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0 前言

承擔載客及貨物運輸任務(wù)的汽車消耗大量石油，是形成大氣污染及地球溫室氣體CO2的主要排放源。因此，發(fā)達國家今后10年內(nèi)從轎車到重型汽車均會執(zhí)行最嚴格的排放法規(guī)?？梢灶A計，大氣污染問題將得到初步解決[1]。另一方面，在汽車普及化進展顯著的發(fā)展中國家，石油的需求快速增長，導致大城市的污染問題日益嚴重，因此采取相應(yīng)對策成了當務(wù)之急。

圖1 2011年度日本運輸部門的CO2排放量

在日本，每年有46%的石油(約900億L)作為汽車用燃料使用[2]。如圖1所示，交通運輸所排放的CO2占總體的18.5%，其中，由汽車排放的CO2達到近9成[3]。根據(jù)《京都議定書》的5年期目標，與1990年相比削減溫室效應(yīng)氣體排放6%，已于2012年實現(xiàn)了。作為今后的努力方向，2015年年末，在巴黎召開的第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(COP21)上日本提出了2030年的目標：與2013年相比，削減26%的溫室氣體排放。同時，這一目標已由政府明確備案。為實現(xiàn)該目標，需要運輸部門削減近30%的CO2排放量。另外，到2050年發(fā)達國家要使溫室氣體降低至目前水平的80%，同時要求交通運輸降低80%的溫室氣體排放。

因此，以傳統(tǒng)的汽油車及柴油車為中心，改善燃油耗被列為重要課題，要求汽車生產(chǎn)商考慮面向日本國內(nèi)、國外市場的需求，開展戰(zhàn)略性的技術(shù)開發(fā)。除此之外，從長遠發(fā)展來看，還需要通過插電式混合動力車(PHEV)、電動汽車(EV)，以及燃料電池汽車(FCV)等下一代新型汽車在市場上的普及，以更好地改善燃油經(jīng)濟性與降低CO2排放。因此，根據(jù)以上觀點，展望了汽車動力傳動系統(tǒng)的環(huán)境、能源領(lǐng)域的課題和解決對策。

1 汽油車的對策與技術(shù)

1.1 排放對策與技術(shù)

裝有精確先進的電子控制燃油噴射系統(tǒng)和三效催化轉(zhuǎn)化器裝置的汽油車，對氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(HC)、CO等3種排放成分設(shè)定了新的排放法規(guī)限值，正大幅度地降低其排放值。日本自2009年開始執(zhí)行后新長期排放法規(guī)后，根據(jù)JC08工況設(shè)定了排放限值[1]。同時，環(huán)保車輛減稅制度也發(fā)揮其作用，通過設(shè)定NOx及HC排放量為原限值的四分之一，完成了超低排放特性的汽油車超過一半市場份額的目標。為此，在冷起動的暖機過程中促進催化器升溫等措施均被加強。在低燃油耗技術(shù)中，實現(xiàn)稀薄燃燒是核心目標，除此之外，對配裝直噴發(fā)動機的車輛開發(fā)和應(yīng)用與三效催化轉(zhuǎn)化器效果相同的新型催化器系統(tǒng)也是減少NOx排放的必要措施。上述策略是發(fā)達國家共同的技術(shù)方向，將以歐洲、日本和發(fā)展中國家為中心，以輕型車(圖2)為研究對象，根據(jù)世界統(tǒng)一輕型車驅(qū)動試驗循環(huán)(WLTC)，日本將從2018年開始采用全球統(tǒng)一輕型車試驗方法(WLTP)對以下所示成份規(guī)定了新的排放法規(guī)限值[1]：

(1)燃用汽油、液化石油氣(LPG)車輛非甲烷碳氫化合物(NMHC)：從0.05 g/km降至0.10 g/km。

(2)柴油車NOx：從0.08 g/km降至0.15 g/km。

另一方面，在美國加利福尼亞州，為進一步改善大氣環(huán)境，以輕型車為對象的LEV Ⅲ相關(guān)法規(guī)中，規(guī)定到2025年，車隊平均非甲烷有機氣體成分(NMOG)與NOx的總排放限值為0.019 8 g/km，規(guī)定顆粒物(PM)排放為0.7 mg/km，要求比目前水平分別降低75%與90%，可以說是達到極限的法規(guī)限值[4]。美國環(huán)境保護局三階段標準(EPA Tier3)[5]與上述法規(guī)類似。

