汽车节能环保的绿色技术研究及应用

向绍卿

（武汉理工大学华夏学院 汽车工程系，武汉 430223）

0 引 言

进入21 世纪，国家经济的飞速增长推动了汽车行业的快速发展。汽车正逐步走入千家万户改变着人们的生活。但汽车的激增对环境的危害和对能源的需求成为突出的问题。如何解决这些问题形成可持续发展模式，使汽车作为持续的交通工具继续传承下去，是当代汽车行业迫切的需求。

1 汽车发展对环境影响现状

1.1 汽车尾气污染现状

伴随汽车保有量的大幅增长，汽车尾气排放出的废物已严重影响着空气质量。近些年的雾霾天气更是给我们敲响了警钟。目前我国机动车保有量已超过两亿，众所周知，普通汽车是通过燃烧汽油或柴油来获得动力的，这些矿物燃料燃烧而产生的物质已成为我国空气污染的主要来源。据统计，空气中的一氧化碳、碳氢化合物以及氮氧化合物几乎70%以上来自汽车尾气排放，排放的颗粒物更是超过90%，这其中就包括了近期热议的细颗粒物PM2.5［10］。细颗粒物粒径小，含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。最新修订的《环境空气质量标准》已将细颗粒物列入我国空气质量评价指标之一。此外，由汽车尾气排放出的碳氢化合物和氮氧化合物在阳光的作用下产生的化学污染物形成的二次污染也不容忽视。光化学污染的一个重要指标就是臭氧，在光化学反应中释放出的臭氧约占85%。臭氧可以吸收对人体有害的短波紫外线，还可以起到杀菌的作用，由此给人的印象好像是臭氧应该越多越好。其实不然，适当浓度的臭氧对人有益，但在地球表面聚集过多的臭氧对人类反而是一种祸害。高浓度的臭氧会引发多种呼吸道疾病，也会刺激中枢神经使视力下降、头晕头痛等，严重时还可能危及生命。

1.2 汽车制造工业污染

除开这些传统的汽车环境污染问题，汽车污染问题也扩展到汽车整个生命周期。汽车制造商为了追求经济利益，在生产过程中使用廉价的非环保材料降低成本，近期爆出的高档车汽车内饰污染就是汽车制造过程中爆出的又一新问题。具体涉及到的影响还包含许多方面：

1）噪声。噪声污染现在已经是危害人体健康的重要原因之一，而汽车制造所产生的噪声污染主要属于工业噪声，这种噪声级别较高，对人体的影响也较大。

2）污水、废气排放。汽车制造阶段涉及很多工艺过程，绝大部分都会产生废水。这些废水中除了一些生产用料还含有很多中间产物，这些都是水质的重要污染源。同时在制造阶段工厂排放的气体、粉尘和生产过程中有挥发性的有机化合物也会引起大气污染。

3）废料。任何制造工业都会产生多种多样的废料，这些废料包括物料加工中产生的各种边角料、废油以及一些副产品。国内除对部分废弃物有明确的回收规定外，其余废料都无明确的回收规定。如何对这些材料进行绿色处理防止其产生二次污染，也是如今要解决的重要问题。

1.3 能源消耗

到2010 年我国已经超越美国成为全球能源消耗第一大国，中国的能源消耗量占全球的20%以上，而汽车用燃油已占国内能源消耗量的1/3，单位GDP 耗能是全球平均水平的2.5 倍［4］。但是我国的能源利用率与其他工业化国家相比要低不少。这也说明我们在控制车用能源消耗的同时，也需要控制制造阶段的能源消耗。

1.4 汽车报废回收污染

现阶段汽车报废后大部分的金属材料因为回收价值高所以回收率也较高。而大量的塑料、复合材料、废液等废旧件，由于受回收处理手段、回收成本和监管制度的缺失等因素影响，在回收中被直接焚烧或填埋，这样的处理方式对大气、土壤和水源造成二次污染。

2 汽车尾气污染的防治措施

2.1 发动机机内净化

依据现有的技术条件来看要完全消除废气污染是很难的，但随着越来越多电子技术在汽车上的运用，加快了发动机技术的发展。发动机内净化是从根本上降低污染物生成量的一种技术。当前在汽车上常用的发动机内净化技术主要有以下几种：

