基于当前环境问题的汽车技术发展趋势

【日】 鈴木央一

0 前言

时下，汽车与环境问题已成为社会各界密切关注的焦点，本文论述了最近一年来日本国内汽车行业所达到环保标准的现状，并阐述了废气排放法规与燃油耗法规的整体情况。同时，以2018年上市销售的部分新车型(包括部分经技术改良后的车型)为例，本文论述了与环境性能密切相关的汽车新技术发展趋势。

1 概况

纵观2017年的大气污染状况，考虑到与NO2密切相关的环境标准，普通测试点的达标率为100%，汽车废气排放测试点(自行排放测试点)达标率为99.7%(2016年的普通测试点达标率为100%，自行排放测试点达标率为99.7%)。就悬浮颗粒物质(柴油机颗粒，SPM)方面而言，普通测试点达标率为99.8%，自行排放测试点为100%，2016年的普通测试点、自行排放测试点达标率均为100%。近年来，日本国内汽车废气排放年平均质量浓度也都呈递减趋势(图1示出了NO及NO2浓度的年平均值)。源自汽车的污染排放指标正在逐年降低，汽车被称为“污染源”的状况将不复存在。NO2的环保标准达标率为99.7%。在393个有效测试点中，只有东京都大田区松原桥的1个测试点的数据未达到标准。日本政府通过对局部道路状况及车流的控制，使空气污染情况取得了有效控制。

考虑到NO2及SPM的环保标准达标率较低的情况，以柴油机排放颗粒(PM 2.5)为例，普通测试点达标率为89.9%，自行排放测试点的达标率为86.2%(2015年普通测试点的达标率为88.7%，自行排放测试点的达标率为88.3%)，整体呈现出持续改善的趋势。就日本北部九州地区及四国地区的濑户内海地域的普通测试点为例，仍存在环保标准达标率较低的地区(图2)。另外，以光化学氧化剂(Ox)为例，普通测试点、自行排放测试点的环保标准达标率均为0%，这种状况目前仍亟待改善。另一方面，由于与Ox的生成密切相关，因而日本国内进一步强化了NO2及碳氢化合物(HC)的法规标准，虽然在上述领域已取得一定成效，但在整体上仍未得以显著改善，依然有进一步提升的空间。

图1 汽车废气排放测试点的NO、NO2浓度的年平均值

图2 2017年日本国内的PM 2.5环保标准达标情况

从2018年起，日本国内废气排放法规中的试验循环由JC08工况调整为全球统一轻型车试验循环(WLTC)工况，汽油车、液化石油气(LPG)汽车要达到与JC08工况下的相近水平。从2018年10月开始，以重型汽车为研究对象，引进了先进的车载故障诊断(OBD)系统，并逐步扩大了其应用范围。此外，据2019年2月公布的消息称，自2020年12月起，日本国内将对汽油车执行PM排放的相关法规。

为了对汽车交通噪声状况进行评估，调查对象约为8 721 400户住户，并在以下时段实施噪声评价：白天(6∶00～22∶00)，夜晚(22∶00～6∶00)，其中有某个时段产生的噪声超过了环保标准的居民住户数量为532 200户(占比6.1%)，与2018年的数据处于同等水平。

另一方面，2017年度由日本国内交通运输系统所排放的CO2总量为2.13×108t，相比上一年约减少0.8%。源于汽车的CO2排放量约占总量的86.2%，故目前汽车仍为CO2的主要排放源。源自汽车的CO2排放量相比2001年的峰值排放量降低约20%，与货物运输密切相关的CO2排放量仍在继续减少中。此外，与2017年相比，除私家车以外的客车CO2排放量也得以大幅减少(表1)。可认为，专用汽车中的混合动力汽车已在逐渐普及，并且已取得一定成果，该态势目前仍会持续下去。近年来，美国方面也快速推进了针对汽车燃油耗与CO2排放的改善进程。2017年美国企业的平均燃油耗为24.9 mile/g①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。。世界各国的汽车燃油耗标准及CO2排放法规的强化已初见成效。

表1 不同载运工具的CO2排放量变化

考虑到燃油耗标准与CO2排放有直接联系，相关科研人员根据2017年12月的标准进行归纳，于2019年3月29日规定了2025年重型汽车的燃油耗标准。就2020年燃油耗标准限值而言，在进一步削减能源消耗的形势下，电动汽车(EV)及插电式混合动力汽车(PHEV)的推广应用将成为该领域的关键技术。由于燃油耗标准与税制政策等因素密切相关，针对EV及PHEV的评价方法将对其今后的普及工作与能量转换流程产生一定影响，针对该领域的研究方向也逐渐引起科研人员的关注。

