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2016年日本本土的四輪汽車總產(chǎn)量為920萬(wàn)輛左右,接近汽車本土銷量的2倍,總銷量中海外市場(chǎng)銷量占有較大的份額,大大超過(guò)了日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷量,占據(jù)了大規(guī)模汽車銷量市場(chǎng)。本文分析了影響各國(guó)市場(chǎng)的燃油耗及廢氣排放法規(guī)要求,并論述了為滿足燃油耗及排放法規(guī)的汽車新技術(shù)發(fā)展動(dòng)向。
日本現(xiàn)有燃油耗標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)“關(guān)于能源使用的合理化等法律《節(jié)能法》”制定的。其中:中、輕型乘用車等,將于2020年(商用車為2022年)開始執(zhí)行燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。重型載貨車已經(jīng)于2015年開始執(zhí)行最新燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。盡管乘用車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)將于2020年起開始正式實(shí)施,但早已在2013年達(dá)到了該燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。另外由于燃油經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)異,混合動(dòng)力汽車的銷量有所增加。圖1表示以混合動(dòng)力為主體的新一代汽車的普及輛數(shù)。近年來(lái),每年銷售100萬(wàn)輛以上的新型汽車,對(duì)總體改善燃油經(jīng)濟(jì)性作出了貢獻(xiàn)。然而,這種現(xiàn)狀仍未達(dá)到先進(jìn)水平。預(yù)計(jì)歐美等國(guó)會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化燃油耗標(biāo)準(zhǔn),日本也將執(zhí)行下一階段的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 新一代汽車的普及輛數(shù)
歐洲是根據(jù)聯(lián)合國(guó)氣候變化框架條約所規(guī)定的削減溫室效應(yīng)氣體(GHG)排放的要求,制定了CO2排放法規(guī)。美國(guó)則依據(jù)GHG與燃油耗制定相關(guān)法規(guī)。由于含有碳?xì)浠衔?HC)的燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生并排放CO2。因此,主觀上可以看出兩者的差異不大。然而,兩者制定法規(guī)依據(jù)的體系是存在差異的,并且對(duì)于限值、目標(biāo)值的確定以及處罰條例也完全不同。
圖2是按照CO2排放量,比較了日本、美國(guó)、歐洲各國(guó)及中國(guó)的燃油耗與CO2的相關(guān)限值的結(jié)果。由圖2可知,2020年以后,各國(guó)都在努力強(qiáng)化相關(guān)法規(guī),顯然,歐洲的法規(guī)限值比日本更為嚴(yán)格。歐洲是以削減CO2排放目標(biāo)為基礎(chǔ)制定法規(guī)限值,以提高CO2的削減率為前提。日本則利用“標(biāo)桿”方式籌劃制定燃油耗標(biāo)準(zhǔn)值,即在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)年將燃油耗限值較低的發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛作為標(biāo)桿,然后大量應(yīng)用并改進(jìn)技術(shù),提高普及率,進(jìn)而決定燃油耗標(biāo)準(zhǔn)值。由此制定出符合日本實(shí)際情況的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)值。歐洲在試驗(yàn)工況下的燃油耗中添加了尚未公開的改善燃油耗的措施(如發(fā)光二極管(LED)照明燈具及高效率交流發(fā)電機(jī))等有利于環(huán)保的方法。此外,如前所述,日本由于已經(jīng)有乘用車達(dá)到了2020年燃油耗標(biāo)準(zhǔn),可認(rèn)為技術(shù)水平與歐洲相當(dāng)或超過(guò)歐洲水平。
