汽車與環境

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0 前言

2016年日本本土的四輪汽車總產量為920萬輛左右，接近汽車本土銷量的2倍，總銷量中海外市場銷量占有較大的份額，大大超過了日本國內市場銷量，占據了大規模汽車銷量市場。本文分析了影響各國市場的燃油耗及廢氣排放法規要求，并論述了為滿足燃油耗及排放法規的汽車新技術發展動向。

1 相關法規、法律

1.1 燃油耗標準

日本現有燃油耗標準是依據“關于能源使用的合理化等法律《節能法》”制定的。其中：中、輕型乘用車等，將于2020年(商用車為2022年)開始執行燃油耗標準。重型載貨車已經于2015年開始執行最新燃油耗標準。盡管乘用車燃油耗標準將于2020年起開始正式實施，但早已在2013年達到了該燃油耗標準。另外由于燃油經濟性能優異，混合動力汽車的銷量有所增加。圖1表示以混合動力為主體的新一代汽車的普及輛數。近年來，每年銷售100萬輛以上的新型汽車，對總體改善燃油經濟性作出了貢獻。然而，這種現狀仍未達到先進水平。預計歐美等國會進一步強化燃油耗標準，日本也將執行下一階段的燃油耗標準。

圖1 新一代汽車的普及輛數

歐洲是根據聯合國氣候變化框架條約所規定的削減溫室效應氣體(GHG)排放的要求，制定了CO2排放法規。美國則依據GHG與燃油耗制定相關法規。由于含有碳氫化合物(HC)的燃料燃燒會產生并排放CO2。因此，主觀上可以看出兩者的差異不大。然而，兩者制定法規依據的體系是存在差異的，并且對于限值、目標值的確定以及處罰條例也完全不同。

圖2是按照CO2排放量，比較了日本、美國、歐洲各國及中國的燃油耗與CO2的相關限值的結果。由圖2可知，2020年以后，各國都在努力強化相關法規，顯然，歐洲的法規限值比日本更為嚴格。歐洲是以削減CO2排放目標為基礎制定法規限值，以提高CO2的削減率為前提。日本則利用“標桿”方式籌劃制定燃油耗標準值，即在執行標準當年將燃油耗限值較低的發動機或車輛作為標桿，然后大量應用并改進技術，提高普及率，進而決定燃油耗標準值。由此制定出符合日本實際情況的燃油耗標準值。歐洲在試驗工況下的燃油耗中添加了尚未公開的改善燃油耗的措施(如發光二極管(LED)照明燈具及高效率交流發電機)等有利于環保的方法。此外，如前所述，日本由于已經有乘用車達到了2020年燃油耗標準，可認為技術水平與歐洲相當或超過歐洲水平。

另一方面，美國對于CO2排放的執行措施與CO及氮氧化物(NOx)相同。當CO2排放超過了標準值時，對超過法規限值的部分處以罰金，還包括取消認證等嚴格的處罰措施。與日本按質量水平確定燃油耗標準值不同，美國燃油耗標準值是用汽車左、右車輪輪距乘以軸距的積為基礎而確定的。這是為了防止因燃油耗及CO2排放的一些改善方案對行駛安全產生影響。另外，降低銷售燃油耗標準，將燃油經濟性更優異的車輛在市場的銷量作為信用儲備，在銷量超過燃油耗標準的車輛時，可用該信用儲備進行抵銷。在世界各國，要求改善燃油經濟性及CO2排放的發展趨勢隨各國的國情而有所不同。盡管實施方法不盡相同，但節能減排的發展趨勢仍在持續，顯然各國為改善燃油耗及CO2排放而競相開展技術研發。