在歐盟國家(EU)，自2014年起開始從法規(guī)歐5向歐6過渡。同時，對于直噴汽油機，根據(jù)2011年的規(guī)定，PM限值逐漸增加到6×1011/km，因此部分車輛上需要通過配裝過濾器(GPF)以實現(xiàn)相應(yīng)目標。

圖2 全球統(tǒng)一輕型車排放試驗循環(huán)

1.2 燃油耗基準的收緊、對策與技術(shù)

對于汽油車而言，實現(xiàn)低排放特性之后，對燃油耗改善技術(shù)的開發(fā)與普及正在成為核心課題。在日本，大部分車型均提前達成了2015年度的燃油耗標準，并根據(jù)企業(yè)平均水平，設(shè)定了從2020年度開始執(zhí)行的燃油耗基準(20.3 km/L)[6]。同樣，對于輕型、中型貨車也提出了從2022年起執(zhí)行的基準值[7]。

歐盟針對CO2排放量制定了燃油耗基準，提出從2012年執(zhí)行130 g/km的基準值，并給出了將從2021年執(zhí)行的95 g/km的基準值，美國跟隨歐洲國家、日本的步伐，也推進了燃油耗基準值的收緊目標。圖3表示根據(jù)新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)換算出的上述各國燃油耗基準值并進行比較后的結(jié)果[8]。在發(fā)展中國家，改善燃油耗的意識也正在進一步提高，與下一代汽車的開發(fā)方向相比，其成本較低，因此對汽油車燃油耗進行改善的措施顯得更為重要。

圖3 各國乘用車燃油耗基準的CO2排放量比較

如表1所示，改善燃油耗的技術(shù)是對發(fā)動機的多種可變機構(gòu)(如可變氣門機構(gòu)等)進行優(yōu)化和利用，確保燃油供給系統(tǒng)控制的精準化，降低各部件及輔機類的摩擦損失。此外，也要實現(xiàn)自動變速(AT)系統(tǒng)的高效化、車體的輕量化，以及低阻力輪胎的應(yīng)用等。

表1 汽車的燃油耗改善技術(shù)

燃油耗改善率：◎ 10%以上，○ 5%～10%，□ 5%以下

近幾年來，汽油機運用增壓與直噴系統(tǒng)以實現(xiàn)發(fā)動機的小型化。當單位氣缸的負荷增大，機械損失及熱損失會相對減少，德國汽車生產(chǎn)商已率先對該技術(shù)進行了升級與應(yīng)用。近期日本汽車生產(chǎn)商也在陸續(xù)采用該項技術(shù)。為進一步提高發(fā)動機性能，實現(xiàn)高增壓化與高壓縮比化是開發(fā)的必要因素，不過實現(xiàn)該目標會帶來爆燃等負面影響，因而受到一定限制。因為提前點火容易導致發(fā)動機發(fā)生爆燃，并帶來嚴重的后果。附著在氣缸壁面上的汽油與潤滑油混合成分及缸內(nèi)易于形成著火源的沉積物也是誘因之一。雖然還沒有明確的答案，但對該現(xiàn)象的分析及對策也是重要的研究課題[9]。

近十幾年來，預混合壓縮點火(PCCI)和HCCI燃燒技術(shù)引起了廣泛關(guān)注，市場也期待該技術(shù)實用化。在汽油機方面，在大流量廢氣再循環(huán)(EGR)及稀薄混合氣的條件下，由于利用高壓縮比結(jié)構(gòu)進行壓縮點火，使得降低NOx及達到高效化成為可能。由于急劇燃燒形成發(fā)生在低負荷低轉(zhuǎn)速的工況條件下，導致控制較為困難，目前實現(xiàn)這些技術(shù)仍具有一定挑戰(zhàn)性。

