研究背景與動機

第一節 研究背景與動機

近年來，由於全球還境汙染所面臨的環保問題日益嚴重，其中主要環境汙染 源除了來自工業發展的廢氣排放汙染外，來自於汽機車的廢氣排放 (Ahman, 2006)，也是主要的汙染源之一。根據環保署 2016 年委託雲林科技大學做的研究 報告，全台灣 pm2.5 的汙染，有六成六來自境內，一向被認為是空汙的罪魁禍首 的中國，影響佔了三成(尹俞歡，2017)。

雖然國內的空汙來源主要還是境內的工廠汙染為最大宗，但來自於移動 式汙染源(即行駛在路上的汽機車)，也佔據相當高比例。而各國政府對汽機車產 業所制訂之環保法規與管制措施亦日益嚴苛(Steenberghen and Lopez, 2008; Yeh, 2007)，例如油耗率(中國汽車報 2016 年)，美國要求汽車製造商於 2025 年須達到 每一加崙汽油須行駛 54.5 哩(即每公升行駛 21.8 公里)、歐盟要求汽車於 2021 年 須達到行駛每公里的碳排放量在 95 克以下、中國大陸地區更自 2015 年起，即明 確制訂對各汽車生產企業須逐年達到所生產的車輛平均油耗標準為 2015 年:

6.9L/100KM、2016 年: 6.7L/100KM、2017 年: 6.4L/100KM、2018 年: 6L/100KM、

2019 年: 5.5L/100KM、2020 年: 5.0L/100KM、2025 年: 4.0L/100KM ): 最終至 2025 年各車廠終須達到 4.0L/100KM(即每百公里油耗為 4 公升)的標準。

面對此一嚴苛的法規標準，各汽車製造商無不使出渾身解數，陸續提出各種 措施或策略來減少排放(李榕生，2013; Hill and Jones, 1995; Kotler, 1988)。而其中 主要以新能源車的開發─即改變汽車動力來源，減少或降低對燃油的依賴，以及 汽車整車輕量化─減少燃油的消耗，進而達到減少廢氣排放的汙染。有鑑於此，

環保議題是汽機車產業所面臨的重要課題，不管是研發電動車或油電混合動力，

或在現有燃油車引擎的改良投入更先進的技術、降低整車重量進而降低油耗…等，

均為減少廢氣排放共同的方向與目標，因此環保綠能汽機車之研發與推廣，已成

為全球各大汽機車產業未來的趨勢與重要的研究課題(葉師辰，2012)。而有關環 保綠能汽車的涵義，本研究整理出如下兩部分(任慧娟, 2015)：

(一) 與汽車輕量化有關的改變

1. 在節能降耗的大趨勢下，若汽車整車重量降低 10%，燃油效率可提高 6% -8%。

2. 汽車總重量每減少 100 公斤，百公里油耗可降低 0.3—0.6 升。

3. 從成本上來看，減少 1 公斤的車重則可以減少 10 美元左右的支出。

4. 一輛汽車總共有數以萬計的零件組成，其中又可大致分成四大類，即車身 零件/底盤傳動系統/儀表內裝內飾/動力系統等。其中車身重量約佔總車重 30%以上，佔比最高(如表 1-1)。

