汽车与环境

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0 前言

2016年日本本土的四轮汽车总产量为920万辆左右，接近汽车本土销量的2倍，总销量中海外市场销量占有较大的份额，大大超过了日本国内市场销量，占据了大规模汽车销量市场。本文分析了影响各国市场的燃油耗及废气排放法规要求，并论述了为满足燃油耗及排放法规的汽车新技术发展动向。

1 相关法规、法律

1.1 燃油耗标准

日本现有燃油耗标准是依据“关于能源使用的合理化等法律《节能法》”制定的。其中：中、轻型乘用车等，将于2020年(商用车为2022年)开始执行燃油耗标准。重型载货车已经于2015年开始执行最新燃油耗标准。尽管乘用车燃油耗标准将于2020年起开始正式实施，但早已在2013年达到了该燃油耗标准。另外由于燃油经济性能优异，混合动力汽车的销量有所增加。图1表示以混合动力为主体的新一代汽车的普及辆数。近年来，每年销售100万辆以上的新型汽车，对总体改善燃油经济性作出了贡献。然而，这种现状仍未达到先进水平。预计欧美等国会进一步强化燃油耗标准，日本也将执行下一阶段的燃油耗标准。

图1 新一代汽车的普及辆数

欧洲是根据联合国气候变化框架条约所规定的削减温室效应气体(GHG)排放的要求，制定了CO2排放法规。美国则依据GHG与燃油耗制定相关法规。由于含有碳氢化合物(HC)的燃料燃烧会产生并排放CO2。因此，主观上可以看出两者的差异不大。然而，两者制定法规依据的体系是存在差异的，并且对于限值、目标值的确定以及处罚条例也完全不同。

图2是按照CO2排放量，比较了日本、美国、欧洲各国及中国的燃油耗与CO2的相关限值的结果。由图2可知，2020年以后，各国都在努力强化相关法规，显然，欧洲的法规限值比日本更为严格。欧洲是以削减CO2排放目标为基础制定法规限值，以提高CO2的削减率为前提。日本则利用“标杆”方式筹划制定燃油耗标准值，即在执行标准当年将燃油耗限值较低的发动机或车辆作为标杆，然后大量应用并改进技术，提高普及率，进而决定燃油耗标准值。由此制定出符合日本实际情况的燃油耗标准值。欧洲在试验工况下的燃油耗中添加了尚未公开的改善燃油耗的措施(如发光二极管(LED)照明灯具及高效率交流发电机)等有利于环保的方法。此外，如前所述，日本由于已经有乘用车达到了2020年燃油耗标准，可认为技术水平与欧洲相当或超过欧洲水平。

另一方面，美国对于CO2排放的执行措施与CO及氮氧化物(NOx)相同。当CO2排放超过了标准值时，对超过法规限值的部分处以罚金，还包括取消认证等严格的处罚措施。与日本按质量水平确定燃油耗标准值不同，美国燃油耗标准值是用汽车左、右车轮轮距乘以轴距的积为基础而确定的。这是为了防止因燃油耗及CO2排放的一些改善方案对行驶安全产生影响。另外，降低销售燃油耗标准，将燃油经济性更优异的车辆在市场的销量作为信用储备，在销量超过燃油耗标准的车辆时，可用该信用储备进行抵销。在世界各国，要求改善燃油经济性及CO2排放的发展趋势随各国的国情而有所不同。尽管实施方法不尽相同，但节能减排的发展趋势仍在持续，显然各国为改善燃油耗及CO2排放而竞相开展技术研发。