另一方面,美國(guó)對(duì)于CO2排放的執(zhí)行措施與CO及氮氧化物(NOx)相同。當(dāng)CO2排放超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),對(duì)超過(guò)法規(guī)限值的部分處以罰金,還包括取消認(rèn)證等嚴(yán)格的處罰措施。與日本按質(zhì)量水平確定燃油耗標(biāo)準(zhǔn)值不同,美國(guó)燃油耗標(biāo)準(zhǔn)值是用汽車左、右車輪輪距乘以軸距的積為基礎(chǔ)而確定的。這是為了防止因燃油耗及CO2排放的一些改善方案對(duì)行駛安全產(chǎn)生影響。另外,降低銷售燃油耗標(biāo)準(zhǔn),將燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)異的車輛在市場(chǎng)的銷量作為信用儲(chǔ)備,在銷量超過(guò)燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的車輛時(shí),可用該信用儲(chǔ)備進(jìn)行抵銷。在世界各國(guó),要求改善燃油經(jīng)濟(jì)性及CO2排放的發(fā)展趨勢(shì)隨各國(guó)的國(guó)情而有所不同。盡管實(shí)施方法不盡相同,但節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)仍在持續(xù),顯然各國(guó)為改善燃油耗及CO2排放而競(jìng)相開展技術(shù)研發(fā)。
圖2 各國(guó)乘用車燃油耗(CO2)法規(guī)限值的推移
日本于2016年對(duì)重型載貨車進(jìn)行了廢氣排放法規(guī)強(qiáng)化,法規(guī)限值收緊。與此同時(shí),力求引進(jìn)全球統(tǒng)一試驗(yàn)法(WHTC)、全球通用穩(wěn)態(tài)循環(huán)(WHSC)和非循環(huán)排放法規(guī)(OCE)。另一方面,汽油機(jī)乘用車的評(píng)價(jià)試驗(yàn)循環(huán)從2018年變更為全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)(圖3)。雖然改善了冷起動(dòng),但為了滿足幅度寬廣的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛加速度的要求,除了部分車型滿足2005年頒布的最新長(zhǎng)期排放法規(guī)之外,其他強(qiáng)制法規(guī)并沒有大幅推廣。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用試驗(yàn)循環(huán)作為進(jìn)行廢氣排放測(cè)量的方法。在其他歐洲直噴汽車排放法規(guī)方面,有關(guān)于顆粒物(PM)排放的法規(guī),日本擬在2020年開始采用,并已向中央環(huán)境審議會(huì)申報(bào)。不僅包括稀薄燃燒,而且,采用化學(xué)計(jì)算法控制的直噴汽油車也將被列為法規(guī)管理對(duì)象,需要采取控制措施。另外,僅在歐美國(guó)家進(jìn)行排放試驗(yàn),如在-7 ℃低溫條件下的排放試驗(yàn)??梢缘贸龅慕Y(jié)論是,關(guān)于統(tǒng)一全球試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的研究和討論將更為廣泛。
圖3 WLTC車速曲線(日本除開超高速 階段(EXH)部分進(jìn)行評(píng)價(jià))
美國(guó)在2015年柴油乘用車試驗(yàn)工況認(rèn)證試驗(yàn)之外,發(fā)現(xiàn)了減排裝置功能失效(也稱失效策略)的負(fù)面案例。在歐洲,雖然開展了強(qiáng)化排放法規(guī)的工作,可是城市區(qū)域的NO2濃度并沒有得到明顯改善,該問(wèn)題仍然有待解決。這一背景下,在車輛上安裝車載排放氣體檢測(cè)系統(tǒng)(PEMS)。歐洲已于2017年9月開始投入使用,實(shí)際行駛排放(RDE)試驗(yàn)法,用于評(píng)價(jià)車輛在道路上行駛的排放性能。
日本為此也召開了研討會(huì),重新評(píng)審柴油乘用車的檢查方法并進(jìn)行了車輛實(shí)際行駛時(shí)的排放性能試驗(yàn)。在列出的試驗(yàn)結(jié)果中(表1和表2),雖然沒有與歐美國(guó)家相似的負(fù)面案例,但仍有由于氣溫變化等導(dǎo)致NOx排放增加的實(shí)例。為了防止出現(xiàn)此類事件并力求降低實(shí)際行駛狀況下的排放,開展了以下兩項(xiàng)研究:一是以異常狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)作為保護(hù)目標(biāo),并對(duì)減排裝置進(jìn)行功能限制;二是改善道路上行駛時(shí)的檢查方法。該研究結(jié)果已從2017年4月正式公布,并從2022年起應(yīng)用保護(hù)控制線及道路行駛檢查法。
