的廢氣排放法規(guī)要求，并超過2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)約5％。

3結(jié)語

在日本國內(nèi)執(zhí)行全新的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)前期，可看到針對(duì)整車燃油耗的改善工作略有停滯。出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因，一方面是因?yàn)閷?duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行技術(shù)改良的效果有限，同時(shí)為滿足用戶需求，采用了安全設(shè)備；另一方面，則是因?yàn)轫殱M足內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際行駛排放物（RDE）等全新法規(guī)。今后，在執(zhí)行RDE及排放顆粒數(shù)（PN）法規(guī)時(shí)，能否維持燃油耗的持續(xù)優(yōu)化趨勢(shì)，尚無法充分預(yù)測(cè)。在技術(shù)、成本、政治、經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施等因素協(xié)調(diào)發(fā)展的過程中，汽車技術(shù)會(huì)朝怎樣的方向發(fā)展，未來的數(shù)年將會(huì)成為關(guān)鍵時(shí)期。

作者:鈴木央一