图2 各国乘用车燃油耗(CO2)法规限值的推移

1.2 废气排放法规

日本于2016年对重型载货车进行了废气排放法规强化，法规限值收紧。与此同时，力求引进全球统一试验法(WHTC)、全球通用稳态循环(WHSC)和非循环排放法规(OCE)。另一方面，汽油机乘用车的评价试验循环从2018年变更为全球统一轻型车试验循环(WLTC)(图3)。虽然改善了冷起动，但为了满足幅度宽广的发动机转速、车辆加速度的要求，除了部分车型满足2005年颁布的最新长期排放法规之外，其他强制法规并没有大幅推广。实验室内采用试验循环作为进行废气排放测量的方法。在其他欧洲直喷汽车排放法规方面，有关于颗粒物(PM)排放的法规，日本拟在2020年开始采用，并已向中央环境审议会申报。不仅包括稀薄燃烧，而且，采用化学计算法控制的直喷汽油车也将被列为法规管理对象，需要采取控制措施。另外，仅在欧美国家进行排放试验，如在-7 ℃低温条件下的排放试验。可以得出的结论是，关于统一全球试验标准的研究和讨论将更为广泛。

图3 WLTC车速曲线(日本除开超高速 阶段(EXH)部分进行评价)

美国在2015年柴油乘用车试验工况认证试验之外，发现了减排装置功能失效(也称失效策略)的负面案例。在欧洲，虽然开展了强化排放法规的工作，可是城市区域的NO2浓度并没有得到明显改善，该问题仍然有待解决。这一背景下，在车辆上安装车载排放气体检测系统(PEMS)。欧洲已于2017年9月开始投入使用，实际行驶排放(RDE)试验法，用于评价车辆在道路上行驶的排放性能。

日本为此也召开了研讨会，重新评审柴油乘用车的检查方法并进行了车辆实际行驶时的排放性能试验。在列出的试验结果中(表1和表2)，虽然没有与欧美国家相似的负面案例，但仍有由于气温变化等导致NOx排放增加的实例。为了防止出现此类事件并力求降低实际行驶状况下的排放，开展了以下两项研究：一是以异常状态下的发动机作为保护目标，并对减排装置进行功能限制；二是改善道路上行驶时的检查方法。该研究结果已从2017年4月正式公布，并从2022年起应用保护控制线及道路行驶检查法。

表1 实际行驶时排放性能的验证试验结果

表2 台架试验中法规限值一览(平均法规限值)

2 技术研发动向

2.1 关于改善燃油耗的动向

近年来，改善燃油耗的趋势在中型、轻型车领域表现得尤为显著。由于混合动力汽车与怠速停止机构的普及超过预期并呈现出向改善燃油经济性快速发展的趋势。并对除此之外的传统技术，诸如提高动力传动系统效率、降低摩擦、轻量化等方面开展研发工作。通过对传统技术的进一步改进，以及对多种多样的车型开展新技术应用，不久就可实现燃油耗的进一步改善。

由日产汽车公司生产的低燃油耗车辆note“e-POWER”(图4)车型，采用了串联式的混合动力机构，使量产后的燃油耗达到了4.0 km/L的水平。不仅如此，该车型的汽油机作为发电专用动力解决了电动车的续航里程问题。由于采用电动机驱动，从而获得了强劲的起步及低噪声性能，预计该技术今后还将推广应用于其他车型。

图4 日产公司的note“e-POWER”车

另一方面，由于进一步改善原有技术，燃油耗值的改善变得更为困难。2017年5月大发汽车公司推出改版后的“Mirai-S”车(图5)，虽然比旧版车型质量减轻了80 kg，实现了大幅度轻量化，但燃油耗值却与改款前相同(35.2 km/L)。Mirai-S车2011年推出的混合动力车首次燃油耗达成30.0 km/L，此后与铃木汽车公司推出的名为“Altoeco”车竞争汽油车燃油耗值首席之位。作为改善燃油耗值的领跑者，大发汽车公司每当实施技术改良，必将对燃油经济性进行改善。但此次却一反常态，是否这也预示着燃油经济性的改善将愈加困难，而插电式混合动力及纯电动车的普及将势不可挡。

