汽車(chē)節(jié)能環(huán)保的綠色技術(shù)研究及應(yīng)用

向紹卿

（武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院 汽車(chē)工程系，武漢 430223）

0 引 言

進(jìn)入21 世紀(jì)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)推動(dòng)了汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展。汽車(chē)正逐步走入千家萬(wàn)戶(hù)改變著人們的生活。但汽車(chē)的激增對(duì)環(huán)境的危害和對(duì)能源的需求成為突出的問(wèn)題。如何解決這些問(wèn)題形成可持續(xù)發(fā)展模式，使汽車(chē)作為持續(xù)的交通工具繼續(xù)傳承下去，是當(dāng)代汽車(chē)行業(yè)迫切的需求。

1 汽車(chē)發(fā)展對(duì)環(huán)境影響現(xiàn)狀

1.1 汽車(chē)尾氣污染現(xiàn)狀

伴隨汽車(chē)保有量的大幅增長(zhǎng)，汽車(chē)尾氣排放出的廢物已嚴(yán)重影響著空氣質(zhì)量。近些年的霧霾天氣更是給我們敲響了警鐘。目前我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已超過(guò)兩億，眾所周知，普通汽車(chē)是通過(guò)燃燒汽油或柴油來(lái)獲得動(dòng)力的，這些礦物燃料燃燒而產(chǎn)生的物質(zhì)已成為我國(guó)空氣污染的主要來(lái)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔镆约暗趸衔飵缀?0%以上來(lái)自汽車(chē)尾氣排放，排放的顆粒物更是超過(guò)90%，這其中就包括了近期熱議的細(xì)顆粒物PM2.5［10］。細(xì)顆粒物粒徑小，含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。最新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》已將細(xì)顆粒物列入我國(guó)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。此外，由汽車(chē)尾氣排放出的碳?xì)浠衔锖偷趸衔镌陉?yáng)光的作用下產(chǎn)生的化學(xué)污染物形成的二次污染也不容忽視。光化學(xué)污染的一個(gè)重要指標(biāo)就是臭氧，在光化學(xué)反應(yīng)中釋放出的臭氧約占85%。臭氧可以吸收對(duì)人體有害的短波紫外線(xiàn)，還可以起到殺菌的作用，由此給人的印象好像是臭氧應(yīng)該越多越好。其實(shí)不然，適當(dāng)濃度的臭氧對(duì)人有益，但在地球表面聚集過(guò)多的臭氧對(duì)人類(lèi)反而是一種禍害。高濃度的臭氧會(huì)引發(fā)多種呼吸道疾病，也會(huì)刺激中樞神經(jīng)使視力下降、頭暈頭痛等，嚴(yán)重時(shí)還可能危及生命。

1.2 汽車(chē)制造工業(yè)污染

除開(kāi)這些傳統(tǒng)的汽車(chē)環(huán)境污染問(wèn)題，汽車(chē)污染問(wèn)題也擴(kuò)展到汽車(chē)整個(gè)生命周期。汽車(chē)制造商為了追求經(jīng)濟(jì)利益，在生產(chǎn)過(guò)程中使用廉價(jià)的非環(huán)保材料降低成本，近期爆出的高檔車(chē)汽車(chē)內(nèi)飾污染就是汽車(chē)制造過(guò)程中爆出的又一新問(wèn)題。具體涉及到的影響還包含許多方面：

1）噪聲。噪聲污染現(xiàn)在已經(jīng)是危害人體健康的重要原因之一，而汽車(chē)制造所產(chǎn)生的噪聲污染主要屬于工業(yè)噪聲，這種噪聲級(jí)別較高，對(duì)人體的影響也較大。

2）污水、廢氣排放。汽車(chē)制造階段涉及很多工藝過(guò)程，絕大部分都會(huì)產(chǎn)生廢水。這些廢水中除了一些生產(chǎn)用料還含有很多中間產(chǎn)物，這些都是水質(zhì)的重要污染源。同時(shí)在制造階段工廠(chǎng)排放的氣體、粉塵和生產(chǎn)過(guò)程中有揮發(fā)性的有機(jī)化合物也會(huì)引起大氣污染。

