據統計資料顯示，近年來日本運輸部門的CO2排放量仍居高不下，其中源自汽車的CO2排放量約佔總量的86.2%。因此，汽車仍是CO2的主要排放源之一。世界各國也一直在完善與收緊相關法規限值，以此卓有成效地改善汽車廢氣排放並降低燃油耗。着重分析了日本國內製定的廢氣排放與燃油耗相關法規及政策的發展趨勢。針對當前的環保問題，介紹了近年來在日本汽車市場出售的新車型，並闡述了改善燃油耗與降低排放的技術發展趨勢。

0 前言

時下，汽車與環境問題已成爲社會各界密切關注的焦點，本文論述了最近一年來日本國內汽車行業所達到環保標準的現狀，並闡述了廢氣排放法規與燃油耗法規的整體情況。同時，以2018年上市銷售的部分新車型(包括部分經技術改良後的車型)爲例，本文論述了與環境性能密切相關的汽車新技術發展趨勢。

1 概況

縱觀2017年的大氣污染狀況，考慮到與NO2密切相關的環境標準，普通測試點的達標率爲100%，汽車廢氣排放測試點(自行排放測試點)達標率爲99.7%(2016年的普通測試點達標率爲100%，自行排放測試點達標率爲99.7%)。就懸浮顆粒物質(柴油機顆粒，SPM)方面而言，普通測試點達標率爲99.8%，自行排放測試點爲100%，2016年的普通測試點、自行排放測試點達標率均爲100%。近年來，日本國內汽車廢氣排放年平均質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正在逐年降低，汽車被稱爲“污染源”的狀況將不復存在。NO2的環保標準達標率爲99.7%。在393個有效測試點中，只有東京都大田區松原橋的1個測試點的數據未達到標準。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的環保標準達標率較低的情況，以柴油機排放顆粒(PM2.5)爲例，普通測試點達標率爲89.9%，自行排放測試點的達標率爲86.2%(2015年普通測試點的達標率爲88.7%，自行排放測試點的達標率爲88.3%)，整體呈現出持續改善的趨勢。就日本北部九州地區及四國地區的瀨戶內海地域的普通測試點爲例，仍存在環保標準達標率較低的地區(圖2)。另外，以光化學氧化劑(Ox)爲例，普通測試點、自行排放測試點的環保標準達標率均爲0%，這種狀況目前仍亟待改善。另一方面，由於與Ox的生成密切相關，因而日本國內進一步強化了NO2及碳氫化合物(HC)的法規標準，雖然在上述領域已取得一定成效，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年日本國內的PM2.5環保標準達標情況

從2018年起，日本國內廢氣排放法規中的試驗循環由JC08工況調整爲全球統一輕型車試驗循環(WLTC)工況，汽油車、液化石油氣(LPG)汽車要達到與JC08工況下的相近水平。從2018年10月開始，以重型汽車爲研究對象，引進了先進的車載故障診斷(OBD)系統，並逐步擴大了其應用範圍。此外，據2019年2月公佈的消息稱，自2020年12月起，日本國內將對汽油車執行PM排放的相關法規。

爲了對汽車交通噪聲狀況進行評估，調查對象約爲8 721 400戶住戶，並實施噪聲評價，其中有某個時段產生的噪聲超過了環保標準的居民住戶數量爲532 200戶(佔比6.1%)，與2018年的數據處於同等水平。

另一方面，2017年度由日本國內交通運輸系統所排放的CO2總量爲2.13×108 t，相比上一年約減少0.8%。源於汽車的CO2排放量約佔總量的86.2%，故目前汽車仍爲CO2的主要排放源。源自汽車的CO2排放量相比2001年的峯值排放量降低約20%，與貨物運輸密切相關的CO2排放量仍在繼續減少中。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)。可認爲，專用汽車中的混合動力汽車已在逐漸普及，並且已取得一定成果，該態勢目前仍會持續下去。近年來，美國方面也快速推進了針對汽車燃油耗與CO2排放的改善進程。2017年美國企業的平均燃油耗爲24.9 mile/g 。世界各國的汽車燃油耗標準及CO2排放法規的強化已初見成效。

表1 不同載運工具的CO2排放量變化

考慮到燃油耗標準與CO2排放有直接聯繫，相關科研人員根據2017年12月的標準進行歸納，於2019年3月29日規定了2025年重型汽車的燃油耗標準。就2020年燃油耗標準限值而言，在進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)的推廣應用將成爲該領域的關鍵技術。由於燃油耗標準與稅制政策等因素密切相關，針對EV及PHEV的評價方法將對其今後的普及工作與能量轉換流程產生一定影響，針對該領域的研究方向也逐漸引起科研人員的關注。

