基于環境問題汽車技術發展趨勢研究

導語：基于環境問題汽車技術發展趨勢研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：據統計資料顯示，近年來日本運輸部門的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法規限值，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制定的廢氣排放與燃油耗相關法規及政策的發展趨勢。針對當前的環保問題，介紹了近年來在日本汽車市場出售的新車型，并闡述了改善燃油耗與降低排放的技術發展趨勢。

關鍵詞：環境保護；汽車技術；排放法規；燃油耗標準；發展趨勢

時下，汽車與環境問題已成為社會各界密切關注的焦點，本文論述了最近一年來日本國內汽車行業所達到環保標準的現狀，并闡述了廢氣排放法規與燃油耗法規的整體情況。同時，以2018年上市銷售的部分新車型（包括部分經技術改良后的車型）為例，本文論述了與環境性能密切相關的汽車新技術發展趨勢。

1概況

縱觀2017年的大氣污染狀況，考慮到與NO2密切相關的環境標準，普通測試點的達標率為100％，汽車廢氣排放測試點（自行排放測試點）達標率為99．7％（2016年的普通測試點達標率為100％，自行排放測試點達標率為99．7％）。就懸浮顆粒物質（柴油機顆粒，SPM）方面而言，普通測試點達標率為99．8％，自行排放測試點為100％，2016年的普通測試點、自行排放測試點達標率均為100％。近年來，日本國內汽車廢氣排放年平均質量濃度也都呈遞減趨勢（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正在逐年降低，汽車被稱為“污染源”的狀況將不復存在。NO2的環保標準達標率為99．7％。在393個有效測試點中，只有東京都大田區松原橋的1個測試點的數據未達到標準。日本政府通過對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的環保標準達標率較低的情況，以柴油機排放顆粒（PM2．5）為例，普通測試點達標率為89．9％，自行排放測試點的達標率為86．2％（2015年普通測試點的達標率為88．7％，自行排放測試點的達標率為88．3％），整體呈現出持續改善的趨勢。就日本北部九州地區及四國地區的瀨戶內海地域的普通測試點為例，仍存在環保標準達標率較低的地區（圖2）。另外，以光化學氧化劑（Ox）為例，普通測試點、自行排放測試點的環保標準達標率均為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，因而日本國內進一步強化了NO2及碳氫化合物（HC）的法規標準，雖然在上述領域已取得一定成效，但在整體上仍未得以顯著改善，依然有進一步提升的空間。從2018年起，日本國內廢氣排放法規中的試驗循環由JC08工況調整為全球統一輕型車試驗循環（WLTC）工況，汽油車、液化石油氣（LPG）汽車要達到與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象，引進了先進的車載故障診斷（OBD）系統，并逐步擴大了其應用范圍。此外，據2019年2月公布的消息稱，自2020年12月起，日本國內將對汽油車執行PM排放的相關法規。為了對汽車交通噪聲狀況進行評估，調查對象約為8721400戶住戶，并在以下時段實施噪聲評價：白天（6∶00～22∶00），夜晚（22∶00～6∶00），其中有某個時段產生的噪聲超過了環保標準的居民住戶數量為532200戶（占比6．1％），與2018年的數據處于同等水平。另一方面，2017年度由日本國內交通運輸系統所排放的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％，與貨物運輸密切相關的CO2排放量仍在繼續減少中。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）。可認為，專用汽車中的混合動力汽車已在逐漸普及，并且已取得一定成果，該態勢目前仍會持續下去。近年來，美國方面也快速推進了針對汽車燃油耗與CO2排放的改善進程。2017年美國企業的平均燃油耗為24．9mile／g①。世界各國的汽車燃油耗標準及CO2排放法規的強化已初見成效。考慮到燃油耗標準與CO2排放有直接聯系，相關科研人員根據2017年12月的標準進行歸納，于2019年3月29日規定了2025年重型汽車的燃油耗標準。就2020年燃油耗標準限值而言，在進一步削減能源消耗的形勢下，電動汽車（EV）及插電式混合動力汽車（PHEV）的推廣應用將成為該領域的關鍵技術。由于燃油耗標準與稅制政策等因素密切相關，針對EV及PHEV的評價方法將對其今后的普及工作與能量轉換流程產生一定影響，針對該領域的研究方向也逐漸引起科研人員的關注。從近年的汽車燃油耗發展趨勢來看，改善燃油耗的技術已被世界各國廣泛采用，進一步改善燃油耗的趨勢仍在繼續。目前，汽車的混合動力化進程已取得一定成果。在內燃機領域，除了日產汽車公司向國外市場投放了可變壓縮比發動機之外，由馬自達公司推出的采用高效燃燒控制技術的SKYACTIV－X機型同樣也已投放市場。另一方面，主動采納這類技術的企業并不多，車用內燃機技術的進展并不顯著。近年來以車型的升級換代為契機，燃油耗居高不下的情況依然普遍存在。每當先進技術得以投入使用，就會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：（1）由于安全設備實現了標準化應用，車輛自重有所增加；（2）自2016年以后，對于滿足2015年燃油耗標準的企業而言，通過企業平均燃油耗標準（CAFE）而進一步改善燃油耗的效果并不顯著，致使部分車型的燃油經濟性反而惡化；（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，充分優化發動機及動力總成，并采用其他相關先進技術，逐步達到了改善汽車燃油耗的目的。