圖2 各國乘用車燃油耗(CO2)法規限值的推移

1.2 廢氣排放法規

日本于2016年對重型載貨車進行了廢氣排放法規強化，法規限值收緊。與此同時，力求引進全球統一試驗法(WHTC)、全球通用穩態循環(WHSC)和非循環排放法規(OCE)。另一方面，汽油機乘用車的評價試驗循環從2018年變更為全球統一輕型車試驗循環(WLTC)(圖3)。雖然改善了冷起動，但為了滿足幅度寬廣的發動機轉速、車輛加速度的要求，除了部分車型滿足2005年頒布的最新長期排放法規之外，其他強制法規并沒有大幅推廣。實驗室內采用試驗循環作為進行廢氣排放測量的方法。在其他歐洲直噴汽車排放法規方面，有關于顆粒物(PM)排放的法規，日本擬在2020年開始采用，并已向中央環境審議會申報。不僅包括稀薄燃燒，而且，采用化學計算法控制的直噴汽油車也將被列為法規管理對象，需要采取控制措施。另外，僅在歐美國家進行排放試驗，如在-7 ℃低溫條件下的排放試驗。可以得出的結論是，關于統一全球試驗標準的研究和討論將更為廣泛。

圖3 WLTC車速曲線(日本除開超高速 階段(EXH)部分進行評價)

美國在2015年柴油乘用車試驗工況認證試驗之外，發現了減排裝置功能失效(也稱失效策略)的負面案例。在歐洲，雖然開展了強化排放法規的工作，可是城市區域的NO2濃度并沒有得到明顯改善，該問題仍然有待解決。這一背景下，在車輛上安裝車載排放氣體檢測系統(PEMS)。歐洲已于2017年9月開始投入使用，實際行駛排放(RDE)試驗法，用于評價車輛在道路上行駛的排放性能。

日本為此也召開了研討會，重新評審柴油乘用車的檢查方法并進行了車輛實際行駛時的排放性能試驗。在列出的試驗結果中(表1和表2)，雖然沒有與歐美國家相似的負面案例，但仍有由于氣溫變化等導致NOx排放增加的實例。為了防止出現此類事件并力求降低實際行駛狀況下的排放，開展了以下兩項研究：一是以異常狀態下的發動機作為保護目標，并對減排裝置進行功能限制；二是改善道路上行駛時的檢查方法。該研究結果已從2017年4月正式公布，并從2022年起應用保護控制線及道路行駛檢查法。

表1 實際行駛時排放性能的驗證試驗結果

表2 臺架試驗中法規限值一覽(平均法規限值)

2 技術研發動向

2.1 關于改善燃油耗的動向

近年來，改善燃油耗的趨勢在中型、輕型車領域表現得尤為顯著。由于混合動力汽車與怠速停止機構的普及超過預期并呈現出向改善燃油經濟性快速發展的趨勢。并對除此之外的傳統技術，諸如提高動力傳動系統效率、降低摩擦、輕量化等方面開展研發工作。通過對傳統技術的進一步改進，以及對多種多樣的車型開展新技術應用，不久就可實現燃油耗的進一步改善。

由日產汽車公司生產的低燃油耗車輛note“e-POWER”(圖4)車型，采用了串聯式的混合動力機構，使量產后的燃油耗達到了4.0 km/L的水平。不僅如此，該車型的汽油機作為發電專用動力解決了電動車的續航里程問題。由于采用電動機驅動，從而獲得了強勁的起步及低噪聲性能，預計該技術今后還將推廣應用于其他車型。

圖4 日產公司的note“e-POWER”車

另一方面，由于進一步改善原有技術，燃油耗值的改善變得更為困難。2017年5月大發汽車公司推出改版后的“Mirai-S”車(圖5)，雖然比舊版車型質量減輕了80 kg，實現了大幅度輕量化，但燃油耗值卻與改款前相同(35.2 km/L)。Mirai-S車2011年推出的混合動力車首次燃油耗達成30.0 km/L，此后與鈴木汽車公司推出的名為“Altoeco”車競爭汽油車燃油耗值首席之位。作為改善燃油耗值的領跑者，大發汽車公司每當實施技術改良，必將對燃油經濟性進行改善。但此次卻一反常態，是否這也預示著燃油經濟性的改善將愈加困難，而插電式混合動力及純電動車的普及將勢不可擋。