3）廢料。任何制造工業(yè)都會(huì)產(chǎn)生多種多樣的廢料，這些廢料包括物料加工中產(chǎn)生的各種邊角料、廢油以及一些副產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)除對(duì)部分廢棄物有明確的回收規(guī)定外，其余廢料都無(wú)明確的回收規(guī)定。如何對(duì)這些材料進(jìn)行綠色處理防止其產(chǎn)生二次污染，也是如今要解決的重要問(wèn)題。

1.3 能源消耗

到2010 年我國(guó)已經(jīng)超越美國(guó)成為全球能源消耗第一大國(guó)，中國(guó)的能源消耗量占全球的20%以上，而汽車(chē)用燃油已占國(guó)內(nèi)能源消耗量的1/3，單位GDP 耗能是全球平均水平的2.5 倍［4］。但是我國(guó)的能源利用率與其他工業(yè)化國(guó)家相比要低不少。這也說(shuō)明我們?cè)诳刂栖?chē)用能源消耗的同時(shí)，也需要控制制造階段的能源消耗。

1.4 汽車(chē)報(bào)廢回收污染

現(xiàn)階段汽車(chē)報(bào)廢后大部分的金屬材料因?yàn)榛厥諆r(jià)值高所以回收率也較高。而大量的塑料、復(fù)合材料、廢液等廢舊件，由于受回收處理手段、回收成本和監(jiān)管制度的缺失等因素影響，在回收中被直接焚燒或填埋，這樣的處理方式對(duì)大氣、土壤和水源造成二次污染。

2 汽車(chē)尾氣污染的防治措施

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化

依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件來(lái)看要完全消除廢氣污染是很難的，但隨著越來(lái)越多電子技術(shù)在汽車(chē)上的運(yùn)用，加快了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)凈化是從根本上降低污染物生成量的一種技術(shù)。當(dāng)前在汽車(chē)上常用的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要有以下幾種：

1）汽、柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)。電控燃油噴射系統(tǒng)利用微電子技術(shù)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)狀況，并將信息傳給控制單元分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)燃油在不同工況下適時(shí)、適量地噴入氣缸，以此來(lái)改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放污染物。據(jù)分析，使用電控燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與使用傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，功率提高了5%～10%，燃油消耗率降低了5%～15%，對(duì)控制有害物的排放也有很好的效果［6］。

2）稀燃技術(shù)。為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性、改善排放，稀薄燃燒技術(shù)被引入到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中。稀薄燃燒能使氮氧化合物的排量明顯降低，同時(shí)較高的空氣比值增加了排放物中一氧化碳和碳?xì)浠衔锉谎趸牧浚@也達(dá)到了降低這兩種有害氣體排放的目的。為了能使發(fā)動(dòng)機(jī)在高空燃比的工況下不失火必須有三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)支持：提高壓縮比、分層燃燒和高能點(diǎn)火。稀燃技術(shù)雖不及缸內(nèi)直噴系統(tǒng)先進(jìn)，但低廉的價(jià)格使稀燃技術(shù)仍擁有廣闊的市場(chǎng)。

3）廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)排放的部分廢氣重新引入進(jìn)氣系統(tǒng)，與可燃混合氣一起進(jìn)入氣缸中進(jìn)行二次燃燒，廢氣中的二氧化碳吸收大量熱量降低了可燃混合氣的燃燒溫度，從而減少氮氧化合物的生成。廢氣再循環(huán)是當(dāng)代汽車(chē)廣泛使用的一種降低氮氧化合物排放的技術(shù)。

