內(nèi)燃機(jī)的未來(lái)何去何從?

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1 大眾排放丑聞引發(fā)的熱烈討論

2015年9月，德國(guó)大眾汽車被媒體報(bào)道，其通過(guò)軟件操縱對(duì)排放進(jìn)行作弊，使柴油機(jī)在廢氣排放測(cè)試中比在正常行駛條件下更清潔，隱瞞了柴油車真實(shí)的排放水平。當(dāng)時(shí)眾多汽車制造商(包括其他德國(guó)公司)也因試圖采用同樣的手段而被調(diào)查,由此引發(fā)了公眾廣泛的討論。

這起柴油機(jī)廢氣排放作弊丑聞不僅涉及到汽車工業(yè)，而且在2017年6月末的德國(guó)議會(huì)報(bào)告也表示“此事同樣涉及到政府和有關(guān)部門”。該報(bào)告在介紹德國(guó)歷年?duì)顩r時(shí)表示：“雖然政策在不斷降低廢氣排放限值(圖1)，但是城市中有害的柴油機(jī)廢氣排放的實(shí)際測(cè)量值卻在進(jìn)一步升高”。多年來(lái)，政府有關(guān)部門也知道存在這種矛盾狀況，甚至有時(shí)候政府也產(chǎn)生了自我懷疑。報(bào)告中還稱“聯(lián)邦交通部對(duì)廢氣排放不斷升高之事并不過(guò)問(wèn)或干預(yù)”，并對(duì)由此引起的有害公眾健康的后果視而不見(jiàn),暴露了政府有關(guān)部門職責(zé)的缺失。德國(guó)巴登-符騰堡州議會(huì)議員和經(jīng)濟(jì)部長(zhǎng)Nicol Hoffmeister-Kraut博士發(fā)表了“希望結(jié)束對(duì)柴油機(jī)不客觀的抨擊”的看法。她曾表示：“針對(duì)柴油機(jī)排放不需要責(zé)任的分?jǐn)?，而需要建設(shè)性的對(duì)話，才能使關(guān)于汽車廢氣排放的辯論更為客觀，并且除了有關(guān)環(huán)境及其可持續(xù)性發(fā)展之外，政府還應(yīng)承擔(dān)對(duì)企業(yè)職工和未來(lái)工業(yè)的責(zé)任?！睆闹心芸闯龅聡?guó)政府對(duì)柴油機(jī)廢氣排放事件的態(tài)度，以及擔(dān)憂此事對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響[1]。德國(guó)財(cái)政部承認(rèn)，柴油機(jī)排放丑聞可能會(huì)損害歐洲最大的經(jīng)濟(jì)體——德國(guó)。鑒于汽車行業(yè)的重要性，德國(guó)在2017年8月的月度報(bào)告中將“柴油危機(jī)”列入經(jīng)濟(jì)威脅清單之中，可以看出，“柴油危機(jī)”對(duì)德國(guó)經(jīng)濟(jì)的影響是無(wú)法估量的。

歐盟為此對(duì)VW、BMW、Daimler、Porsche和Audi等汽車企業(yè)進(jìn)行譴責(zé)[2]。為了解決問(wèn)題必須了解事實(shí)的真像，收集各方信息，并據(jù)此進(jìn)行理性的討論。當(dāng)然，如果國(guó)家無(wú)所作為，媒體將繼續(xù)揭露類似不良現(xiàn)象，起到監(jiān)督作用。

2017年6月底德國(guó)汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)科技協(xié)會(huì)(WKM)中，包括德國(guó)、奧地利和瑞士等國(guó)的共27名大學(xué)教授發(fā)表了相關(guān)的行業(yè)論文，論文內(nèi)容均表達(dá)了對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力有根據(jù)的批評(píng)，并承認(rèn)排放造假之事。并譴責(zé)了“在試驗(yàn)循環(huán)鑒定的實(shí)際工況運(yùn)行中擅自使用了特殊手段，以非主動(dòng)形式降低廢氣排放”。但是，這些教授們也認(rèn)為媒體的大多數(shù)報(bào)道并非是基于事實(shí)的理性報(bào)道[3]。

2017年4月初，德國(guó)金屬加工工業(yè)工會(huì)(IG Mtall)收集了有關(guān)柴油機(jī)目前實(shí)際狀況、背景及工會(huì)會(huì)員處境等方面的材料,并強(qiáng)調(diào)“采取強(qiáng)制措施要求排放要分別滿足顆粒物(PM)、CO2和氮氧化物(NOx)，對(duì)任何人都沒(méi)有好處?！?/p>