从近年的汽车燃油耗发展趋势来看，改善燃油耗的技术已被世界各国广泛采用，进一步改善燃油耗的趋势仍在继续。目前，汽车的混合动力化进程已取得一定成果。在内燃机领域，除了日产汽车公司向国外市场投放了可变压缩比发动机之外，由马自达公司推出的采用高效燃烧控制技术的SKYACTIV-X机型同样也已投放市场。另一方面，主动采纳这类技术的企业并不多，车用内燃机技术的进展并不显著。近年来以车型的升级换代为契机，燃油耗居高不下的情况依然普遍存在。每当先进技术得以投入使用，就会在一定程度上改善燃油耗限值。究其原因，总体上有如下3点：

(1)由于安全设备实现了标准化应用，车辆自重有所增加；

(2)自2016年以后，对于满足2015年燃油耗标准的企业而言，通过企业平均燃油耗标准(CAFE)而进一步改善燃油耗的效果并不显著，致使部分车型的燃油经济性反而恶化；

(3)由于车辆其他性能的提升，致使燃油耗同样有所恶化。

由此出发，充分优化发动机及动力总成，并采用其他相关先进技术，逐步达到了改善汽车燃油耗的目的。

2 车辆环保技术的发展情况

下文以2018年度投放至日本国内市场的车型为例，研究汽车燃油耗及废气排放的优化技术。燃油消耗量等参数及其图表等数据，充分参考了企业资料、商品目录及项目记录。

2018年7月，斯巴鲁公司对其“Forester”车型进行了全面升级换代(图3)。被称为新版“e-BOXER”的车型配装了混合动力系统，并成功投放市场。该车型动力系统在2.0 L汽油机上组合了功率为10 kW的电机，并已应用到该公司旗下的四轮驱动(4WD)车型中。采用混合动力系统的4WD车型并不多见，少数4WD车型无需通过发动机驱动。由于4WD车型基本已实现了整车电动化，从而具有显著的里程碑意义。e-BOXER车型在JC08工况下的燃油耗为18.6 km/L，相比2020年的燃油耗标准提升了10%～20%(车辆质量的不同，燃油耗标准的达标率也会相应存在差异)。另一方面，按照WLTC测试的燃油耗为13.2 km/L。由于该燃油耗与处于同一水平下的2.5 L汽油机的差异较小，在下一阶段执行WLTC试验循环规定标准的情况下，其燃油耗优势并不大。斯巴鲁公司后续将投产以该车型为原型的改进车型或者PHEV车型。2018年10月，斯巴鲁公司配装了相同系统的“XV ADVANCE”车型也已成功投放市场。

图3 斯巴鲁公司“Forester-Advance”车型

图4 本田公司“Clarity PHEV”车型

2018年7月，本田公司的“Clarity PHEV”车型成功上市销售(图4)。在JC08工况下，该车型在EV模式下的续航里程为114.6 km，按WLTC测试为101.0 km，燃油耗分别为28.0 km/L与24.2 km/L。乘用车每日续航里程的中位数约为30 km。由于在EV工况下拥有相当于该中位数数倍的续航里程，因此该车型在日常生活中可作为EV车型使用。在长途行驶时，该车型仅需补充汽油，同时不会损害车辆的使用便捷性，并使环境负荷降至最低限度。从价格层面考虑，通常认为该车型目前难以快速普及，而以Clarity PHEV车型的推出为契机，其在小型车领域将得以推广应用，会显著推动相关领域的技术发展。

2018年7月，Mercedes-Benz公司对“C-Class”车系投放了相应款式的改型车(图5)，包括动力总成在内的改进点多达6 500处。其中较引人关注的是“C 200”车型，其采用了48 V轻度混合动力系统(BSG)，发动机排量则由原来的2.0 L缩减到1.5 L。BSG中的电动发电机功率为10 kW，与上文所述的“Forester”车型的驱动电机功率相同。该车型在JC08工况下的燃油耗为13.6 km/L，按WLTC试验循环测试的燃油耗为12.9 km/L。其燃油耗比技术改良前的原车型更低，同时基于2015年燃油耗标准的达标率已超过5%。该燃油耗标准的实施经历了艰难历程。另外，即便C 200车型不采用混合动力系统，与配装了普通1.6 L涡轮增压发动机的车型相比，由于其搭载设备数量增加，整车质量相应增加，导致燃油经济性降低。考虑到当前的技术水平，“BSG+缩缸强化”可使燃油经济性有所改善。2019年3月，配装有BSG的“E 300”车型也成功投放了市场。

图5 Mercedes-Benz公司的“C 200”车型

图6 三菱公司的“Outlander-PHEV”车型

2018年8月，三菱公司对“Outlander-PHEV”车型进行了改良(图6)。在JC08工况下，该车型EV模式下的续航里程为65.0 km；采用WLTC试验测试循环时，其EV模式下的续航里程为57.6 km，燃油耗分别为18.6 km/L与16.4 km/L。该车型驱动系统采用4WD模式，前轮装备了最大功率为60 kW的电机；后轮则装备了最大功率为70 kW的电机，并使发动机的排量由原来的2.0 L增加到2.4 L。虽然该车型主要利用电机以实现EV模式下的行驶，但在高速行驶工况下则仍以发动机为动力来源，力求在提高行驶性能的同时，逐渐改善环保性能。