4）柴油機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)。根據(jù)《2013 年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào)》數(shù)據(jù)顯示。2012 年，全國(guó)汽車(chē)排放氮氧化合物640.0 萬(wàn)t，顆粒物62.2 萬(wàn)t。其中柴油機(jī)排放的氮氧化合物接近總量的70%，顆粒物更是超過(guò)了90%［10］。由于柴油的屬性不同于汽油，柴油機(jī)的燃燒過(guò)程也遠(yuǎn)比汽油機(jī)復(fù)雜。要控制柴油機(jī)有害物質(zhì)的排放，燃燒效能是關(guān)鍵。近年來(lái)，技術(shù)人員從燃燒室、混合氣的形成以及噴油規(guī)律等方面入手，研究出很多新型柴油機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，高壓共軌、新型燃燒室、預(yù)噴射多段噴射、可變進(jìn)氣、多氣門(mén)、增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)等技術(shù)，都有效地控制了有害物的排放。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化后處理技術(shù)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高，技術(shù)的限制和龐大的研制經(jīng)費(fèi)使單靠研制發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足環(huán)保要求已不可行。所以工程人員想到了在排氣系統(tǒng)中加裝一個(gè)后處理裝置，用物理或者化學(xué)的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行再凈化后排出，以減少排入大氣中有害氣體的含量。

尾氣后處理裝置主要有汽油機(jī)常用的三元催化轉(zhuǎn)化器和柴油機(jī)使用的針對(duì)微粒的顆粒物捕集器（DPF）、氧化催化轉(zhuǎn)化器（OCC）以及針對(duì)氮氧化合物的選擇性催化還原（SCR）。這些裝置的使用不但有效地改善了排放，而且保證了汽車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性不受影響。

3 汽車(chē)綠色設(shè)計(jì)

綠色設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品及其壽命周期全過(guò)程的設(shè)計(jì)中，要充分考慮對(duì)資源和環(huán)境的影響，在充分考慮產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、開(kāi)發(fā)周期和成本的同時(shí)，更要優(yōu)化各種相關(guān)因素，使產(chǎn)品及其制造過(guò)程中對(duì)環(huán)境的總體負(fù)影響減到最小，使產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)符合綠色環(huán)保的要求。2012 年的兩會(huì)首次把PM2.5 寫(xiě)入政府工作報(bào)告，表明了中央政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視。而國(guó)內(nèi)現(xiàn)在"有污制污"的末端處理模式顯然已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今的環(huán)保需求。為了能充分地利用各種自然資源，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展并從源頭上控制環(huán)境問(wèn)題，綠色設(shè)計(jì)這一新的理念應(yīng)運(yùn)而生。早在20 世紀(jì)60 年代美國(guó)設(shè)計(jì)師維克多·巴巴納克（Victor Papanek）就提出過(guò)類(lèi)似的思想，他強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)應(yīng)該重視地球資源的使用問(wèn)題，并為保護(hù)地球的環(huán)境服務(wù)［9］。

圖1 汽車(chē)綠色制造生命周期

汽車(chē)綠色設(shè)計(jì)除了要滿(mǎn)足車(chē)輛本身的技術(shù)要求外，還要注重保護(hù)環(huán)境維護(hù)生態(tài)平衡，提高回收率減少?gòu)U棄物數(shù)量。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)代的汽車(chē)綠色設(shè)計(jì)要從汽車(chē)污染、材料選擇加工、能源消耗和報(bào)廢回收這幾個(gè)方面來(lái)保證最佳的生態(tài)效益，使對(duì)環(huán)境的副作用最小，如圖1。

美國(guó)特斯拉汽車(chē)公司提倡“用獨(dú)特和創(chuàng)新的方式改善人類(lèi)的生活”，該公司生產(chǎn)的純電動(dòng)跑車(chē)近年來(lái)風(fēng)靡全球，特斯拉汽車(chē)的核心已不是發(fā)動(dòng)機(jī)，取而代之的是電池組，由于電動(dòng)汽車(chē)本身不排放有害氣體，故此設(shè)計(jì)理念就順應(yīng)了綠色設(shè)計(jì)的思想，即從源頭上控制環(huán)境問(wèn)題。

3.1 綠色制造材料

材料是制造業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，新的技術(shù)革命使材料除了擁有普遍性和重要性外還具有多樣性。汽車(chē)材料主要分為汽車(chē)工程材料和汽車(chē)運(yùn)行材料兩類(lèi)，制造材料主要針對(duì)的是汽車(chē)工程材料。在綠色制造中材料的選擇同樣是把環(huán)保特性放在首位。汽車(chē)用材料選擇主要突出輕量化、環(huán)?；透呋厥章?，其代表了材料行業(yè)的較高水平。越來(lái)越多的高強(qiáng)度合金、復(fù)合材料和工程塑料在汽車(chē)行業(yè)得到運(yùn)用。新型綠色材料不僅能保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)大量新型材料的運(yùn)用對(duì)汽車(chē)綠色設(shè)計(jì)也是一種促進(jìn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念可能已不再適應(yīng)，取而代之的是更優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，這也極大地推進(jìn)了汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

