汽車節能環保的綠色技術研究及應用

向紹卿

（武漢理工大學華夏學院 汽車工程系，武漢 430223）

0 引 言

進入21 世紀，國家經濟的飛速增長推動了汽車行業的快速發展。汽車正逐步走入千家萬戶改變著人們的生活。但汽車的激增對環境的危害和對能源的需求成為突出的問題。如何解決這些問題形成可持續發展模式，使汽車作為持續的交通工具繼續傳承下去，是當代汽車行業迫切的需求。

1 汽車發展對環境影響現狀

1.1 汽車尾氣污染現狀

伴隨汽車保有量的大幅增長，汽車尾氣排放出的廢物已嚴重影響著空氣質量。近些年的霧霾天氣更是給我們敲響了警鐘。目前我國機動車保有量已超過兩億，眾所周知，普通汽車是通過燃燒汽油或柴油來獲得動力的，這些礦物燃料燃燒而產生的物質已成為我國空氣污染的主要來源。據統計，空氣中的一氧化碳、碳氫化合物以及氮氧化合物幾乎70%以上來自汽車尾氣排放，排放的顆粒物更是超過90%，這其中就包括了近期熱議的細顆粒物PM2.5［10］。細顆粒物粒徑小，含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。最新修訂的《環境空氣質量標準》已將細顆粒物列入我國空氣質量評價指標之一。此外，由汽車尾氣排放出的碳氫化合物和氮氧化合物在陽光的作用下產生的化學污染物形成的二次污染也不容忽視。光化學污染的一個重要指標就是臭氧，在光化學反應中釋放出的臭氧約占85%。臭氧可以吸收對人體有害的短波紫外線，還可以起到殺菌的作用，由此給人的印象好像是臭氧應該越多越好。其實不然，適當濃度的臭氧對人有益，但在地球表面聚集過多的臭氧對人類反而是一種禍害。高濃度的臭氧會引發多種呼吸道疾病，也會刺激中樞神經使視力下降、頭暈頭痛等，嚴重時還可能危及生命。

1.2 汽車制造工業污染

除開這些傳統的汽車環境污染問題，汽車污染問題也擴展到汽車整個生命周期。汽車制造商為了追求經濟利益，在生產過程中使用廉價的非環保材料降低成本，近期爆出的高檔車汽車內飾污染就是汽車制造過程中爆出的又一新問題。具體涉及到的影響還包含許多方面：

1）噪聲。噪聲污染現在已經是危害人體健康的重要原因之一，而汽車制造所產生的噪聲污染主要屬于工業噪聲，這種噪聲級別較高，對人體的影響也較大。

2）污水、廢氣排放。汽車制造階段涉及很多工藝過程，絕大部分都會產生廢水。這些廢水中除了一些生產用料還含有很多中間產物，這些都是水質的重要污染源。同時在制造階段工廠排放的氣體、粉塵和生產過程中有揮發性的有機化合物也會引起大氣污染。

3）廢料。任何制造工業都會產生多種多樣的廢料，這些廢料包括物料加工中產生的各種邊角料、廢油以及一些副產品。國內除對部分廢棄物有明確的回收規定外，其余廢料都無明確的回收規定。如何對這些材料進行綠色處理防止其產生二次污染，也是如今要解決的重要問題。

1.3 能源消耗

到2010 年我國已經超越美國成為全球能源消耗第一大國，中國的能源消耗量占全球的20%以上，而汽車用燃油已占國內能源消耗量的1/3，單位GDP 耗能是全球平均水平的2.5 倍［4］。但是我國的能源利用率與其他工業化國家相比要低不少。這也說明我們在控制車用能源消耗的同時，也需要控制制造階段的能源消耗。

1.4 汽車報廢回收污染

現階段汽車報廢后大部分的金屬材料因為回收價值高所以回收率也較高。而大量的塑料、復合材料、廢液等廢舊件，由于受回收處理手段、回收成本和監管制度的缺失等因素影響，在回收中被直接焚燒或填埋，這樣的處理方式對大氣、土壤和水源造成二次污染。

2 汽車尾氣污染的防治措施

2.1 發動機機內凈化

依據現有的技術條件來看要完全消除廢氣污染是很難的，但隨著越來越多電子技術在汽車上的運用，加快了發動機技術的發展。發動機內凈化是從根本上降低污染物生成量的一種技術。當前在汽車上常用的發動機內凈化技術主要有以下幾種：