2018年12月，丰田公司对“Prius”车型进行了部分改良。丰田公司虽未对动力总成系统加以特殊改动，但出于对车辆环境性能方向的调整，车型的最佳燃油耗值由40.8 km/L(JC08工况)降至39.0 km/L。燃油耗值有所降低的主要原因是源于标准化设备的应用，导致车辆自重增加。虽然车辆自身性能并未降低，但作为日本国内具有较好经济性的车型，相关指标仍有待进一步提升。

2019年1月，日产公司发布“Leaf e+”车型(图7)。“Leaf e+”车将以往322 km的WLTC工况续航里程延长到458 km，而该车型在JC08工况下的续航里程为570 km，能量密度提高约25%。针对质量有所增加的状况，日产公司将该车型驱动电机的最大功率提高到了160 kW，改善了高速条件下的加速时间等性能参数。在JC08工况下尝试通过优化燃油箱容量以延长续航里程时，部分跑车也存在达不到570 km续航里程的情况。该车型在实际道路行驶条件下的使用效果尚有待验证，但在解决EV续航里程能力等方面，“Leaf e+”车型可与传统汽油车型一较长短。“Leaf e+”作为可投入量产的车型产品能跻身于市场前列，可称得上意义重大。

图7 日产公司的“Leaf e+”车型

2016年废气排放法规关于重型车的适用范围有所扩展。2017年，该法规主要针对中型及小型载货汽车而进行调整。2018年，日本国内针对牵引车开始执行2016年的废气排放法规，各生产商改进后的车型已逐步投放至市场。

2018年5月，日野公司对其“Profiatractor”车型实施了改良。牵引车虽然难以满足重型汽车的燃油耗标准，但经此次技术改良，不但满足了2016年废气排放法规，而且部分车型的燃油耗等级相比2015年的燃油耗标准可实现超出5%的水平。传统的12档机械式自动变速器(AMT)也进一步调整为16档变速器(Pro Shift 16)。本车型的设计过程重点考虑了对燃油耗的改善，例如通过对车体形状的最优化处理以降低空气阻力(图8)。就最新的重型汽车燃油耗试验法而言，部分数据将采用实测值，而以往各类车型曾统一采用行驶阻力值。试验方法的变动，会进一步改善汽车燃油耗。

图8 日野公司的“Profia”车型用于降低空气阻力的措施

2018年10月，五十铃公司对其“Elf”车型进行了技术改良。以往该公司的小型载货汽车并未采用氮氧化物(NOx)后处理装置，但在此次的技术优化过程中，除了在排气歧管的下游位置布置了柴油机颗粒排放处理器(DPD)之外，还配备了带尿素喷射的选择性催化还原系统(SCR)(图9)。随着智能喷油精度校正技术(i-ART)的应用，以此逐步改善燃油经济性。在配装了怠速停止机构的车型上，其燃油耗相比2015年燃油耗标准可超出10%(除了部分4WD车型)。

图9 五十铃公司的“Elf”车型上配装的发动机所采用的先进技术

图10 UD卡车公司的GH8型发动机

2019年1月，日产UD卡车公司对其“Quon”车型进行了技术改良。该车型最大的技术特点是采用了排量为8 L的发动机(图10)。通常，整车质量为25 t的重型汽车须配装排量为9～13 L的发动机，该款新机型有效减小了整机尺寸。就该类重型汽车而言，由于其单位质量的排量较小，通过尺寸小型化而对燃油耗的改善效果同样较为有限。另一方面，整车质量会受到相关法规的限制，假设排气后处理装置等设备数量增加，车辆自重会相应增加，必然会减少最大载质量，由此降低了车辆的市场价值。因此，通过减小发动机尺寸，实现轻量化具有显著意义。该款8 L发动机一方面可输出262 kW的功率，另一方面相比传统的10.5 L发动机又实现了轻量化。该机型质量约为300 kg，充分满足了2016年的废气排放法规要求，并超过2015年燃油耗标准约5%。

3 结语

在日本国内执行全新的燃油耗标准前期，可看到针对整车燃油耗的改善工作略有停滞。出现此类现象的原因，一方面是因为对传统内燃机进行技术改良的效果有限，同时为满足用户需求，采用了安全设备；另一方面，则是因为须满足内燃机的实际行驶排放物(RDE)等全新法规。今后，在执行RDE及排放颗粒数(PN)法规时，能否维持燃油耗的持续优化趋势，尚无法充分预测。在技术、成本、政治、经济、基础设施等因素协调发展的过程中，汽车技术会朝怎样的方向发展，未来的数年将会成为关键时期。