以1973年的石油危機為起點，自從設(shè)定燃油耗基準以來，需要達成燃油耗每10年有所改善的目標。而且，通過2020年的燃油耗基準的收緊，燃油耗改善目標逐步接近于20%～30%的數(shù)值。預計未來利用發(fā)動機燃燒技術(shù)本身改善燃油耗將達到上限。汽油車燃油耗改善的最有效手段之一是實現(xiàn)混合動力化。不過，任何情況都必須以實現(xiàn)發(fā)動機的高效化為前提。

2 柴油車的對策與技術(shù)

2.1 排放對策

對于要求實現(xiàn)低燃油耗、高功率目標的載貨車、公共客車而言，柴油機還將繼續(xù)作為未來主流發(fā)動機占據(jù)重型車輛的市場。即使在乘用車領(lǐng)域，柴油機相比汽油機，熱效率高出約20%，能有效抑制CO2排放。另一方面，由于不均勻噴霧燃燒會導致NOx、黑煙及PM，要實現(xiàn)與汽油車同樣的環(huán)保指標仍具有一定挑戰(zhàn)性。

圖4示出了歐洲、美國、日本柴油車重型車排放法規(guī)的動向。在日本，關(guān)于2016年以后NOx與PM的法規(guī)限值，通過基于國際統(tǒng)一的試驗法(WHDC)進行設(shè)定，將包括冷起動過程在內(nèi)的限值分別設(shè)定為由0.40 g/(kW·h)降至0.01 g/(kW·h)[1]。在美國加利福尼亞州，為改善地區(qū)的大氣環(huán)境，對于重型車的法規(guī)控制更為嚴格，要求NOx排放比2010年的限值減少75%～90%，數(shù)值設(shè)定由0.07 g/(kW·h)降至0.03 g/(kW·h)[10]。

圖4 日本、美國、歐盟國家柴油重型車的NOx與PM排放法規(guī)

為了降低NOx排放，廣泛采用EGR及噴射定時控制。作為燃油耗及PM的改善措施，廣泛采用帶可變機構(gòu)及多級化的渦輪增壓系統(tǒng)，通過電子控制，共軌式系統(tǒng)能夠在高壓下實現(xiàn)靈活的多次噴射。為實現(xiàn)發(fā)動機的小型化，高增壓技術(shù)會得到進一步的發(fā)展。按照這一方案，噴射壓力要求從目前的200 MPa提升至300 MPa，另外關(guān)于噴射系統(tǒng)的可靠性、耐久性，以及噴霧特性的課題還有待研究。

在排氣后處理技術(shù)中，柴油機顆粒過濾器(DPF)是不可或缺的。日本從2009年開始執(zhí)行新長期排放法規(guī)。圖5示出了帶尿素噴射的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，同時吸收型NOx還原催化器的利用也是必不可少的。其中，有待解決的課題包括：燃燒技術(shù)的作用與分配；溫室氣體對N2O的抑制；系統(tǒng)的可靠性與耐久性；系統(tǒng)的整體化與緊湊化；總體的成本削減等。未來10年，將按照發(fā)動機尺寸進行最佳的方案選擇。

圖5 柴油車中的氧化催化器、DPF、帶尿素噴射的SCR系統(tǒng)

在歐盟市場，由于柴油機的大扭矩與低燃油耗特性，搭載柴油機的小型轎車約占總量的50%。然而在日本，由于柴油機會產(chǎn)生黑煙，以及噪聲-振動-平順性(NVH)等問題，柴油機用于乘用車的并不多，減排措施的高成本也是一項原因，導致了柴油機乘用車曾一度退出市場。近期，馬自達公司將滿足后新長期排放法規(guī)的清潔柴油機乘用車進行市場投放，做到能滿足歐6及美國Tier2 Bin5排放法規(guī)要求。日本從石油產(chǎn)品均衡發(fā)展和抑制CO2方面來說，期待柴油機乘用車占有一定比例的市場份額，但是為了未來產(chǎn)品的普及化，更高性能的廢氣凈化系統(tǒng)的實用化及成本降低將成為技術(shù)關(guān)鍵點。表2示出了上述的乘用車用汽油機和柴油機的比較。