3.2 替代燃料與新能源汽車(chē)

內(nèi)燃機(jī)在經(jīng)過(guò)100 多年的發(fā)展后已經(jīng)高度精密和完善，但隨著傳統(tǒng)能源的急劇消耗和汽車(chē)燃燒排放對(duì)環(huán)境的污染日益加劇，替代能源和綠色汽車(chē)技術(shù)正被更多的國(guó)家所重視。新能源和綠色汽車(chē)在低碳環(huán)保方面優(yōu)勢(shì)突出，已經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。世界各大汽車(chē)公司以及國(guó)內(nèi)各大科研機(jī)構(gòu)和高等院校紛紛致力于開(kāi)發(fā)清潔節(jié)能汽車(chē)，使新能源汽車(chē)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。我們國(guó)家早在“十五”期間就提出以汽油車(chē)為起點(diǎn)，向氫動(dòng)力車(chē)目標(biāo)挺進(jìn)的戰(zhàn)略。2007 年我國(guó)的綠色汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已取得良好的成績(jī)，純電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力和燃料電池車(chē)相繼問(wèn)世。同樣現(xiàn)階段在替代燃料研制方面也有重大突破，一般我們將代用燃料歸納為兩大類(lèi)：一類(lèi)是液體燃料，如醇類(lèi)燃料和植物油燃料等；另一類(lèi)則是氣體燃料，如氫氣、天然氣和液化石油氣等。目前在我國(guó)的公共交通服務(wù)領(lǐng)域上正大力推廣使用這些替代燃料，并取得了良好的效果。

3.3 報(bào)廢車(chē)輛回收利用

絕大部分的汽車(chē)部件對(duì)環(huán)境的影響都體現(xiàn)在報(bào)廢階段以后，快速增長(zhǎng)的汽車(chē)市場(chǎng)使回收再利用這一領(lǐng)域面臨的問(wèn)題逐步突顯。僅到2011 年我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有總量已達(dá)到約2.08 億輛，其中汽車(chē)占44.7%，每年報(bào)廢的車(chē)輛有近400 萬(wàn)輛。隨著報(bào)廢車(chē)輛數(shù)量的增加，暴力分解所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也更加嚴(yán)峻。綠色設(shè)計(jì)所提倡的循環(huán)經(jīng)濟(jì)中“自然資源→產(chǎn)品→再生利用”的閉環(huán)控制模式，從一開(kāi)始就保證了報(bào)廢車(chē)輛的高回收性，使生產(chǎn)制造階段對(duì)環(huán)境的危害最小化，而組合設(shè)計(jì)和可拆卸設(shè)計(jì)也保證了后期的可行性。同時(shí)為保證車(chē)輛報(bào)廢后能被充分分解利用，讓有用資源得到有效利用，讓有害材料得到妥善處理，避免污染環(huán)境，建立規(guī)范的制度和正規(guī)的回收市場(chǎng)也就顯得極為重要。

4 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正處在一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。隨著車(chē)輛的增長(zhǎng)，日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越受到國(guó)家的重視，各種新型制度的建立也激勵(lì)汽車(chē)行業(yè)提高創(chuàng)新力和研發(fā)力，以順應(yīng)越來(lái)越高的環(huán)保需求。而將“綠色”概念融入到我們的汽車(chē)發(fā)展中，體現(xiàn)了汽車(chē)行業(yè)對(duì)科學(xué)技術(shù)所引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題的反思，力爭(zhēng)從實(shí)質(zhì)上改善和提高汽車(chē)的環(huán)保性能。相信隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐步提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車(chē)對(duì)環(huán)境的影響將會(huì)越來(lái)越小，最終發(fā)展成一個(gè)安全可靠的綠色工具。

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