從近年的汽車燃油耗發展趨勢來看，改善燃油耗的技術已被世界各國廣泛採用，進一步改善燃油耗的趨勢仍在繼續。目前，汽車的混合動力化進程已取得一定成果。在內燃機領域，除了日產汽車公司向國外市場投放了可變壓縮比發動機之外，由馬自達公司推出的採用高效燃燒控制技術的SKYACTIV-X機型同樣也已投放市場。另一方面，主動採納這類技術的企業並不多，車用內燃機技術的進展並不顯著。近年來以車型的升級換代爲契機，燃油耗居高不下的情況依然普遍存在。每當先進技術得以投入使用，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)由於安全設備實現了標準化應用，車輛自重有所增加；

(2)自2016年以後，對於滿足2015年燃油耗標準的企業而言，通過企業平均燃油耗標準(CAFE)而進一步改善燃油耗的效果並不顯著，致使部分車型的燃油經濟性反而惡化；

(3)由於車輛其他性能的提升，致使燃油耗同樣有所惡化。由此出發，充分優化發動機及動力總成，並採用其他相關先進技術，逐步達到了改善汽車燃油耗的目的。

2 車輛環保技術的發展情況

下文以2018年度投放至日本國內市場的車型爲例，研究汽車燃油耗及廢氣排放的優化技術。燃油消耗量等參數及其圖表等數據，充分參考了企業資料、商品目錄及項目記錄。

2018年7月，斯巴魯公司對其“Forester”車型進行了全面升級換代(圖3)。被稱爲新版“e-BOXER”的車型配裝了混合動力系統，併成功投放市場。該車型動力系統在2.0 L汽油機上組合了功率爲10 kW 的電機，並已應用到該公司旗下的四輪驅動(4WD)車型中。

採用混合動力系統的4WD 車型並不多見，少數4WD車型無需通過發動機驅動。由於4WD 車型基本已實現了整車電動化，從而具有顯著的里程碑意義。e-BOXER車型在JC08工況下的燃油耗爲18.6 km/L，相比2020年的燃油耗標準提升了10%~20%(車輛質量的不同，燃油耗標準的達標率也會相應存在差異)。另一方面，按照WLTC測試的燃油耗爲13.2 km/L。由於該燃油耗與處於同一水平下的2.5 L汽油機的差異較小，在下一階段執行WLTC試驗循環規定標準的情況下，其燃油耗優勢並不大。斯巴魯公司後續將投產以該車型爲原型的改進車型或者PHEV 車型。2018年10 月，斯巴魯公司配裝了相同系統的“XVADVANCE”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“ClarityPHEV”車型

2018年7月，本田公司的“ClarityPHEV”車型成功上市銷售(圖4)。在JC08工況下，該車型在EV模式下的續航里程爲114.6 km，按WLTC測試爲101.0 km，燃油耗分別爲28.0 km/L與24.2 km/L。乘用車每日續航里程的中位數約爲30 km。由於在EV工況下擁有相當於該中位數數倍的續航里程，因此該車型在日常生活中可作爲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，並使環境負荷降至最低限度。從價格層面考慮，通常認爲該車型目前難以快速普及，而以ClarityPHEV車型的推出爲契機，其在小型車領域將得以推廣應用，會顯著推動相關領域的技術發展。

2018年7月，Mercedes-Benz公司對“C-Class”車系投放了相應款式的改型車(圖5)，包括動力總成在內的改進點多達6 500處。其中較引人關注的是“C200”車型，其採用了48 V 輕度混合動力系統(BSG)，發動機排量則由原來的2.0 L縮減到1.5 L。BSG 中的電動發電機功率爲10 kW，與上文所述的“Forester”車型的驅動電機功率相同。該車型在JC08工況下的燃油耗爲13.6 km/L，按WLTC試驗循環測試的燃油耗爲12.9 km/L。其燃油耗比技術改良前的原車型更低，同時基於2015年燃油耗標準的達標率已超過5%。該燃油耗標準的實施經歷了艱難歷程。另外，即便C200車型不採用混合動力系統，與配裝了普通1.6 L渦輪增壓發動機的車型相比，由於其搭載設備數量增加，整車質量相應增加，導致燃油經濟性降低。考慮到當前的技術水平，“BSG+縮缸強化”可使燃油經濟性有所改善。2019年3月，配裝有BSG 的“E300”車型也成功投放了市場。

