据统计资料显示，近年来日本运输部门的CO2排放量仍居高不下，其中源自汽车的CO2排放量约占总量的86.2%。因此，汽车仍是CO2的主要排放源之一。世界各国也一直在完善与收紧相关法规限值，以此卓有成效地改善汽车废气排放并降低燃油耗。着重分析了日本国内制定的废气排放与燃油耗相关法规及政策的发展趋势。针对当前的环保问题，介绍了近年来在日本汽车市场出售的新车型，并阐述了改善燃油耗与降低排放的技术发展趋势。
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(PM2.5)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PM2.5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，并实施噪声评价，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2.13×108 t，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/g 。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“XVADVANCE”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“ClarityPHEV”车型
2018年7月，本田公司的“ClarityPHEV”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ClarityPHEV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“C200”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C200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“E300”车型也成功投放了市场。
图5 Mercedes-Benz公司的“C200”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。
图6 三菱公司的“Outlander-PHEV”车型
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 Shift16)。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
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%。
图10 UD卡车公司的GH8型发动机
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。
注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期
作者：[日] 鈴木央一等
整理：彭惠民
编辑：伍赛特
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