2017年6月，一篇發(fā)表于WKM的論文指明了柴油機(jī)動(dòng)力的現(xiàn)存問(wèn)題以及在汽車上禁用內(nèi)燃機(jī)的可行性討論。作為此篇論文的撰稿人，德國(guó)Darmstadt理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)和汽車動(dòng)力研究所所長(zhǎng)Christian Beidl博士指出：“考慮到要進(jìn)一步降低CO2排放，蓄電池電動(dòng)車、使用低CO2排放的內(nèi)燃機(jī)汽車以及氫燃料汽車會(huì)成為相互競(jìng)爭(zhēng)的可替代措施?！?/p>

圖1 所選擇的空氣中有害物排放的變化趨勢(shì)

2 德國(guó)禁止柴油汽車進(jìn)城的爭(zhēng)論

當(dāng)前，德國(guó)正在廣泛熱烈地爭(zhēng)論關(guān)于“是否應(yīng)該禁止柴油汽車進(jìn)城”的問(wèn)題。行業(yè)專家表示懷疑，特別是涉及到硬件方面的改動(dòng)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步的精確標(biāo)定，使系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)配合，但是如果排放仍然存在超過(guò)廢氣排放限值的情況，那么柴油轎車將被禁止進(jìn)入城鎮(zhèn)用戶市場(chǎng)。

德國(guó)聯(lián)邦環(huán)保局局長(zhǎng)Maria Krautzberger女士表示：“2015年新注冊(cè)的汽油轎車和柴油轎車的CO2平均值為129 g/km，而2016年德國(guó)有57%的廢氣測(cè)量點(diǎn)的年平均值超過(guò)NO2限值，其中最主要的排放來(lái)源是歐5和歐6的柴油轎車(圖2)。據(jù)調(diào)查，滿足歐5柴油轎車排放的NOx平均比同樣排放標(biāo)準(zhǔn)的汽油轎車高45倍，并且1輛滿足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油轎車總排放量比汽油轎車要高25倍多。甚至使用未來(lái)達(dá)到實(shí)際行駛排放(RDE)標(biāo)準(zhǔn)的柴油轎車，也只能等到2025年后才能滿足空氣質(zhì)量的要求。禁止NOx排放高的柴油轎車進(jìn)城，同時(shí)使更清潔的轎車進(jìn)入市場(chǎng)。但這僅僅是緊急措施，更好的辦法是通過(guò)更新軟件改進(jìn)柴油轎車排放，或者裝備更好的廢氣后處理系統(tǒng)。

圖2 各種廢氣排放等級(jí)柴油轎車的實(shí)際平均排放與其限值的比較

城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)聯(lián)盟主要負(fù)責(zé)人Gerd Landsberg表示：“排放問(wèn)題存在于許多城市中，但這不完全是由柴油轎車引起的”。Landsberg補(bǔ)充道：“來(lái)自某一交通運(yùn)輸工具的顆粒物總數(shù)幾乎與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)關(guān)，排放是由道路交通產(chǎn)生的路面揚(yáng)塵和磨損顆粒構(gòu)成，而且由輪胎和制動(dòng)產(chǎn)生的磨損顆粒構(gòu)成了顆粒物總數(shù)。這些顆粒物也由‘局部零排放的’電動(dòng)車所引起”。

為了保障人們出行的便利，應(yīng)加強(qiáng)交通限制的相關(guān)措施，例如禁止柴油車進(jìn)城或收取市區(qū)稅，并最終通過(guò)智能化交通管制、道路公共設(shè)施和車輛共享來(lái)解決排放問(wèn)題。

3 內(nèi)燃機(jī)會(huì)過(guò)早地終結(jié)嗎？

繼挪威和荷蘭計(jì)劃于2025年停售燃油車、德國(guó)和印度也擬計(jì)劃于2030年停售燃油車之后，英國(guó)和法國(guó)也計(jì)劃于2040年停售燃油車，而沃爾沃公司則宣布計(jì)劃于2019年之前就逐步停售燃油車，意在推動(dòng)零排放汽車的發(fā)展。

2017年2月15日歐盟委員會(huì)已向德國(guó)、法國(guó)、西班牙、意大利及英國(guó)共5個(gè)國(guó)家發(fā)出了最后提醒，下一步將會(huì)在歐盟框架內(nèi)對(duì)其毀約行為進(jìn)行起訴。因?yàn)檫@五國(guó)空氣中NOx含量反復(fù)超標(biāo)。歐盟委員會(huì)認(rèn)為：“NO2污染會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)，歐盟國(guó)家中40%的NOx排放來(lái)自于道路交通，而交通運(yùn)輸總排放中NOx的80%來(lái)自于柴油車”。