表2 乘用車用汽油機與柴油機的比較

注：“+”指優(yōu)勢，“-”指劣勢，“0”指基準。

2.2 偏離試驗循環(huán)與實際行駛中的排放對策

2011年，在日本一部分滿足后新長期排放法規(guī)要求的重型車，在法定循環(huán)試驗以外的運轉(zhuǎn)條件下，發(fā)現(xiàn)了由于不當控制使得排氣后處理系統(tǒng)無效的實例，之后由國家進行了調(diào)查研究，制定了相關(guān)禁止操作的措施[1]。

在歐盟，雖然排放法規(guī)已收緊，可是大城市出現(xiàn)黑煙，PM濃度超過環(huán)境標準的狀況仍頻繁發(fā)生。因此，作為影響環(huán)境的重要因素之一，對引進柴油機乘用車的法規(guī)及限值進行了重新研究。由于實際行駛排放試驗(RDE)與認證值并不符合，因此需要對RDE排放的輕型排放測量裝置(PEMS)進行評價與限值規(guī)定。采用這種方法仍然有待解決試驗方式和條件，包括RDE限值的設(shè)定，系統(tǒng)的測量誤差及校正等課題。在日本，也需遵守在多數(shù)穩(wěn)定條件下不超過恒定值的國際標準化的偏離循環(huán)試驗法(WNTE)，目前正在研究PEMS的引進。

對于重型車，有必要研究排放與燃油耗試驗法的整合性。此外，也將利用校驗廢氣凈化性能的高級車載診斷系統(tǒng)(OBD)，同時為實現(xiàn)NOx傳感器的實用化，也在進行PM傳感器的開發(fā)。另外，在歐盟，PM限值的法規(guī)已開始執(zhí)行，而日本也需要開展其必要性的討論，進而調(diào)查柴油車對PM 2.5的影響[1]。

2.3 重型車的燃油耗改善

在日本，乘用車的燃油耗改善最受大眾關(guān)注，不過，總質(zhì)量超過3.5 t的卡車及公共客車等配裝柴油機的重型車燃油耗改善，也是極為重要的課題。日本以削減CO2為目標，設(shè)定了2015年度燃油耗標準，要求比2002年改善12.2%。這是世界首個重型車燃油耗基準，燃油耗的測量方法是以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的發(fā)動機燃油耗特性為基礎(chǔ)，計算過渡行駛工況下的燃油耗的方式，對于城市內(nèi)行駛工況(JE05工況)及城市間行駛工況，按照車種的使用系數(shù)取加權(quán)平均值。

美國參考日本的研究，首先由美國運輸署高速公路交通安全局(NHTSA)及EPA，制定了商用車燃油耗標準。該標準以2014-2018年的車型為對象，要求與2010年相比，燃油耗改善6%～23%，該基準為美國首次對商用車執(zhí)行的燃油耗基準。目前美國正在進行進一步改善燃油耗的第二階段(2020-2025年)研究。

EPA主導實施的研究開發(fā)計劃，以面向執(zhí)行下一階段燃油耗法規(guī)的8級超重型車的燃油耗改善為目標，著手制定關(guān)于Cummins、Navistar、Daimler和Volvo 4家公司的法規(guī)，自2010-2014年EPA提供100億日元的半額研發(fā)補助金用于改善運輸效率，力求達到總體效率提升50%，車輛技術(shù)提升30%，柴油機技術(shù)提升20%的目標。因此，總體目標是使發(fā)動機的有效熱效率提高42%～50%，而實際上根據(jù)情況預測可以將有效熱效率改善至55%。作為發(fā)動機技術(shù)的研發(fā)，除了實現(xiàn)渦輪增壓器的高效化外，還致力于對渦輪復合系統(tǒng)的開發(fā)。另外，對排氣余熱進行能量回收，利用朗肯循環(huán)以獲得動力，該措施可以改善2%～6%的燃油耗，對混合動力系統(tǒng)的開發(fā)也在同時進行。確保性價比及穩(wěn)定性，兼顧車輛整體的輕量化，降低排放被列為待解決課題。歐盟也在研究重型車的燃油耗標準的設(shè)定工作。