圖5 Mercedes-Benz公司的“C200”車型

2018年8月，三菱公司對“Outlander-PHEV”車型進行了改良(圖6)。在JC08工況下，該車型EV模式下的續航里程爲65.0 km；採用WLTC試驗測試循環時，其EV模式下的續航里程爲57.6 km，燃油耗分別爲18.6 km/L 與16.4 km/L。該車型驅動系統採用4WD模式，前輪裝備了最大功率爲60 kW 的電機；後輪則裝備了最大功率爲70 kW 的電機，並使發動機的排量由原來的2.0 L增加到2.4 L。雖然該車型主要利用電機以實現EV模式下的行駛，但在高速行駛工況下則仍以發動機爲動力來源，力求在提高行駛性能的同時，逐漸改善環保性能。

圖6 三菱公司的“Outlander-PHEV”車型

2018年12月，豐田公司對“Prius”車型進行了部分改良。豐田公司雖未對動力總成系統加以特殊改動，但出於對車輛環境性能方向的調整，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於標準化設備的應用，導致車輛自重增加。雖然車輛自身性能並未降低，但作爲日本國內具有較好經濟性的車型，相關指標仍有待進一步提升。

2019年1月，日產公司發佈“Leaf e+”車型(圖7)。“Leaf e+”車將以往322 km的WLTC工況續航里程延長到458 km，而該車型在JC08工況下的續航里程爲570 km，能量密度提高約25%。針對質量有所增加的狀況，日產公司將該車型驅動電機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。在JC08工況下嘗試通過優化燃油箱容量以延長續航里程時，部分跑車也存在達不到570 km續航里程的情況。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 續航里程能力等方面，“Leaf e+”車型可與傳統汽油車型一較長短。“Leaf e+”作爲可投入量產的車型產品能躋身於市場前列，可稱得上意義重大。

圖7 日產公司的“Leaf e+”車型

2016年廢氣排放法規關於重型車的適用範圍有所擴展。2017年，該法規主要針對中型及小型載貨汽車而進行調整。2018年，日本國內針對牽引車開始執行2016年的廢氣排放法規，各生產商改進後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準，但經此次技術改良，不但滿足了2016年廢氣排放法規，而且部分車型的燃油耗等級相比2015年的燃油耗標準可實現超出5%的水平。傳統的12檔機械式自動變速器(AMT)也進一步調整爲16檔變速器(Pro Shift16)。本車型的設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，部分數據將採用實測值，而以往各類車型曾統一採用行駛阻力值。試驗方法的變動，會進一步改善汽車燃油耗。

圖8 日野公司的“Profia”車型用於降低空氣阻力的措施

2018年10月，五十鈴公司對其“Elf”車型進行了技術改良。以往該公司的小型載貨汽車並未採用氮氧化物(NOx)後處理裝置，但在此次的技術優化過程中，除了在排氣歧管的下游位置佈置了柴油機顆粒排放處理器(DPD)之外，還配備了帶尿素噴射的選擇性催化還原系統(SCR)(圖9)。隨着智能噴油精度校正技術(i-ART)的應用，以此逐步改善燃油經濟性。在配裝了怠速停止機構的車型上，其燃油耗相比2015年燃油耗標準可超出10%(除了部分4WD車型)。

圖9 五十鈴公司的“Elf”車型上配裝的發動機所採用的先進技術

2019年1月，日產UD卡車公司對其“Quon”車型進行了技術改良。該車型最大的技術特點是採用了排量爲8 L的發動機(圖10)。通常，整車質量爲25 t的重型汽車須配裝排量爲9~13 L的發動機，該款新機型有效減小了整機尺寸。就該類重型汽車而言，由於其單位質量的排量較小，通過尺寸小型化而對燃油耗的改善效果同樣較爲有限。另一方面，整車質量會受到相關法規的限制，假設排氣後處理裝置等設備數量增加，車輛自重會相應增加，必然會減少最大載質量，由此降低了車輛的市場價值。因此，通過減小發動機尺寸，實現輕量化具有顯著意義。該款8 L發動機一方面可輸出262 kW 的功率，另一方面相比傳統的10.5 L發動機又實現了輕量化。該機型質量約爲300 kg，充分滿足了2016年的廢氣排放法規要求，並超過2015年燃油耗標準約5%。

圖10 UD卡車公司的GH8型發動機

3 結語

在日本國內執行全新的燃油耗標準前期，可看到針對整車燃油耗的改善工作略有停滯。出現此類現象的原因，一方面是因爲對傳統內燃機進行技術改良的效果有限，同時爲滿足用戶需求，採用了安全設備；另一方面，則是因爲須滿足內燃機的實際行駛排放物(RDE)等全新法規。今後，在執行RDE及排放顆粒數(PN)法規時，能否維持燃油耗的持續優化趨勢，尚無法充分預測。在技術、成本、政治、經濟、基礎設施等因素協調發展的過程中，汽車技術會朝怎樣的方向發展，未來的數年將會成爲關鍵時期。

注：本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第3期

作者：[日] 鈴木央一等

整理：彭惠民

編輯：伍賽特

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