表 1-1：汽車各零組件類別重量比

(車型/車系:三菱 Lancer Fortis (1800CC 中型房車) 總車重約 1270kg，各類別零組件重量/

佔比),

資料來源：中華汽車公司工程技術單位調查

汽車車身輕量化可從設計輕量化、採用輕質材料替代鋼板、改進製造工法以 及提高現有材料強度（高強度、超高強度鋼）等方面來實現。其中，可替代性材

零組件類別 重量(kg) 佔總車重比% 備 註 說 明

車身車體 395 31.2% 含白車身(White Body)/四門二蓋等零件

底盤組成 274 21.6% 含所有底盤結構件/傳動機構/懸吊機構…等

動力系統 226 17.8% 含發動機/變速器等相關動力

儀裝件 352 27.8% 含儀表板總成/車身內飾件/四門二蓋內飾件/座 椅/地毯/輪胎…等

其他 21 1.7% 整車特殊附屬零件等

料最被業內技術專家們普遍看好。在目前的材料工法中，主要有鋁、鎂合金、陶 瓷、工程塑料、玻璃纖維或碳纖維複合材料等。而目前無論是汽車製造商還是材 料製造商，探討的話題，除了高強度鋼外，最多的莫過於上述可替代材料的應用。

在各種可能替代的材料中，究竟哪種替代材料最能獲得汽車企業的青睞？目前還 無定論，不過鋁合金材料因其技術相對較為成熟，而暫時獲得各國汽車業的大量 使用。以汽車車身為例，要降低整車車身重量以達到降低油耗的目的(即車身輕量 化)，目前汽車產業界常用的汽車車身替代材料，可以分為下列數種 (均已實現量 產的案例)：

1. 鋁合金

以替代材料的應用來看，鋁合金技術的確較為廣泛(任慧娟，2015)。汽車上 有眾多零件可以使用鋁合金代替原本使用的鋼材，以達到輕量化的目的，估算可 平均節省重量 125% (一般鋼材比重為:7.85 g/cm³、鋁材約為 2.78 g/cm³---亦即同一 大小鈑件，因材質不同，重量約有近 3 倍的重量差)。根據汽車諮詢機構 Duckers 調查，北美、歐盟、日本單一車輛使用鋁材分別高出中國 47%、24%、15%，且 歐美日單一車輛使用鋁材仍在持續成長中。

早在 1990 年開始銷售的日本本田 NSX 車採用了全鋁承載式車身，比用冷軋 鋼板製造的同樣車身輕 200kg，引起全世界的矚目。1994 年奧迪開發了第一代 Audi A8 全鋁空間框架結構（ASF），汽車自身質量減輕了大約 40%。另 2017 年 剛上市的新一代奔馳 C 級車上，主架構大量採用鋁合金材料打造，比例差不多達 到 50%，這也使得新一代 C 級車相比傳統的鋼架構輕了 70 公斤重。

然而，目前限制鋁合金材料在汽車上大量應用的主要原因之一是價格比一般 鋼材高出約 6 倍以上，有關專家表示除了開發低成本的鋁合金和先進的鋁合金成 形工法外，回收再生技術可進一步降低鋁合金的生產成本。此外，擴大鋁合金應 用的另一個研究方向是開發新的各種連接技術，今後發展的多材料結構轎車要求 連接兩種不同類型的材料（如鑄鐵+鋁、鋼+鋁、鋁+鎂等複合材料），對這些連

接技術以及對材料和零件防腐蝕的表面處理技術，是今後擴大鋁合金在汽車上應 用的重要課題。而與鋁合金一起相運而生的則是鎂合金，不過鎂合金的價格又是 鋁的 3-4 倍，其相對於鋁合金的發展難度更大。

2. 碳纖維複合材料

碳纖維最早被應用在航空領域，近年來已逐步被推廣至汽車應用上，目前多 見於超跑上面。 2013 年量產的寶馬 i3 採用了碳纖維車身和鋁製底盤，寶馬稱該 重量較其他相同尺寸的電動車減輕了 300 公斤之多。這款碳纖維材料 CFRP（碳 纖維增強樹脂基複合材料），其原料是聚丙烯腈，有點像用來製作芭比娃娃頭髮 的纖維，但實際上比人的頭髮纖維細 10 倍(任慧娟, 2015)。而碳纖維材料的主要 特性為：

(1) 碳纖維是 一種纖 維 狀碳材料 。它是 一 種強度比 鋼大， 密 度比鋁小 ，比 不銹鋼還 耐腐蝕 ， 比耐熱鋼 還耐高 溫 ，又能像 銅那樣 導 電，具有 許多 寶貴的電 學，熱 學 和力學性 能的新 型 材料。