圖5 大發汽車公司的Mirai-S車

在中國及印度方面，通過削減能源消耗，改善城市區域的大氣污染，并制定相關政策，推進電動車的推廣。中國2015年電動車的銷量約為24.7萬輛，已超過日本。為了更好地在市場上推動電動車銷量，采用補貼政策將獲得更好的市場反響。同時在政策上鼓勵、扶持新一代汽車，將極大地改變純電動車、混合動力車、柴油車等技術勢力的分布。但需要注意的是，按照各國不同的國情，制定新一代汽車的優惠扶持政策將左右未來汽車的發展趨勢。

重型載貨車領域，主要利用渦輪增壓系統小型化及變速器的多級化等技術來改善燃油耗。關于燃油耗法規限值，滿足2009-2010年間所實施的排放法規(日本后新長期排放法規)要求的車輛已達到標準。但是，在滿足2016年排放法規要求的最新車型中，各汽車制造商正在推出比2015年燃油耗標準改善了5%的大型卡車。其中部分車型采用了大流量廢氣再循環(EGR)技術，以及包括瞬態響應的高增壓技術，并引進兩級增壓系統等措施，同時兼顧降低廢氣排放及改善燃油耗。在高效率重型載貨車用柴油機領域，在使用頻度較大的工況下，從余熱中回收較高的功并不容易。因此需要進一步改善燃油耗時，可采用余熱回收系統，進行分選和收集。

2.2 關于降低排放的動向

各國頒布、實施排放法規，是從汽油車開始的。為了滿足排放法規的要求，推動了三效催化轉化器的使用和改進(如元件高密度化、削減貴金屬使用量、優化氧氣吸收材料等)，就汽油車的排放對策而言，正在趨于完善。為達到與上述直噴汽油車類似的PM減少效果，可要求在柴油車上必須裝備顆粒過濾器。

由于柴油顆粒過濾器(DPF)的普及，以及采用降低燃油中的硫成分等措施，柴油機排放問題已較昔日有較大改善。但是，相比于汽油車的排氣凈化性能，以及耐久性等方面的柴油機減排技術的完善程度還存在差距。即使存在前述的廢氣排放不良案例，也因為大幅度降低NOx，與低燃油耗及耐久性等屬性相矛盾，所以，減排裝置機能失效可能性較大。柴油機并未重點關注燃燒過程中生成NOx等現象，而是著力于改善燃油經濟性。

柴油機廢氣排放技術呈現出日新月異的局面，然而目前尚未出現全新技術的應用情況。但采用復雜控制技術，如尿素選擇性催化還原系統(U-SCR)的精準模型化技術，可進一步改善柴油機排放。同時，由于多學科技術的融合，排放改善技術將得到進一步發展。

圖6 Mercedes-Benz公司E級車用OM654發動機

Mercedes-Benz公司于2016年初公布并向市場投放了一款配裝有OM654發動機(圖6)的新型E220d汽車(圖7)。該發動機不僅滿足歐6法規要求，同時也滿足RDE法規的排放要求，并且符合日本國內規格要求。此款車型已于2016年10月開始在日本國內市場銷售。將汽車排量從2.2 L減小為2.0 L之后，改善了燃油耗、排放和動力性能等綜合性能。發動機采用了最大噴油壓力為205 MPa的共軌噴油系統之外，還應用了Mercedes-Benz公司特有的鋁合金機體與鋼制活塞的組合。同時，為了改善整機性能，可利用燃燒及進氣、排氣的整合，并采用涂覆技術以降低摩擦等。這是在原有技術基礎上進行深化和拓展，反復實施后進行了小幅技術改進，并進行復雜的適應性調試作業的結果。

圖7 Mercedes-Benz公司E220d車型

3 發展前景

目前發動機的燃油耗、排放性能都與時俱進，獲得了大幅度改善。然而，要進一步改善以上性能，在技術上、成本上都具有一定的挑戰性。汽車工業是各國的主要工業，不僅需要每家汽車制造商發揮作用，而且還要學校、政府同時參與到聯合開展的調查研究與技術開發中。此外，除了發動機燃油耗及排放性能的改善外，還要與電動機結合，投入燃料電池等最新的能源技術，通過多學科、多領域的技術研發與發展從而推進環境改善，這是當前汽車行業持續發展的重要趨勢。