表1 實(shí)際行駛時(shí)排放性能的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果
表2 臺(tái)架試驗(yàn)中法規(guī)限值一覽(平均法規(guī)限值)
近年來(lái),改善燃油耗的趨勢(shì)在中型、輕型車領(lǐng)域表現(xiàn)得尤為顯著。由于混合動(dòng)力汽車與怠速停止機(jī)構(gòu)的普及超過(guò)預(yù)期并呈現(xiàn)出向改善燃油經(jīng)濟(jì)性快速發(fā)展的趨勢(shì)。并對(duì)除此之外的傳統(tǒng)技術(shù),諸如提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)效率、降低摩擦、輕量化等方面開展研發(fā)工作。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn),以及對(duì)多種多樣的車型開展新技術(shù)應(yīng)用,不久就可實(shí)現(xiàn)燃油耗的進(jìn)一步改善。
由日產(chǎn)汽車公司生產(chǎn)的低燃油耗車輛note“e-POWER”(圖4)車型,采用了串聯(lián)式的混合動(dòng)力機(jī)構(gòu),使量產(chǎn)后的燃油耗達(dá)到了4.0 km/L的水平。不僅如此,該車型的汽油機(jī)作為發(fā)電專用動(dòng)力解決了電動(dòng)車的續(xù)航里程問(wèn)題。由于采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),從而獲得了強(qiáng)勁的起步及低噪聲性能,預(yù)計(jì)該技術(shù)今后還將推廣應(yīng)用于其他車型。
圖4 日產(chǎn)公司的note“e-POWER”車
另一方面,由于進(jìn)一步改善原有技術(shù),燃油耗值的改善變得更為困難。2017年5月大發(fā)汽車公司推出改版后的“Mirai-S”車(圖5),雖然比舊版車型質(zhì)量減輕了80 kg,實(shí)現(xiàn)了大幅度輕量化,但燃油耗值卻與改款前相同(35.2 km/L)。Mirai-S車2011年推出的混合動(dòng)力車首次燃油耗達(dá)成30.0 km/L,此后與鈴木汽車公司推出的名為“Altoeco”車競(jìng)爭(zhēng)汽油車燃油耗值首席之位。作為改善燃油耗值的領(lǐng)跑者,大發(fā)汽車公司每當(dāng)實(shí)施技術(shù)改良,必將對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行改善。但此次卻一反常態(tài),是否這也預(yù)示著燃油經(jīng)濟(jì)性的改善將愈加困難,而插電式混合動(dòng)力及純電動(dòng)車的普及將勢(shì)不可擋。
圖5 大發(fā)汽車公司的Mirai-S車
在中國(guó)及印度方面,通過(guò)削減能源消耗,改善城市區(qū)域的大氣污染,并制定相關(guān)政策,推進(jìn)電動(dòng)車的推廣。中國(guó)2015年電動(dòng)車的銷量約為24.7萬(wàn)輛,已超過(guò)日本。為了更好地在市場(chǎng)上推動(dòng)電動(dòng)車銷量,采用補(bǔ)貼政策將獲得更好的市場(chǎng)反響。同時(shí)在政策上鼓勵(lì)、扶持新一代汽車,將極大地改變純電動(dòng)車、混合動(dòng)力車、柴油車等技術(shù)勢(shì)力的分布。但需要注意的是,按照各國(guó)不同的國(guó)情,制定新一代汽車的優(yōu)惠扶持政策將左右未來(lái)汽車的發(fā)展趨勢(shì)。
重型載貨車領(lǐng)域,主要利用渦輪增壓系統(tǒng)小型化及變速器的多級(jí)化等技術(shù)來(lái)改善燃油耗。關(guān)于燃油耗法規(guī)限值,滿足2009-2010年間所實(shí)施的排放法規(guī)(日本后新長(zhǎng)期排放法規(guī))要求的車輛已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。但是,在滿足2016年排放法規(guī)要求的最新車型中,各汽車制造商正在推出比2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)改善了5%的大型卡車。其中部分車型采用了大流量廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù),以及包括瞬態(tài)響應(yīng)的高增壓技術(shù),并引進(jìn)兩級(jí)增壓系統(tǒng)等措施,同時(shí)兼顧降低廢氣排放及改善燃油耗。在高效率重型載貨車用柴油機(jī)領(lǐng)域,在使用頻度較大的工況下,從余熱中回收較高的功并不容易。因此需要進(jìn)一步改善燃油耗時(shí),可采用余熱回收系統(tǒng),進(jìn)行分選和收集。