1）汽、柴油機電控燃油噴射系統。電控燃油噴射系統利用微電子技術監控發動機狀況，并將信息傳給控制單元分析計算，實現燃油在不同工況下適時、適量地噴入氣缸，以此來改善燃油經濟性和降低排放污染物。據分析，使用電控燃油噴射系統的發動機與使用傳統點火系統的發動機相比，功率提高了5%～10%，燃油消耗率降低了5%～15%，對控制有害物的排放也有很好的效果［6］。

2）稀燃技術。為了提高燃油經濟性、改善排放，稀薄燃燒技術被引入到發動機系統中。稀薄燃燒能使氮氧化合物的排量明顯降低，同時較高的空氣比值增加了排放物中一氧化碳和碳氫化合物被氧化的量，這也達到了降低這兩種有害氣體排放的目的。為了能使發動機在高空燃比的工況下不失火必須有三項關鍵技術支持：提高壓縮比、分層燃燒和高能點火。稀燃技術雖不及缸內直噴系統先進，但低廉的價格使稀燃技術仍擁有廣闊的市場。

3）廢氣再循環系統。廢氣再循環系統通過將發動機排放的部分廢氣重新引入進氣系統，與可燃混合氣一起進入氣缸中進行二次燃燒，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。廢氣再循環是當代汽車廣泛使用的一種降低氮氧化合物排放的技術。

4）柴油機內凈化技術。根據《2013 年中國機動車污染防治年報》數據顯示。2012 年，全國汽車排放氮氧化合物640.0 萬t，顆粒物62.2 萬t。其中柴油機排放的氮氧化合物接近總量的70%，顆粒物更是超過了90%［10］。由于柴油的屬性不同于汽油，柴油機的燃燒過程也遠比汽油機復雜。要控制柴油機有害物質的排放，燃燒效能是關鍵。近年來，技術人員從燃燒室、混合氣的形成以及噴油規律等方面入手，研究出很多新型柴油機內凈化技術，高壓共軌、新型燃燒室、預噴射多段噴射、可變進氣、多氣門、增壓技術、廢氣再循環等技術，都有效地控制了有害物的排放。

2.2 發動機尾氣凈化后處理技術

隨著人們環保意識的加強，針對汽車發動機的排放標準也越來越高，技術的限制和龐大的研制經費使單靠研制發動機內凈化技術來滿足環保要求已不可行。所以工程人員想到了在排氣系統中加裝一個后處理裝置，用物理或者化學的方法對發動機產生的廢氣進行再凈化后排出，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常用的三元催化轉化器和柴油機使用的針對微粒的顆粒物捕集器（DPF）、氧化催化轉化器（OCC）以及針對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，而且保證了汽車動力性和經濟性不受影響。

3 汽車綠色設計

綠色設計是指在產品及其壽命周期全過程的設計中，要充分考慮對資源和環境的影響，在充分考慮產品的功能、質量、開發周期和成本的同時，更要優化各種相關因素，使產品及其制造過程中對環境的總體負影響減到最小，使產品的各項指標符合綠色環保的要求。2012 年的兩會首次把PM2.5 寫入政府工作報告，表明了中央政府對環境保護的重視。而國內現在"有污制污"的末端處理模式顯然已經無法滿足當今的環保需求。為了能充分地利用各種自然資源，促進可持續發展并從源頭上控制環境問題，綠色設計這一新的理念應運而生。早在20 世紀60 年代美國設計師維克多·巴巴納克（Victor Papanek）就提出過類似的思想，他強調設計應該重視地球資源的使用問題，并為保護地球的環境服務［9］。

圖1 汽車綠色制造生命周期

汽車綠色設計除了要滿足車輛本身的技術要求外，還要注重保護環境維護生態平衡，提高回收率減少廢棄物數量。具體來說，當代的汽車綠色設計要從汽車污染、材料選擇加工、能源消耗和報廢回收這幾個方面來保證最佳的生態效益，使對環境的副作用最小，如圖1。

美國特斯拉汽車公司提倡“用獨特和創新的方式改善人類的生活”，該公司生產的純電動跑車近年來風靡全球，特斯拉汽車的核心已不是發動機，取而代之的是電池組，由于電動汽車本身不排放有害氣體，故此設計理念就順應了綠色設計的思想，即從源頭上控制環境問題。

