内燃机的未来何去何从?

【】

1 大众排放丑闻引发的热烈讨论

2015年9月，德国大众汽车被媒体报道，其通过软件操纵对排放进行作弊，使柴油机在废气排放测试中比在正常行驶条件下更清洁，隐瞒了柴油车真实的排放水平。当时众多汽车制造商(包括其他德国公司)也因试图采用同样的手段而被调查,由此引发了公众广泛的讨论。

这起柴油机废气排放作弊丑闻不仅涉及到汽车工业，而且在2017年6月末的德国议会报告也表示“此事同样涉及到政府和有关部门”。该报告在介绍德国历年状况时表示：“虽然政策在不断降低废气排放限值(图1)，但是城市中有害的柴油机废气排放的实际测量值却在进一步升高”。多年来，政府有关部门也知道存在这种矛盾状况，甚至有时候政府也产生了自我怀疑。报告中还称“联邦交通部对废气排放不断升高之事并不过问或干预”，并对由此引起的有害公众健康的后果视而不见,暴露了政府有关部门职责的缺失。德国巴登-符腾堡州议会议员和经济部长Nicol Hoffmeister-Kraut博士发表了“希望结束对柴油机不客观的抨击”的看法。她曾表示：“针对柴油机排放不需要责任的分摊，而需要建设性的对话，才能使关于汽车废气排放的辩论更为客观，并且除了有关环境及其可持续性发展之外，政府还应承担对企业职工和未来工业的责任。”从中能看出德国政府对柴油机废气排放事件的态度，以及担忧此事对经济发展的影响[1]。德国财政部承认，柴油机排放丑闻可能会损害欧洲最大的经济体——德国。鉴于汽车行业的重要性，德国在2017年8月的月度报告中将“柴油危机”列入经济威胁清单之中，可以看出，“柴油危机”对德国经济的影响是无法估量的。

欧盟为此对VW、BMW、Daimler、Porsche和Audi等汽车企业进行谴责[2]。为了解决问题必须了解事实的真像，收集各方信息，并据此进行理性的讨论。当然，如果国家无所作为，媒体将继续揭露类似不良现象，起到监督作用。

2017年6月底德国汽车及发动机科技协会(WKM)中，包括德国、奥地利和瑞士等国的共27名大学教授发表了相关的行业论文，论文内容均表达了对柴油机动力有根据的批评，并承认排放造假之事。并谴责了“在试验循环鉴定的实际工况运行中擅自使用了特殊手段，以非主动形式降低废气排放”。但是，这些教授们也认为媒体的大多数报道并非是基于事实的理性报道[3]。

2017年4月初，德国金属加工工业工会(IG Mtall)收集了有关柴油机目前实际状况、背景及工会会员处境等方面的材料,并强调“采取强制措施要求排放要分别满足颗粒物(PM)、CO2和氮氧化物(NOx)，对任何人都没有好处。”

2017年6月，一篇发表于WKM的论文指明了柴油机动力的现存问题以及在汽车上禁用内燃机的可行性讨论。作为此篇论文的撰稿人，德国Darmstadt理工大学内燃机和汽车动力研究所所长Christian Beidl博士指出：“考虑到要进一步降低CO2排放，蓄电池电动车、使用低CO2排放的内燃机汽车以及氢燃料汽车会成为相互竞争的可替代措施。”

图1 所选择的空气中有害物排放的变化趋势

2 德国禁止柴油汽车进城的争论

当前，德国正在广泛热烈地争论关于“是否应该禁止柴油汽车进城”的问题。行业专家表示怀疑，特别是涉及到硬件方面的改动。随着发动机进一步的精确标定，使系统彼此协调配合，但是如果排放仍然存在超过废气排放限值的情况，那么柴油轿车将被禁止进入城镇用户市场。