图5 大发汽车公司的Mirai-S车

在中国及印度方面，通过削减能源消耗，改善城市区域的大气污染，并制定相关政策，推进电动车的推广。中国2015年电动车的销量约为24.7万辆，已超过日本。为了更好地在市场上推动电动车销量，采用补贴政策将获得更好的市场反响。同时在政策上鼓励、扶持新一代汽车，将极大地改变纯电动车、混合动力车、柴油车等技术势力的分布。但需要注意的是，按照各国不同的国情，制定新一代汽车的优惠扶持政策将左右未来汽车的发展趋势。

重型载货车领域，主要利用涡轮增压系统小型化及变速器的多级化等技术来改善燃油耗。关于燃油耗法规限值，满足2009-2010年间所实施的排放法规(日本后新长期排放法规)要求的车辆已达到标准。但是，在满足2016年排放法规要求的最新车型中，各汽车制造商正在推出比2015年燃油耗标准改善了5%的大型卡车。其中部分车型采用了大流量废气再循环(EGR)技术，以及包括瞬态响应的高增压技术，并引进两级增压系统等措施，同时兼顾降低废气排放及改善燃油耗。在高效率重型载货车用柴油机领域，在使用频度较大的工况下，从余热中回收较高的功并不容易。因此需要进一步改善燃油耗时，可采用余热回收系统，进行分选和收集。

2.2 关于降低排放的动向

各国颁布、实施排放法规，是从汽油车开始的。为了满足排放法规的要求，推动了三效催化转化器的使用和改进(如元件高密度化、削减贵金属使用量、优化氧气吸收材料等)，就汽油车的排放对策而言，正在趋于完善。为达到与上述直喷汽油车类似的PM减少效果，可要求在柴油车上必须装备颗粒过滤器。

由于柴油颗粒过滤器(DPF)的普及，以及采用降低燃油中的硫成分等措施，柴油机排放问题已较昔日有较大改善。但是，相比于汽油车的排气净化性能，以及耐久性等方面的柴油机减排技术的完善程度还存在差距。即使存在前述的废气排放不良案例，也因为大幅度降低NOx，与低燃油耗及耐久性等属性相矛盾，所以，减排装置机能失效可能性较大。柴油机并未重点关注燃烧过程中生成NOx等现象，而是着力于改善燃油经济性。

柴油机废气排放技术呈现出日新月异的局面，然而目前尚未出现全新技术的应用情况。但采用复杂控制技术，如尿素选择性催化还原系统(U-SCR)的精准模型化技术，可进一步改善柴油机排放。同时，由于多学科技术的融合，排放改善技术将得到进一步发展。

图6 Mercedes-Benz公司E级车用OM654发动机

Mercedes-Benz公司于2016年初公布并向市场投放了一款配装有OM654发动机(图6)的新型E220d汽车(图7)。该发动机不仅满足欧6法规要求，同时也满足RDE法规的排放要求，并且符合日本国内规格要求。此款车型已于2016年10月开始在日本国内市场销售。将汽车排量从2.2 L减小为2.0 L之后，改善了燃油耗、排放和动力性能等综合性能。发动机采用了最大喷油压力为205 MPa的共轨喷油系统之外，还应用了Mercedes-Benz公司特有的铝合金机体与钢制活塞的组合。同时，为了改善整机性能，可利用燃烧及进气、排气的整合，并采用涂覆技术以降低摩擦等。这是在原有技术基础上进行深化和拓展，反复实施后进行了小幅技术改进，并进行复杂的适应性调试作业的结果。

图7 Mercedes-Benz公司E220d车型

3 发展前景

目前发动机的燃油耗、排放性能都与时俱进，获得了大幅度改善。然而，要进一步改善以上性能，在技术上、成本上都具有一定的挑战性。汽车工业是各国的主要工业，不仅需要每家汽车制造商发挥作用，而且还要学校、政府同时参与到联合开展的调查研究与技术开发中。此外，除了发动机燃油耗及排放性能的改善外，还要与电动机结合，投入燃料电池等最新的能源技术，通过多学科、多领域的技术研发与发展从而推进环境改善，这是当前汽车行业持续发展的重要趋势。