3.1 綠色制造材料

材料是制造業的物質基礎，新的技術革命使材料除了擁有普遍性和重要性外還具有多樣性。汽車材料主要分為汽車工程材料和汽車運行材料兩類，制造材料主要針對的是汽車工程材料。在綠色制造中材料的選擇同樣是把環保特性放在首位。汽車用材料選擇主要突出輕量化、環保化和高回收率，其代表了材料行業的較高水平。越來越多的高強度合金、復合材料和工程塑料在汽車行業得到運用。新型綠色材料不僅能保護生態環境，同時大量新型材料的運用對汽車綠色設計也是一種促進，傳統的設計理念可能已不再適應，取而代之的是更優化的設計方法，這也極大地推進了汽車行業的發展。

3.2 替代燃料與新能源汽車

內燃機在經過100 多年的發展后已經高度精密和完善，但隨著傳統能源的急劇消耗和汽車燃燒排放對環境的污染日益加劇，替代能源和綠色汽車技術正被更多的國家所重視。新能源和綠色汽車在低碳環保方面優勢突出，已經成為未來汽車工業發展的新趨勢。世界各大汽車公司以及國內各大科研機構和高等院校紛紛致力于開發清潔節能汽車，使新能源汽車獲得了長足發展。我們國家早在“十五”期間就提出以汽油車為起點，向氫動力車目標挺進的戰略。2007 年我國的綠色汽車產業已取得良好的成績，純電動車、混合動力和燃料電池車相繼問世。同樣現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：一類是液體燃料，如醇類燃料和植物油燃料等；另一類則是氣體燃料，如氫氣、天然氣和液化石油氣等。目前在我國的公共交通服務領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 報廢車輛回收利用

絕大部分的汽車部件對環境的影響都體現在報廢階段以后，快速增長的汽車市場使回收再利用這一領域面臨的問題逐步突顯。僅到2011 年我國機動車保有總量已達到約2.08 億輛，其中汽車占44.7%，每年報廢的車輛有近400 萬輛。隨著報廢車輛數量的增加，暴力分解所帶來的環境問題也更加嚴峻。綠色設計所提倡的循環經濟中“自然資源→產品→再生利用”的閉環控制模式，從一開始就保證了報廢車輛的高回收性，使生產制造階段對環境的危害最小化，而組合設計和可拆卸設計也保證了后期的可行性。同時為保證車輛報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，避免污染環境，建立規范的制度和正規的回收市場也就顯得極為重要。

4 結 語

中國的汽車產業正處在一個關鍵時期。隨著車輛的增長，日益嚴重的環境問題也越來越受到國家的重視，各種新型制度的建立也激勵汽車行業提高創新力和研發力，以順應越來越高的環保需求。而將“綠色”概念融入到我們的汽車發展中，體現了汽車行業對科學技術所引發的環境問題的反思，力爭從實質上改善和提高汽車的環保性能。相信隨著人們環保意識的逐步提高和科學技術的進步，汽車對環境的影響將會越來越小，最終發展成一個安全可靠的綠色工具。

［1］ 田晉躍.現代汽車新技術概論［M］.北京：北京大學出版社，2010.

［2］ 張鐵柱.汽車安全節能與環保［M］.北京：國防工業出版社，2004.

［3］ 日本自動汽車技術會.汽車工程手冊：環境與安全篇［M］.北京：北京理工大學出版社，2010.

［4］ 王影.淺析現代汽車排放控制技術［J］.中國機械，2013（15）：20-20.

［5］ 李平，諶海霞.現代汽車環保與節能技術的發展［J］.公路與汽運，2006（2）：5-7.

［6］ 吳娜，張亮修，郭榮春，等.汽油機優化排放控制技術研究［J］.山東交通學院學報，2012，20（1）：3-6.

［7］ 歐陽明高.我國節能與新能源汽車發展戰略與對策［J］.汽車工程，2006，28（4）：317-321.

［8］ 潘增友.汽車報廢帶來的問題及解決方案研究［J］.汽車工業研究，2009（2）：21-24.

［9］ 楊金堂，龍華，李公法，等.我國汽車產業的綠色制造與可持續發展［J］.制造技術與機床，2008（10）：22-23.

［10］ 環境保護部.2013 年中國機動車污染防治年報［R］.中華人民共和國環境保護部，2014.