【日】 鈴木央一

0 前言

時下，汽車與環(huán)境問題已成為社會各界密切關(guān)注的焦點，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，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。

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)，普通測試點的達(dá)標(biāo)率為100%，汽車廢氣排放測試點(自行排放測試點)達(dá)標(biāo)率為99.7%(2016年的普通測試點達(dá)標(biāo)率為100%，自行排放測試點達(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，普通測試點達(dá)標(biāo)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(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(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個有效測試點中，只有東京都大田區(qū)松原橋的1個測試點的數(shù)據(jù)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。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(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(PM 2.5)為例，普通測試點達(dá)標(biāo)率為89.9%，自行排放測試點的達(dá)標(biāo)率為86.2%(2015年普通測試點的達(dá)標(biāo)率為88.7%，自行排放測試點的達(dá)標(biāo)率為88.3%)，整體呈現(xiàn)出持續(xù)改善的趨勢。就日本北部九州地區(qū)及四國地區(qū)的瀨戶內(nèi)海地域的普通測試點為例，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，普通測試點、自行排放測試點的環(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)一步強化了NO2及碳?xì)浠衔?HC)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。

圖1 汽車廢氣排放測試點的NO、NO2濃度的年平均值

圖2 2017年日本國內(nèi)的PM 2.5環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)情況

從2018年起，日本國內(nèi)廢氣排放法規(guī)中的試驗循環(huán)由JC08工況調(diào)整為全球統(tǒng)一輕型車試驗循環(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)將對汽油車執(zhí)行PM排放的相關(guān)法規(guī)。

為了對汽車交通噪聲狀況進(jìn)行評估，調(diào)查對象約為8 721 400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(chǎn)生的噪聲超過了環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的居民住戶數(shù)量為532 200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)?？烧J(rèn)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(tài)勢目前仍會持續(xù)下去。近年來，美國方面也快速推進(jìn)了針對汽車燃油耗與CO2排放的改善進(jìn)程。2017年美國企業(yè)的平均燃油耗為24.9 mile/g①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。。世界各國的汽車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)及CO2排放法規(guī)的強化已初見成效。

表1 不同載運工具的CO2排放量變化

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下，電動汽車(EV)及插電式混合動力汽車(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EV及PHEV的評價方法將對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仍在繼續(xù)。目前，汽車的混合動力化進(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投放了可變壓縮比發(fā)動機(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。另一方面，主動采納這類技術(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(shè)備實現(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)動機(jī)及動力總成，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、商品目錄及項目記錄。

2018年7月，斯巴魯公司對其“Forester”車型進(jìn)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(tǒng)，并成功投放市場。該車型動力系統(tǒng)在2.0 L汽油機(jī)上組合了功率為10 kW的電機(jī)，并已應(yīng)用到該公司旗下的四輪驅(qū)動(4WD)車型中。采用混合動力系統(tǒng)的4WD車型并不多見，少數(shù)4WD車型無需通過發(fā)動機(jī)驅(qū)動。由于4WD車型基本已實現(xiàn)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18.6 km/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)率也會相應(yīng)存在差異)。另一方面，按照WLTC測試的燃油耗為13.2 km/L。由于該燃油耗與處于同一水平下的2.5 L汽油機(jī)的差異較小，在下一階段執(zhí)行WLTC試驗循環(huán)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，其燃油耗優(yōu)勢并不大。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“XV ADVANCE”車型也已成功投放市場。

圖3 斯巴魯公司“Forester-Advance”車型

圖4 本田公司“Clarity PHEV”車型

2018年7月，本田公司的“Clarity PHEV”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114.6 km，按WLTC測試為101.0 km，燃油耗分別為28.0 km/L與24.2 km/L。乘用車每日續(xù)航里程的中位數(shù)約為30 km。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(huán)境負(fù)荷降至最低限度。從價格層面考慮，通常認(rèn)為該車型目前難以快速普及，而以Clarity PHEV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，會顯著推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

2018年7月，Mercedes-Benz公司對“C-Class”車系投放了相應(yīng)款式的改型車(圖5)，包括動力總成在內(nèi)的改進(jìn)點多達(dá)6 500處。其中較引人關(guān)注的是“C 200”車型，其采用了48 V輕度混合動力系統(tǒng)(BSG)，發(fā)動機(jī)排量則由原來的2.0 L縮減到1.5 L。BSG中的電動發(fā)電機(jī)功率為10 kW，與上文所述的“Forester”車型的驅(qū)動電機(jī)功率相同。該車型在JC08工況下的燃油耗為13.6 km/L，按WLTC試驗循環(huán)測試的燃油耗為12.9 km/L。其燃油耗比技術(shù)改良前的原車型更低，同時基于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)的實施經(jīng)歷了艱難歷程。另外，即便C 200車型不采用混合動力系統(tǒng)，與配裝了普通1.6 L渦輪增壓發(fā)動機(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+縮缸強化”可使燃油經(jīng)濟(jì)性有所改善。2019年3月，配裝有BSG的“E 300”車型也成功投放了市場。