1）汽、柴油机电控燃油喷射系统。电控燃油喷射系统利用微电子技术监控发动机状况，并将信息传给控制单元分析计算，实现燃油在不同工况下适时、适量地喷入气缸，以此来改善燃油经济性和降低排放污染物。据分析，使用电控燃油喷射系统的发动机与使用传统点火系统的发动机相比，功率提高了5%～10%，燃油消耗率降低了5%～15%，对控制有害物的排放也有很好的效果［6］。

2）稀燃技术。为了提高燃油经济性、改善排放，稀薄燃烧技术被引入到发动机系统中。稀薄燃烧能使氮氧化合物的排量明显降低，同时较高的空气比值增加了排放物中一氧化碳和碳氢化合物被氧化的量，这也达到了降低这两种有害气体排放的目的。为了能使发动机在高空燃比的工况下不失火必须有三项关键技术支持：提高压缩比、分层燃烧和高能点火。稀燃技术虽不及缸内直喷系统先进，但低廉的价格使稀燃技术仍拥有广阔的市场。

3）废气再循环系统。废气再循环系统通过将发动机排放的部分废气重新引入进气系统，与可燃混合气一起进入气缸中进行二次燃烧，废气中的二氧化碳吸收大量热量降低了可燃混合气的燃烧温度，从而减少氮氧化合物的生成。废气再循环是当代汽车广泛使用的一种降低氮氧化合物排放的技术。

4）柴油机内净化技术。根据《2013 年中国机动车污染防治年报》数据显示。2012 年，全国汽车排放氮氧化合物640.0 万t，颗粒物62.2 万t。其中柴油机排放的氮氧化合物接近总量的70%，颗粒物更是超过了90%［10］。由于柴油的属性不同于汽油，柴油机的燃烧过程也远比汽油机复杂。要控制柴油机有害物质的排放，燃烧效能是关键。近年来，技术人员从燃烧室、混合气的形成以及喷油规律等方面入手，研究出很多新型柴油机内净化技术，高压共轨、新型燃烧室、预喷射多段喷射、可变进气、多气门、增压技术、废气再循环等技术，都有效地控制了有害物的排放。

2.2 发动机尾气净化后处理技术

随着人们环保意识的加强，针对汽车发动机的排放标准也越来越高，技术的限制和庞大的研制经费使单靠研制发动机内净化技术来满足环保要求已不可行。所以工程人员想到了在排气系统中加装一个后处理装置，用物理或者化学的方法对发动机产生的废气进行再净化后排出，以减少排入大气中有害气体的含量。

尾气后处理装置主要有汽油机常用的三元催化转化器和柴油机使用的针对微粒的颗粒物捕集器（DPF）、氧化催化转化器（OCC）以及针对氮氧化合物的选择性催化还原（SCR）。这些装置的使用不但有效地改善了排放，而且保证了汽车动力性和经济性不受影响。

3 汽车绿色设计

绿色设计是指在产品及其寿命周期全过程的设计中，要充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，更要优化各种相关因素，使产品及其制造过程中对环境的总体负影响减到最小，使产品的各项指标符合绿色环保的要求。2012 年的两会首次把PM2.5 写入政府工作报告，表明了中央政府对环境保护的重视。而国内现在"有污制污"的末端处理模式显然已经无法满足当今的环保需求。为了能充分地利用各种自然资源，促进可持续发展并从源头上控制环境问题，绿色设计这一新的理念应运而生。早在20 世纪60 年代美国设计师维克多·巴巴纳克（Victor Papanek）就提出过类似的思想，他强调设计应该重视地球资源的使用问题，并为保护地球的环境服务［9］。

图1 汽车绿色制造生命周期

汽车绿色设计除了要满足车辆本身的技术要求外，还要注重保护环境维护生态平衡，提高回收率减少废弃物数量。具体来说，当代的汽车绿色设计要从汽车污染、材料选择加工、能源消耗和报废回收这几个方面来保证最佳的生态效益，使对环境的副作用最小，如图1。

美国特斯拉汽车公司提倡“用独特和创新的方式改善人类的生活”，该公司生产的纯电动跑车近年来风靡全球，特斯拉汽车的核心已不是发动机，取而代之的是电池组，由于电动汽车本身不排放有害气体，故此设计理念就顺应了绿色设计的思想，即从源头上控制环境问题。