各國(guó)頒布、實(shí)施排放法規(guī),是從汽油車開始的。為了滿足排放法規(guī)的要求,推動(dòng)了三效催化轉(zhuǎn)化器的使用和改進(jìn)(如元件高密度化、削減貴金屬使用量、優(yōu)化氧氣吸收材料等),就汽油車的排放對(duì)策而言,正在趨于完善。為達(dá)到與上述直噴汽油車類似的PM減少效果,可要求在柴油車上必須裝備顆粒過(guò)濾器。
由于柴油顆粒過(guò)濾器(DPF)的普及,以及采用降低燃油中的硫成分等措施,柴油機(jī)排放問(wèn)題已較昔日有較大改善。但是,相比于汽油車的排氣凈化性能,以及耐久性等方面的柴油機(jī)減排技術(shù)的完善程度還存在差距。即使存在前述的廢氣排放不良案例,也因?yàn)榇蠓冉档蚇Ox,與低燃油耗及耐久性等屬性相矛盾,所以,減排裝置機(jī)能失效可能性較大。柴油機(jī)并未重點(diǎn)關(guān)注燃燒過(guò)程中生成NOx等現(xiàn)象,而是著力于改善燃油經(jīng)濟(jì)性。
柴油機(jī)廢氣排放技術(shù)呈現(xiàn)出日新月異的局面,然而目前尚未出現(xiàn)全新技術(shù)的應(yīng)用情況。但采用復(fù)雜控制技術(shù),如尿素選擇性催化還原系統(tǒng)(U-SCR)的精準(zhǔn)模型化技術(shù),可進(jìn)一步改善柴油機(jī)排放。同時(shí),由于多學(xué)科技術(shù)的融合,排放改善技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展。
圖6 Mercedes-Benz公司E級(jí)車用OM654發(fā)動(dòng)機(jī)
Mercedes-Benz公司于2016年初公布并向市場(chǎng)投放了一款配裝有OM654發(fā)動(dòng)機(jī)(圖6)的新型E220d汽車(圖7)。該發(fā)動(dòng)機(jī)不僅滿足歐6法規(guī)要求,同時(shí)也滿足RDE法規(guī)的排放要求,并且符合日本國(guó)內(nèi)規(guī)格要求。此款車型已于2016年10月開始在日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售。將汽車排量從2.2 L減小為2.0 L之后,改善了燃油耗、排放和動(dòng)力性能等綜合性能。發(fā)動(dòng)機(jī)采用了最大噴油壓力為205 MPa的共軌噴油系統(tǒng)之外,還應(yīng)用了Mercedes-Benz公司特有的鋁合金機(jī)體與鋼制活塞的組合。同時(shí),為了改善整機(jī)性能,可利用燃燒及進(jìn)氣、排氣的整合,并采用涂覆技術(shù)以降低摩擦等。這是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行深化和拓展,反復(fù)實(shí)施后進(jìn)行了小幅技術(shù)改進(jìn),并進(jìn)行復(fù)雜的適應(yīng)性調(diào)試作業(yè)的結(jié)果。
圖7 Mercedes-Benz公司E220d車型
目前發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗、排放性能都與時(shí)俱進(jìn),獲得了大幅度改善。然而,要進(jìn)一步改善以上性能,在技術(shù)上、成本上都具有一定的挑戰(zhàn)性。汽車工業(yè)是各國(guó)的主要工業(yè),不僅需要每家汽車制造商發(fā)揮作用,而且還要學(xué)校、政府同時(shí)參與到聯(lián)合開展的調(diào)查研究與技術(shù)開發(fā)中。此外,除了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗及排放性能的改善外,還要與電動(dòng)機(jī)結(jié)合,投入燃料電池等最新的能源技術(shù),通過(guò)多學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)與發(fā)展從而推進(jìn)環(huán)境改善,這是當(dāng)前汽車行業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。