2車輛環保技術的發展情況

下文以2018年度投放至日本國內市場的車型為例，研究汽車燃油耗及廢氣排放的優化技術。燃油消耗量等參數及其圖表等數據，充分參考了企業資料、商品目錄及項目記錄。2018年7月，斯巴魯公司對其“Forester”車型進行了全面升級換代（圖3）。被稱為新版“e－BOXER”的車型配裝了混合動力系統，并成功投放市場。該車型動力系統在2．0L汽油機上組合了功率為10kW的電機，并已應用到該公司旗下的四輪驅動（4WD）車型中。采用混合動力系統的4WD車型并不多見，少數4WD車型無需通過發動機驅動。由于4WD車型基本已實現了整車電動化，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年的燃油耗標準提升了10％～20％（車輛質量的不同，燃油耗標準的達標率也會相應存在差異）。另一方面，按照WLTC測試的燃油耗為13．2km／L。由于該燃油耗與處于同一水平下的2．5L汽油機的差異較小，在下一階段執行WLTC試驗循環規定標準的情況下，其燃油耗優勢并不大。斯巴魯公司后續將投產以該車型為原型的改進車型或者PHEV車型。2018年10月，斯巴魯公司配裝了相同系統的“XVADVANCE”車型也已成功投放市場。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模式下的續航里程為114．6km，按WLTC測試為101．0km，燃油耗分別為28．0km／L與24．2km／L。乘用車每日續航里程的中位數約為30km。由于在EV工況下擁有相當于該中位數數倍的續航里程，因此該車型在日常生活中可作為EV車型使用。在長途行駛時，該車型僅需補充汽油，同時不會損害車輛的使用便捷性，并使環境負荷降至最低限度。從價格層面考慮，通常認為該車型目前難以快速普及，而以ClarityPHEV車型的推出為契機，其在小型車領域將得以推廣應用，會顯著推動相關領域的技術發展。2018年7月，Mercedes－Benz公司對“C－Class”車系投放了相應款式的改型車（圖5），包括動力總成在內的改進點多達6500處。其中較引人關注的是“C200”車型，其采用了48V輕度混合動力系統（BSG），發動機排量則由原來的2．0L縮減到1．5L。BSG中的電動發電機功率為10kW，與上文所述的“Forester”車型的驅動電機功率相同。該車型在JC08工況下的燃油耗為13．6km／L，按WLTC試驗循環測試的燃油耗為12．9km／L。其燃油耗比技術改良前的原車型更低，同時基于2015年燃油耗標準的達標率已超過5％。該燃油耗標準的實施經歷了艱難歷程。另外，即便C200車型不采用混合動力系統，與配裝了普通1．6L渦輪增壓發動機的車型相比，由于其搭載設備數量增加，整車質量相應增加，導致燃油經濟性降低。考慮到當前的技術水平，“BSG＋縮缸強化”可使燃油經濟性有所改善。2019年3月，配裝有BSG的“E300”車型也成功投放了市場。2018年8月，三菱公司對“Outlander－PHEV”車型進行了改良（圖6）。在JC08工況下，該車型EV模式下的續航里程為65．0km；采用WLTC試驗測試循環時，其EV模式下的續航里程為57．6km，燃油耗分別為18．6km／L與16．4km／L。該車型驅動系統采用4WD模式，前輪裝備了最大功率為60kW的電機；后輪則裝備了最大功率為70kW的電機，并使發動機的排量由原來的2．0L增加到2．4L。雖然該車型主要利用電機以實現EV模式下的行駛，但在高速行駛工況下則仍以發動機為動力來源，力求在提高行駛性能的同時，逐漸改善環保性能。2018年12月，豐田公司對“Prius”車型進行了部分改良。豐田公司雖未對動力總成系統加以特殊改動，但出于對車輛環境性能方向的調整，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準化設備的應用，導致車輛自重增加。