3.1 绿色制造材料

材料是制造业的物质基础，新的技术革命使材料除了拥有普遍性和重要性外还具有多样性。汽车材料主要分为汽车工程材料和汽车运行材料两类，制造材料主要针对的是汽车工程材料。在绿色制造中材料的选择同样是把环保特性放在首位。汽车用材料选择主要突出轻量化、环保化和高回收率，其代表了材料行业的较高水平。越来越多的高强度合金、复合材料和工程塑料在汽车行业得到运用。新型绿色材料不仅能保护生态环境，同时大量新型材料的运用对汽车绿色设计也是一种促进，传统的设计理念可能已不再适应，取而代之的是更优化的设计方法，这也极大地推进了汽车行业的发展。

3.2 替代燃料与新能源汽车

内燃机在经过100 多年的发展后已经高度精密和完善，但随着传统能源的急剧消耗和汽车燃烧排放对环境的污染日益加剧，替代能源和绿色汽车技术正被更多的国家所重视。新能源和绿色汽车在低碳环保方面优势突出，已经成为未来汽车工业发展的新趋势。世界各大汽车公司以及国内各大科研机构和高等院校纷纷致力于开发清洁节能汽车，使新能源汽车获得了长足发展。我们国家早在“十五”期间就提出以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。2007 年我国的绿色汽车产业已取得良好的成绩，纯电动车、混合动力和燃料电池车相继问世。同样现阶段在替代燃料研制方面也有重大突破，一般我们将代用燃料归纳为两大类：一类是液体燃料，如醇类燃料和植物油燃料等；另一类则是气体燃料，如氢气、天然气和液化石油气等。目前在我国的公共交通服务领域上正大力推广使用这些替代燃料，并取得了良好的效果。

3.3 报废车辆回收利用

绝大部分的汽车部件对环境的影响都体现在报废阶段以后，快速增长的汽车市场使回收再利用这一领域面临的问题逐步突显。仅到2011 年我国机动车保有总量已达到约2.08 亿辆，其中汽车占44.7%，每年报废的车辆有近400 万辆。随着报废车辆数量的增加，暴力分解所带来的环境问题也更加严峻。绿色设计所提倡的循环经济中“自然资源→产品→再生利用”的闭环控制模式，从一开始就保证了报废车辆的高回收性，使生产制造阶段对环境的危害最小化，而组合设计和可拆卸设计也保证了后期的可行性。同时为保证车辆报废后能被充分分解利用，让有用资源得到有效利用，让有害材料得到妥善处理，避免污染环境，建立规范的制度和正规的回收市场也就显得极为重要。

4 结 语

中国的汽车产业正处在一个关键时期。随着车辆的增长，日益严重的环境问题也越来越受到国家的重视，各种新型制度的建立也激励汽车行业提高创新力和研发力，以顺应越来越高的环保需求。而将“绿色”概念融入到我们的汽车发展中，体现了汽车行业对科学技术所引发的环境问题的反思，力争从实质上改善和提高汽车的环保性能。相信随着人们环保意识的逐步提高和科学技术的进步，汽车对环境的影响将会越来越小，最终发展成一个安全可靠的绿色工具。

［1］ 田晋跃.现代汽车新技术概论［M］.北京：北京大学出版社，2010.

［2］ 张铁柱.汽车安全节能与环保［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［3］ 日本自动汽车技术会.汽车工程手册：环境与安全篇［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.

［4］ 王影.浅析现代汽车排放控制技术［J］.中国机械，2013（15）：20-20.

［5］ 李平，谌海霞.现代汽车环保与节能技术的发展［J］.公路与汽运，2006（2）：5-7.

［6］ 吴娜，张亮修，郭荣春，等.汽油机优化排放控制技术研究［J］.山东交通学院学报，2012，20（1）：3-6.

［7］ 欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策［J］.汽车工程，2006，28（4）：317-321.

［8］ 潘增友.汽车报废带来的问题及解决方案研究［J］.汽车工业研究，2009（2）：21-24.

［9］ 杨金堂，龙华，李公法，等.我国汽车产业的绿色制造与可持续发展［J］.制造技术与机床，2008（10）：22-23.

［10］ 环境保护部.2013 年中国机动车污染防治年报［R］.中华人民共和国环境保护部，2014.