(2) 碳纖維材 料與其 他 加固材料 對比：

（a）抗拉 強度： 碳纖維的抗 拉強度 約為鋼材的 10 倍 。

（b）彈 性模量 ：碳纖維複合 材料的 拉伸彈性模量高於 鋼 材

（c）疲勞強 度：碳纖維複合 材料的 疲 勞強度高 於高強 綱 絲，疲勞極限 僅為靜荷 強度的 30%~40%

（d）重量：約 為鋼材的五分 之一。

另一方面 ，碳纖 維 材料在汽車上應用有其特殊優點(車用碳纖維材料，

2017)：

(1) 輕量化

碳纖維複合材料具有其他材料不可比擬的比強度和比模量，密度只有 1.6g/cm³ 左右，遠低於鋼鐵和鋁，將其應用於車身及其它零部件的設計可降低整車重量的

35%左右，降低燃油消耗，如 Volkswagen(徳國福斯)新推出的採用碳纖維複合材 料車身和零部件的 XL1 車型總重量只有 795kg，結合混動技術，每百公里油耗僅 0.9 公升。

(2) 耐久性

碳纖維複合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，碳元素化學性質穩定，

無需進行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極佳，壽命一般為鋼材的 2-3 倍。

採用 CFRP 材料生產的功能性零部件的疲勞強度也遠高於鋼材。

(3) 安全性

碳纖維複合材料的抗拉強度一般都在 3500Mpa 以上，是普通鋼材的 5 倍，

由碳纖維材料製作的駕駛艙在碰撞中變形極小，可有效保護駕駛與乘客的生存空 間。經特殊編織的碰撞吸能結構在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量撞擊 能量（能量吸收性為一般鋼材的 3 倍以上），能有效提高車輛被動安全性。

(4) 美觀性

表面只噴塗一層清漆，可以清晰的看見內部的碳纖維絲束經緯或者斜線交叉 排列，顯得緻密規整。將碳纖維複合材質應用到車尾擾流板，後視鏡，車頂，儀 錶板，副儀錶板，門飾板和方向盤等可視覺化較高的零件上，營造出車輛科技運 動的視覺效果。

碳纖維複合材料在汽車各系統的應用中，隨著汽車輕量化發展理念的不斷深 入，各個汽車生產廠商也在不斷的開發碳纖維汽車結構件。汽車產品已成為全球 第四大碳纖維應用市場，並將在未來五年內會有更巨大的市場需求。

(二)與油電混合車及純電動車等動力來源改變

除了汽車減重以減少燃油消耗，降低空汙排放外，另一個全球汽車產業發展 的趨勢為:生產純電動汽車或油電混合動力汽車，亦即使用電池取代引擎(即內燃

機) 做為驅動方式，車輛行駛中不會消耗燃料，不直接產生排放汙染。近幾年來，

在大陸各主要一、二級城市幾乎已全面禁止燃油摩托車而改採電動機車取代，以 減少廢氣排放汙染。中國大陸政府在汽車產業更大力鼓吹純電動汽車的研發與推 廣並祭出各種優惠的補貼政策，使得中國大陸汽車市場近幾年來在電動車的推廣 上已有大規模發展。

反觀台灣汽車市場，因全屬於私人企業型態，且受限於市場規模有限的的狀 態下，若政府無積極的政策要求，汽車產業一般不會主動花太多精力及成本去研 發新能源汽車。頂多只是配合技術(或合資)母廠的發展進行新能源車的銷售。例 如:豐田進口的 Hybrid(油電混合車)及 Prius 系列(純電動車)在台銷售，豐田在台灣 的合資公司國瑞汽車以及其他國產車廠並無實際自行研發相關的環保綠能汽車 在台灣導入國產化的計劃。