德国联邦环保局局长Maria Krautzberger女士表示：“2015年新注册的汽油轿车和柴油轿车的CO2平均值为129 g/km，而2016年德国有57%的废气测量点的年平均值超过NO2限值，其中最主要的排放来源是欧5和欧6的柴油轿车(图2)。据调查，满足欧5柴油轿车排放的NOx平均比同样排放标准的汽油轿车高45倍，并且1辆满足欧6排放标准的柴油轿车总排放量比汽油轿车要高25倍多。甚至使用未来达到实际行驶排放(RDE)标准的柴油轿车，也只能等到2025年后才能满足空气质量的要求。禁止NOx排放高的柴油轿车进城，同时使更清洁的轿车进入市场。但这仅仅是紧急措施，更好的办法是通过更新软件改进柴油轿车排放，或者装备更好的废气后处理系统。

图2 各种废气排放等级柴油轿车的实际平均排放与其限值的比较

城市和乡镇联盟主要负责人Gerd Landsberg表示：“排放问题存在于许多城市中，但这不完全是由柴油轿车引起的”。Landsberg补充道：“来自某一交通运输工具的颗粒物总数几乎与动力驱动装置无关，排放是由道路交通产生的路面扬尘和磨损颗粒构成，而且由轮胎和制动产生的磨损颗粒构成了颗粒物总数。这些颗粒物也由‘局部零排放的’电动车所引起”。

为了保障人们出行的便利，应加强交通限制的相关措施，例如禁止柴油车进城或收取市区税，并最终通过智能化交通管制、道路公共设施和车辆共享来解决排放问题。

3 内燃机会过早地终结吗？

继挪威和荷兰计划于2025年停售燃油车、德国和印度也拟计划于2030年停售燃油车之后，英国和法国也计划于2040年停售燃油车，而沃尔沃公司则宣布计划于2019年之前就逐步停售燃油车，意在推动零排放汽车的发展。

2017年2月15日欧盟委员会已向德国、法国、西班牙、意大利及英国共5个国家发出了最后提醒，下一步将会在欧盟框架内对其毁约行为进行起诉。因为这五国空气中NOx含量反复超标。欧盟委员会认为：“NO2污染会引发严重的健康风险，欧盟国家中40%的NOx排放来自于道路交通，而交通运输总排放中NOx的80%来自于柴油车”。

辉门动力公司活塞环和气缸套销售经理Christian Herbst-Dederichs认为，由于目前媒体对汽车电动化的推广和报道，约有数十亿的资金流入相关项目的开发中，即使中期没有赢利前景，但新的纯电动车(BEV)企业也找到了投资者，而且原来在内燃机领域的供应商将在未来电动化进程中起到显著的作用。尽管前景难以预测，但是与此相关的投资仍有很大的规模，而且有关于损害大气环境和改善内燃机污染的讨论激励了BEV和其他替代车型的应用研究。不容置疑，2025年电动车将会成为重要的市场角色。根据德国专利局和商标局2016年度报告，可以了解内燃机汽车或混合动力车与BEV未来的市场比例。2016年，内燃机领域的专利申请数为4 305项，混合动力为3 152项，BEV为467项。虽然用于电驱动的开发费用在提高，但是用于内燃机和混合动力方面的技术改进费用则数额更高。假设这些专利在10～15年时间内能发挥出其工业效果，那么到2030年BEV在动力驱动方式中所占的份额将达到3%～8%，而不是之前预期的20%～30%。而在研发BEV的期间，为了更好地保证利润，整车企业仍会进一步开发内燃机，包括采用可变压缩比、水喷射、电动增压、电晕放电点火、48V微混合动力系统、合成燃料、采用钢活塞和涂层活塞环降低摩擦等措施来优化发动机。

英国伦敦城市大学Paolo Aversa教授认为，在当前政策持续转变的时代，应持谨慎态度,首先应充分优化现有技术，保证已取得的竞争优势，之后再进行情况分析，注意数量级和再现性的转变论据，有效的预测到转变时间点。

“零排放车辆同盟”在2015年联合国气候变化大会上宣布：到2050年，联盟内的国家将不允许销售燃油车。也就是说，留给传统汽车制造商的时间只有35年。目前，该联盟的成员包括德国、英国、荷兰、挪威，以及美国的罗德岛、加利福尼亚、康涅狄格、马里兰、马萨诸塞、纽约、俄勒冈、佛蒙特8个州。目前，并不知道零排放车辆同盟是否会通过法律来强制执行该决议，但是毫无疑问，汽车工业的转型已是大势所趋。