3 非競爭領(lǐng)域的研究開發(fā)

在上述發(fā)動機的研究課題中，可看到日本各公司間都在互相借鑒。在該領(lǐng)域，企業(yè)、學校協(xié)作研究，各企業(yè)共享研究成果，并應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化，可謀求共同提高開發(fā)效率。在歐盟，發(fā)動機研究組織以德國發(fā)動機研究協(xié)會(FVV)為首，不僅在發(fā)動機領(lǐng)域，而且在廣泛的汽車技術(shù)領(lǐng)域都開展了相關(guān)研究，包括人才的交流及培養(yǎng)，均取得了出色的成績。

在日本，以相關(guān)企業(yè)、學校、政府為聯(lián)合，從2014年起的5年內(nèi)，由內(nèi)閣政府主導提出“革新的燃燒技術(shù)”課題，這是戰(zhàn)略創(chuàng)新計劃的10個課題之一。該課題計劃從科學技術(shù)振興機構(gòu)(JST)所管理的大學、企業(yè)等組織獲得技術(shù)支持(圖6)，以乘用車用汽油機與柴油機兩種發(fā)動機為研究對象，力爭實現(xiàn)燃燒的改善及控制，利用排氣能，降低機械摩擦，實現(xiàn)有效熱效率至50%的目標。圖7表示對應(yīng)于該計劃，考慮了燃燒室壁面溫度及因此而產(chǎn)生的爆燃，以熱損失及進、排氣過程的燃燒模型應(yīng)用于汽油機，幫助完成未來熱效率改善至50%的目標，數(shù)值預測采用了各種技術(shù)以獲得結(jié)果。

圖6 新燃燒技術(shù)的開發(fā)

圖7 汽油機實現(xiàn)50%熱效率的情況

由經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省牽頭組成的汽車用內(nèi)燃機技術(shù)研究組織(AICE)于2014年開始開展工作。由國家與9家乘用車發(fā)動機生產(chǎn)商投入研究經(jīng)費，由大學及中立的研究機構(gòu)參與，對清潔柴油機排放處理策略進行相關(guān)研究。根據(jù)上述情況，構(gòu)建了非競爭領(lǐng)域的企業(yè)、學校的聯(lián)合研發(fā)體制，幫助促進新技術(shù)的創(chuàng)造及人才的培養(yǎng)與交流。新一代汽車研發(fā)領(lǐng)域也要廣泛構(gòu)建此類聯(lián)合體制，以促進企業(yè)、學校間的交流成果。

在為適應(yīng)更嚴格的環(huán)境法規(guī)而進行的發(fā)動機系統(tǒng)開發(fā)過程中，反復進行試制與試驗導致投入的時間與人力成本過高，同時面向多機型迅速開展研發(fā)也有困難。作為其解決對策，數(shù)值仿真模型的運用是不可或缺的。驗證了各子模型后，完成新的燃燒系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計、制造，并擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。另外，在發(fā)動機控制領(lǐng)域，設(shè)定相應(yīng)運轉(zhuǎn)條件的以操作因子的圖像為基礎(chǔ)的控制方式。但是，為滿足復雜性能要求與法規(guī)擴展延伸，需要尋找滿足過渡運轉(zhuǎn)條件的發(fā)動機的適合工況。

對此，今后要求運用以高通用性的數(shù)值模型為基礎(chǔ)的模型庫控制方法，包括以精準的數(shù)值仿真模型為基礎(chǔ)的簡單化數(shù)值模型。該方法使得各種傳感器使用限制降至最低，從而易于滿足發(fā)動機的法規(guī)要求。今后系統(tǒng)開發(fā)的必要性將會繼續(xù)提升。

4 下一代汽車的開發(fā)與普及

1973年爆發(fā)石油危機后，EV呈現(xiàn)迅速增長的趨勢，同時上世紀90年代美國加利福尼亞州政府頒布了法律，規(guī)定有義務(wù)引進零排放車輛。自2009年以來，世界首臺批量生產(chǎn)型的EV在日本上市。在這一背景下，蓄電池、電動機，以及電子控制系統(tǒng)得以大幅度地發(fā)展。