雖然車輛自身性能并未降低，但作為日本國內具有較好經濟性的車型，相關指標仍有待進一步提升。2019年1月，日產公司“Leafe＋”車型（圖7）。“Leafe＋”車將以往322km的WLTC工況續航里程延長到458km，而該車型在JC08工況下的續航里程為570km，能量密度提高約25％。針對質量有所增加的狀況，日產公司將該車型驅動電機的最大功率提高到了160kW，改善了高速條件下的加速時間等性能參數。在JC08工況下嘗試通過優化燃油箱容量以延長續航里程時，部分跑車也存在達不到570km續航里程的情況。該車型在實際道路行駛條件下的使用效果尚有待驗證，但在解決EV續航里程能力等方面，“Leafe＋”車型可與傳統汽油車型一較長短。“Leafe＋”作為可投入量產的車型產品能躋身于市場前列，可稱得上意義重大。2016年廢氣排放法規關于重型車的適用范圍有所擴展。2017年，該法規主要針對中型及小型載貨汽車而進行調整。2018年，日本國內針對牽引車開始執行2016年的廢氣排放法規，各生產商改進后的車型已逐步投放至市場。2018年5月，日野公司對其“Profiatractor”車型實施了改良。牽引車雖然難以滿足重型汽車的燃油耗標準，但經此次技術改良，不但滿足了2016年廢氣排放法規，而且部分車型的燃油耗等級相比2015年的燃油耗標準可實現超出5％的水平。傳統的12檔機械式自動變速器（AMT）也進一步調整為16檔變速器（ProShift16）。本車型的設計過程重點考慮了對燃油耗的改善，例如通過對車體形狀的最優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法而言，部分數據將采用實測值，而以往各類車型曾統一采用行駛阻力值。試驗方法的變動，會進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，五十鈴公司對其“Elf”車型進行了技術改良。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，但在此次的技術優化過程中，除了在排氣歧管的下游位置布置了柴油機顆粒排放處理器（DPD）之外，還配備了帶尿素噴射的選擇性催化還原系統（SCR）（圖9）。隨著智能噴油精度校正技術（i－ART）的應用，以此逐步改善燃油經濟性。在配裝了怠速停止機構的車型上，其燃油耗相比2015年燃油耗標準可超出10％（除了部分4WD車型）。2019年1月，日產UD卡車公司對其“Quon”車型進行了技術改良。該車型最大的技術特點是采用了排量為8L的發動機（圖10）。通常，整車質量為25t的重型汽車須配裝排量為9～13L的發動機，該款新機型有效減小了整機尺寸。就該類重型汽車而言，由于其單位質量的排量較小，通過尺寸小型化而對燃油耗的改善效果同樣較為有限。另一方面，整車質量會受到相關法規的限制，假設排氣后處理裝置等設備數量增加，車輛自重會相應增加，必然會減少最大載質量，由此降低了車輛的市場價值。因此，通過減小發動機尺寸，實現輕量化具有顯著意義。該款8L發動機一方面可輸出262kW的功率，另一方面相比傳統的10．5L發動機又實現了輕量化。該機型質量約為300kg，充分滿足了2016年的廢氣排放法規要求，并超過2015年燃油耗標準約5％。

3結語

在日本國內執行全新的燃油耗標準前期，可看到針對整車燃油耗的改善工作略有停滯。出現此類現象的原因，一方面是因為對傳統內燃機進行技術改良的效果有限，同時為滿足用戶需求，采用了安全設備；另一方面，則是因為須滿足內燃機的實際行駛排放物（RDE）等全新法規。今后，在執行RDE及排放顆粒數（PN）法規時，能否維持燃油耗的持續優化趨勢，尚無法充分預測。在技術、成本、政治、經濟、基礎設施等因素協調發展的過程中，汽車技術會朝怎樣的方向發展，未來的數年將會成為關鍵時期。

作者:鈴木央一