圖5 Mercedes-Benz公司的“C 200”車型

圖6 三菱公司的“Outlander-PHEV”車型

2018年8月，三菱公司對“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65.0 km；采用WLTC試驗測試循環(huán)時，其EV模式下的續(xù)航里程為57.6 km，燃油耗分別為18.6 km/L與16.4 km/L。該車型驅(qū)動系統(tǒng)采用4WD模式，前輪裝備了最大功率為60 kW的電機(jī)；后輪則裝備了最大功率為70 kW的電機(jī)，并使發(fā)動機(jī)的排量由原來的2.0 L增加到2.4 L。雖然該車型主要利用電機(jī)以實現(xiàn)EV模式下的行駛，但在高速行駛工況下則仍以發(fā)動機(jī)為動力來源，力求在提高行駛性能的同時，逐漸改善環(huán)保性能。

2018年12月，豐田公司對“Prius”車型進(jìn)行了部分改良。豐田公司雖未對動力總成系統(tǒng)加以特殊改動，但出于對車輛環(huán)境性能方向的調(diào)整，車型的最佳燃油耗值由40.8 km/L(JC08工況)降至39.0 km/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)公司發(fā)布“Leaf e+”車型(圖7)?！癓eaf e+”車將以往322 km的WLTC工況續(xù)航里程延長到458 km，而該車型在JC08工況下的續(xù)航里程為570 km，能量密度提高約25%。針對質(zhì)量有所增加的狀況，日產(chǎn)公司將該車型驅(qū)動電機(jī)的最大功率提高到了160 kW，改善了高速條件下的加速時間等性能參數(shù)。在JC08工況下嘗試通過優(yōu)化燃油箱容量以延長續(xù)航里程時，部分跑車也存在達(dá)不到570 km續(xù)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(xù)航里程能力等方面，“Leaf e+”車型可與傳統(tǒng)汽油車型一較長短?！癓eaf e+”作為可投入量產(chǎn)的車型產(chǎn)品能躋身于市場前列，可稱得上意義重大。

圖7 日產(chǎn)公司的“Leaf e+”車型

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。

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(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相比2015年的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)超出5%的水平。傳統(tǒng)的12檔機(jī)械式自動變速器(AMT)也進(jìn)一步調(diào)整為16檔變速器(Pro Shift 16)。本車型的設(shè)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(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法而言，部分?jǐn)?shù)據(jù)將采用實測值，而以往各類車型曾統(tǒng)一采用行駛阻力值。試驗方法的變動，會進(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)。

圖9 五十鈴公司的“Elf”車型上配裝的發(fā)動機(jī)所采用的先進(jìn)技術(shù)

圖10 UD卡車公司的GH8型發(fā)動機(jī)

2019年1月，日產(chǎn)UD卡車公司對其“Quon”車型進(jìn)行了技術(shù)改良。該車型最大的技術(shù)特點是采用了排量為8 L的發(fā)動機(jī)(圖10)。通常，整車質(zhì)量為25 t的重型汽車須配裝排量為9～13 L的發(fā)動機(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燃油耗的改善效果同樣較為有限。另一方面，整車質(zhì)量會受到相關(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，車輛自重會相應(yīng)增加，必然會減少最大載質(zhì)量，由此降低了車輛的市場價值。因此，通過減小發(fā)動機(jī)尺寸，實現(xiàn)輕量化具有顯著意義。該款8 L發(fā)動機(jī)一方面可輸出262 kW的功率，另一方面相比傳統(tǒng)的10.5 L發(fā)動機(jī)又實現(xiàn)了輕量化。該機(jī)型質(zhì)量約為300 kg，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，一方面是因為對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行技術(shù)改良的效果有限，同時為滿足用戶需求，采用了安全設(shè)備；另一方面，則是因為須滿足內(nèi)燃機(jī)的實際行駛排放物(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，能否維持燃油耗的持續(xù)優(yōu)化趨勢，尚無法充分預(yù)測。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)會朝怎樣的方向發(fā)展，未來的數(shù)年將會成為關(guān)鍵時期。