另一方面，日本在混合動力技術(shù)領(lǐng)域取得了較大的進展。1992年，世界首批混合動力車“Prius”上市，其他公司的混合動力車型(HEV)隨之陸續(xù)投放市場，并延續(xù)至今。

對EV、HEV、PHEV的實用化，以及最近已量產(chǎn)化的FCV的開發(fā)要點，是使相關(guān)的主要組件實現(xiàn)實用化。今后也會以發(fā)動機為首要研究對象，通過蓄電池及電力電子學等實現(xiàn)更高性能。

在歐洲，近十幾年來以燃油經(jīng)濟性較好的柴油機轎車為中心擴大市場份額，燃油耗的改善也取得了進展，但是，如之前圖3所示，為了滿足CO2排放要求，法規(guī)仍然存在不足之處。幾年來，除了提倡汽油車的小型化外，使領(lǐng)先的混合動力產(chǎn)品的輸出電壓也達到48 V，通過怠速停止技術(shù)及簡易的柔性混合動力化，在寬廣的運行范圍內(nèi)以較低的成本改善燃油耗10%～15%，并引進PHEV作為更高級的燃油耗對策。

圖8 下一代汽車的種類及普及情況的預測

圖8表示國際能源機構(gòu)(IEA)開展的從2000年至2050年間各種乘用車保有份額的預測結(jié)果，表3則歸納了各種車型的性能特點與研究課題。以上數(shù)據(jù)顯示，為實現(xiàn)低碳化，EV及FCV的普及是必不可少的。同時蓄電池性能需要大幅提高，利用可再生能源發(fā)電，以及能夠制取氫的設(shè)備也是不可或缺的。即便在2050年，配裝發(fā)動機的車輛仍占55%的份額，因此，預計發(fā)動機的高效化還將繼續(xù)。

表3 新一代汽車的特征與課題

▲最差；◎最優(yōu)；○優(yōu)；△差；□中間

5 結(jié)語

在日本、美國、歐洲各國的汽油車與柴油車滿足從2010年到2020年前半期的相關(guān)排放法規(guī)要求后，在中長期階段，還需進一步提高性能，以改善燃油經(jīng)濟性為目標繼續(xù)發(fā)展。在今后至少20年內(nèi)，包括混合動力車在內(nèi)的汽油車、柴油車仍保有市場主要地位。屆時，支持發(fā)動機數(shù)值仿真的技術(shù)將得到發(fā)展，并加以應(yīng)用。另外，通過積極推進試驗方法與統(tǒng)一排放法規(guī)的全球標準，以削減開發(fā)時間與人力，進而降低成本，迅速適應(yīng)國際市場需求。

預計今后高速道路交通系統(tǒng)(ITS)及信息通信技術(shù)(ICT)將得以發(fā)展，以提高交通的便捷性，以及促進交通的順暢化、貨物運輸?shù)母咝Щ?、公共交通設(shè)備的充分利用等。而且，過度地依賴于汽車的商貿(mào)習慣及生活方式也會改變。

以削減汽車交通領(lǐng)域的CO2為目標，預計從目前到2030年可以達到削減30%以上的目標，到2050年可實現(xiàn)削減80%排放總量的目標。另外，有必要構(gòu)建企業(yè)、學校、政府的聯(lián)合運作體制，共同按照有關(guān)政策確保資源，及節(jié)能措施，對削減CO2排放的中長期目標與前景進行研究開發(fā)，并推進研發(fā)成果的具體應(yīng)用。

對于汽車快速普及化的新興國家而言，克服大氣污染問題之后，應(yīng)對燃油需求量的不斷擴大，與擺脫對石油資源的依賴已被列為重要的課題。由此迫切需要對這些新興國家提供包括歐洲各國、日本、美國等發(fā)達國家的先進技術(shù)及制定政策、法規(guī)的方法。日本汽車的CO2排放不到世界總體CO2排放量的1%，但也需要進一步抑制CO2排放，并且通過對發(fā)展中國家提供支援，進而為全球的節(jié)能減排工作作出貢獻。