輝門動(dòng)力公司活塞環(huán)和氣缸套銷售經(jīng)理Christian Herbst-Dederichs認(rèn)為，由于目前媒體對(duì)汽車電動(dòng)化的推廣和報(bào)道，約有數(shù)十億的資金流入相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中，即使中期沒(méi)有贏利前景，但新的純電動(dòng)車(BEV)企業(yè)也找到了投資者，而且原來(lái)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的供應(yīng)商將在未來(lái)電動(dòng)化進(jìn)程中起到顯著的作用。盡管前景難以預(yù)測(cè)，但是與此相關(guān)的投資仍有很大的規(guī)模，而且有關(guān)于損害大氣環(huán)境和改善內(nèi)燃機(jī)污染的討論激勵(lì)了BEV和其他替代車型的應(yīng)用研究。不容置疑，2025年電動(dòng)車將會(huì)成為重要的市場(chǎng)角色。根據(jù)德國(guó)專利局和商標(biāo)局2016年度報(bào)告，可以了解內(nèi)燃機(jī)汽車或混合動(dòng)力車與BEV未來(lái)的市場(chǎng)比例。2016年，內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)為4 305項(xiàng)，混合動(dòng)力為3 152項(xiàng)，BEV為467項(xiàng)。雖然用于電驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用在提高，但是用于內(nèi)燃機(jī)和混合動(dòng)力方面的技術(shù)改進(jìn)費(fèi)用則數(shù)額更高。假設(shè)這些專利在10～15年時(shí)間內(nèi)能發(fā)揮出其工業(yè)效果，那么到2030年BEV在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式中所占的份額將達(dá)到3%～8%，而不是之前預(yù)期的20%～30%。而在研發(fā)BEV的期間，為了更好地保證利潤(rùn)，整車企業(yè)仍會(huì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)內(nèi)燃機(jī)，包括采用可變壓縮比、水噴射、電動(dòng)增壓、電暈放電點(diǎn)火、48V微混合動(dòng)力系統(tǒng)、合成燃料、采用鋼活塞和涂層活塞環(huán)降低摩擦等措施來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)。

英國(guó)倫敦城市大學(xué)Paolo Aversa教授認(rèn)為，在當(dāng)前政策持續(xù)轉(zhuǎn)變的時(shí)代，應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度,首先應(yīng)充分優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)，保證已取得的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，之后再進(jìn)行情況分析，注意數(shù)量級(jí)和再現(xiàn)性的轉(zhuǎn)變論據(jù)，有效的預(yù)測(cè)到轉(zhuǎn)變時(shí)間點(diǎn)。

“零排放車輛同盟”在2015年聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上宣布：到2050年，聯(lián)盟內(nèi)的國(guó)家將不允許銷售燃油車。也就是說(shuō)，留給傳統(tǒng)汽車制造商的時(shí)間只有35年。目前，該聯(lián)盟的成員包括德國(guó)、英國(guó)、荷蘭、挪威，以及美國(guó)的羅德島、加利福尼亞、康涅狄格、馬里蘭、馬薩諸塞、紐約、俄勒岡、佛蒙特8個(gè)州。目前，并不知道零排放車輛同盟是否會(huì)通過(guò)法律來(lái)強(qiáng)制執(zhí)行該決議，但是毫無(wú)疑問(wèn)，汽車工業(yè)的轉(zhuǎn)型已是大勢(shì)所趨。

4 純電動(dòng)車真的環(huán)保嗎？

預(yù)計(jì)到2040年，BEV將占全球新車銷量的54%，占據(jù)全球汽車保有量的三分之一，屆時(shí)中國(guó)、美國(guó)和歐洲合計(jì)將占全球純電動(dòng)車市場(chǎng)60%以上的份額。但是純電動(dòng)車真的節(jié)能嗎？如果考慮到全生命周期，BEV是否節(jié)能還值得人們深思。

純電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿κ请?，而電從哪里?lái)？就中國(guó)而言，總體發(fā)電量的76%都是由煤炭發(fā)電而來(lái)，因此其實(shí)純電動(dòng)車的動(dòng)力實(shí)際上來(lái)源于煤。世界上不僅中國(guó)是以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，很多國(guó)家都是如此，如果將汽車從燃油驅(qū)動(dòng)改為純電驅(qū)動(dòng)，也就意味著燃煤越來(lái)越多，那么大氣污染隨之也會(huì)上升。要直正解決這個(gè)問(wèn)題，需要從改變能源結(jié)構(gòu)入手，使電力也全部來(lái)源于水力、風(fēng)力、地?zé)岷秃四艿惹鍧嵞茉础?/p>