4 纯电动车真的环保吗？

预计到2040年，BEV将占全球新车销量的54%，占据全球汽车保有量的三分之一，届时中国、美国和欧洲合计将占全球纯电动车市场60%以上的份额。但是纯电动车真的节能吗？如果考虑到全生命周期，BEV是否节能还值得人们深思。

纯电动汽车的主要动力是电，而电从哪里来？就中国而言，总体发电量的76%都是由煤炭发电而来，因此其实纯电动车的动力实际上来源于煤。世界上不仅中国是以煤为主的能源结构，很多国家都是如此，如果将汽车从燃油驱动改为纯电驱动，也就意味着燃煤越来越多，那么大气污染随之也会上升。要直正解决这个问题，需要从改变能源结构入手，使电力也全部来源于水力、风力、地热和核能等清洁能源。

就BEV本身的技术发展而言，依然存在尚未解决的技术难题，如续航里程、充电速度、电池密度、电池耐用性等方面的技术都有待提升和突破，并且要经受市场考验。

未来汽车市场如果全面停止生产和销售燃油汽车的话，那么对于重型卡车而言，如果将燃油驱动换成纯电驱动，就需要面临更多的问题。重型卡车采用天然气动力，其续航里程约400～500 km，若配备双天然气罐则可达800～1 000 km。如果换用蓄电池纯电驱动，则续航里程更短。虽然特斯拉于2017年年底推出的电动卡车续航里程接近500 km，但是其价格和续航里程都无法满足普通用户的需求。

除此之外，考虑到纯电动汽车的充电时间和基础的配套设施情况，纯电动车要完全普及还需要一段时间。

综上所述，要彻底结束燃油车的时代还为时尚早，传统发动机技术仍有一定的发展空间。

5 怎样达到保护气候的目标

德国联邦政府制定的2050年气候保护计划的目标是,到2030年交通运输的温室气体排放比1990年减少40%～42%,从而达到总体改善城市空气质量的要求。为了实现这个目标，需要找到可靠的解决方法和途径。德国联邦环保局局长Maria Krautzberger女士认为，为了达到这样的目标，乘用车只能采用纯电动车。预计到2030 年德国需要超过600万辆电动车，2030年德国所有新注册的轿车中有70%是纯电驱动或为混合动力。为了成功地转换到电驱动并确保制造商实现计划，德国联邦政府将规定长期有效的电动车份额。

德国巴登-符腾堡州经济部长Hoffmeister-Kraut表示：“在新型动力驱动系统大力发展的情况下，德国工业的发展也许会被延缓，但仍处于主流趋势之中。”德国所有的汽车制造商都处于大规模的电动化改革之中，同时还要进一步开发传统的内燃机动力总成系统,充分挖掘其潜力。日本丰田公司R&D副社长Gerald Killmann 2017年6月曾表示，柴油机在废气后处理系统方面已变得越来越复杂和昂贵，但是必须控制总成本。即便如此，Gerald Killmann也不认为柴油机乘用车会面临淘汰风险。他表现：“裂解原油时会获得柴油和汽油,柴油机多用于交通运输，柴油机乘用车保有量较少，但购车行为是由用户最终决定的。丰田公司不仅会提供混合动力车，还将始终提供柴油车。”

排放专家Wolfgang Maus表示：“当今的化石燃料(包括气体燃料以及汽油和柴油)燃烧不完全，废气排放与此直接有关，特别是柴油。” 化石燃料由许多各种不同链长的分子组成。如果能将它们与CO2排放低的合成燃料(比较理想的方式是由总是非常相似的C1分子合成)进行比较的话，那么这些合成燃料能近乎完全燃烧，可达到几乎无废气的排放。如果根据当今的废气排放法规来衡量的话，那么按照Wolfgang Maus所提出的方法，就能降低对废气后处理系统的要求。

如果采用这种技术，使内燃机吸入如含有NO2的空气，并与燃料一起燃烧，采用合适的废气后处理系统降低有害物排放，可以使汽车尾气排放低于限值。