就BEV本身的技術(shù)發(fā)展而言，依然存在尚未解決的技術(shù)難題，如續(xù)航里程、充電速度、電池密度、電池耐用性等方面的技術(shù)都有待提升和突破，并且要經(jīng)受市場(chǎng)考驗(yàn)。

未來(lái)汽車市場(chǎng)如果全面停止生產(chǎn)和銷售燃油汽車的話，那么對(duì)于重型卡車而言，如果將燃油驅(qū)動(dòng)換成純電驅(qū)動(dòng)，就需要面臨更多的問(wèn)題。重型卡車采用天然氣動(dòng)力，其續(xù)航里程約400～500 km，若配備雙天然氣罐則可達(dá)800～1 000 km。如果換用蓄電池純電驅(qū)動(dòng)，則續(xù)航里程更短。雖然特斯拉于2017年年底推出的電動(dòng)卡車?yán)m(xù)航里程接近500 km，但是其價(jià)格和續(xù)航里程都無(wú)法滿足普通用戶的需求。

除此之外，考慮到純電動(dòng)汽車的充電時(shí)間和基礎(chǔ)的配套設(shè)施情況，純電動(dòng)車要完全普及還需要一段時(shí)間。

綜上所述，要徹底結(jié)束燃油車的時(shí)代還為時(shí)尚早，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)仍有一定的發(fā)展空間。

5 怎樣達(dá)到保護(hù)氣候的目標(biāo)

德國(guó)聯(lián)邦政府制定的2050年氣候保護(hù)計(jì)劃的目標(biāo)是,到2030年交通運(yùn)輸?shù)臏厥覛怏w排放比1990年減少40%～42%,從而達(dá)到總體改善城市空氣質(zhì)量的要求。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要找到可靠的解決方法和途徑。德國(guó)聯(lián)邦環(huán)保局局長(zhǎng)Maria Krautzberger女士認(rèn)為，為了達(dá)到這樣的目標(biāo)，乘用車只能采用純電動(dòng)車。預(yù)計(jì)到2030 年德國(guó)需要超過(guò)600萬(wàn)輛電動(dòng)車，2030年德國(guó)所有新注冊(cè)的轎車中有70%是純電驅(qū)動(dòng)或?yàn)榛旌蟿?dòng)力。為了成功地轉(zhuǎn)換到電驅(qū)動(dòng)并確保制造商實(shí)現(xiàn)計(jì)劃，德國(guó)聯(lián)邦政府將規(guī)定長(zhǎng)期有效的電動(dòng)車份額。

德國(guó)巴登-符騰堡州經(jīng)濟(jì)部長(zhǎng)Hoffmeister-Kraut表示：“在新型動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大力發(fā)展的情況下，德國(guó)工業(yè)的發(fā)展也許會(huì)被延緩，但仍處于主流趨勢(shì)之中?！钡聡?guó)所有的汽車制造商都處于大規(guī)模的電動(dòng)化改革之中，同時(shí)還要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力總成系統(tǒng),充分挖掘其潛力。日本豐田公司R&D副社長(zhǎng)Gerald Killmann 2017年6月曾表示，柴油機(jī)在廢氣后處理系統(tǒng)方面已變得越來(lái)越復(fù)雜和昂貴，但是必須控制總成本。即便如此，Gerald Killmann也不認(rèn)為柴油機(jī)乘用車會(huì)面臨淘汰風(fēng)險(xiǎn)。他表現(xiàn)：“裂解原油時(shí)會(huì)獲得柴油和汽油,柴油機(jī)多用于交通運(yùn)輸，柴油機(jī)乘用車保有量較少，但購(gòu)車行為是由用戶最終決定的。豐田公司不僅會(huì)提供混合動(dòng)力車，還將始終提供柴油車。”

排放專家Wolfgang Maus表示：“當(dāng)今的化石燃料(包括氣體燃料以及汽油和柴油)燃燒不完全，廢氣排放與此直接有關(guān)，特別是柴油?！?化石燃料由許多各種不同鏈長(zhǎng)的分子組成。如果能將它們與CO2排放低的合成燃料(比較理想的方式是由總是非常相似的C1分子合成)進(jìn)行比較的話，那么這些合成燃料能近乎完全燃燒，可達(dá)到幾乎無(wú)廢氣的排放。如果根據(jù)當(dāng)今的廢氣排放法規(guī)來(lái)衡量的話，那么按照Wolfgang Maus所提出的方法，就能降低對(duì)廢氣后處理系統(tǒng)的要求。

如果采用這種技術(shù)，使內(nèi)燃機(jī)吸入如含有NO2的空氣，并與燃料一起燃燒，采用合適的廢氣后處理系統(tǒng)降低有害物排放，可以使汽車尾氣排放低于限值。