內燃機的未來何去何從?

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1 大眾排放丑聞引發的熱烈討論

2015年9月，德國大眾汽車被媒體報道，其通過軟件操縱對排放進行作弊，使柴油機在廢氣排放測試中比在正常行駛條件下更清潔，隱瞞了柴油車真實的排放水平。當時眾多汽車制造商(包括其他德國公司)也因試圖采用同樣的手段而被調查,由此引發了公眾廣泛的討論。

這起柴油機廢氣排放作弊丑聞不僅涉及到汽車工業，而且在2017年6月末的德國議會報告也表示“此事同樣涉及到政府和有關部門”。該報告在介紹德國歷年狀況時表示：“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廢氣排放的實際測量值卻在進一步升高”。多年來，政府有關部門也知道存在這種矛盾狀況，甚至有時候政府也產生了自我懷疑。報告中還稱“聯邦交通部對廢氣排放不斷升高之事并不過問或干預”，并對由此引起的有害公眾健康的后果視而不見,暴露了政府有關部門職責的缺失。德國巴登-符騰堡州議會議員和經濟部長Nicol Hoffmeister-Kraut博士發表了“希望結束對柴油機不客觀的抨擊”的看法。她曾表示：“針對柴油機排放不需要責任的分攤，而需要建設性的對話，才能使關于汽車廢氣排放的辯論更為客觀，并且除了有關環境及其可持續性發展之外，政府還應承擔對企業職工和未來工業的責任。”從中能看出德國政府對柴油機廢氣排放事件的態度，以及擔憂此事對經濟發展的影響[1]。德國財政部承認，柴油機排放丑聞可能會損害歐洲最大的經濟體——德國。鑒于汽車行業的重要性，德國在2017年8月的月度報告中將“柴油危機”列入經濟威脅清單之中，可以看出，“柴油危機”對德國經濟的影響是無法估量的。

歐盟為此對VW、BMW、Daimler、Porsche和Audi等汽車企業進行譴責[2]。為了解決問題必須了解事實的真像，收集各方信息，并據此進行理性的討論。當然，如果國家無所作為，媒體將繼續揭露類似不良現象，起到監督作用。

2017年6月底德國汽車及發動機科技協會(WKM)中，包括德國、奧地利和瑞士等國的共27名大學教授發表了相關的行業論文，論文內容均表達了對柴油機動力有根據的批評，并承認排放造假之事。并譴責了“在試驗循環鑒定的實際工況運行中擅自使用了特殊手段，以非主動形式降低廢氣排放”。但是，這些教授們也認為媒體的大多數報道并非是基于事實的理性報道[3]。

2017年4月初，德國金屬加工工業工會(IG Mtall)收集了有關柴油機目前實際狀況、背景及工會會員處境等方面的材料,并強調“采取強制措施要求排放要分別滿足顆粒物(PM)、CO2和氮氧化物(NOx)，對任何人都沒有好處。”

2017年6月，一篇發表于WKM的論文指明了柴油機動力的現存問題以及在汽車上禁用內燃機的可行性討論。作為此篇論文的撰稿人，德國Darmstadt理工大學內燃機和汽車動力研究所所長Christian Beidl博士指出：“考慮到要進一步降低CO2排放，蓄電池電動車、使用低CO2排放的內燃機汽車以及氫燃料汽車會成為相互競爭的可替代措施。”

圖1 所選擇的空氣中有害物排放的變化趨勢

2 德國禁止柴油汽車進城的爭論

當前，德國正在廣泛熱烈地爭論關于“是否應該禁止柴油汽車進城”的問題。行業專家表示懷疑，特別是涉及到硬件方面的改動。隨著發動機進一步的精確標定，使系統彼此協調配合，但是如果排放仍然存在超過廢氣排放限值的情況，那么柴油轎車將被禁止進入城鎮用戶市場。

德國聯邦環保局局長Maria Krautzberger女士表示：“2015年新注冊的汽油轎車和柴油轎車的CO2平均值為129 g/km，而2016年德國有57%的廢氣測量點的年平均值超過NO2限值，其中最主要的排放來源是歐5和歐6的柴油轎車(圖2)。據調查，滿足歐5柴油轎車排放的NOx平均比同樣排放標準的汽油轎車高45倍，并且1輛滿足歐6排放標準的柴油轎車總排放量比汽油轎車要高25倍多。甚至使用未來達到實際行駛排放(RDE)標準的柴油轎車，也只能等到2025年后才能滿足空氣質量的要求。禁止NOx排放高的柴油轎車進城，同時使更清潔的轎車進入市場。但這僅僅是緊急措施，更好的辦法是通過更新軟件改進柴油轎車排放，或者裝備更好的廢氣后處理系統。

圖2 各種廢氣排放等級柴油轎車的實際平均排放與其限值的比較

城市和鄉鎮聯盟主要負責人Gerd Landsberg表示：“排放問題存在于許多城市中，但這不完全是由柴油轎車引起的”。Landsberg補充道：“來自某一交通運輸工具的顆粒物總數幾乎與動力驅動裝置無關，排放是由道路交通產生的路面揚塵和磨損顆粒構成，而且由輪胎和制動產生的磨損顆粒構成了顆粒物總數。這些顆粒物也由‘局部零排放的’電動車所引起”。

為了保障人們出行的便利，應加強交通限制的相關措施，例如禁止柴油車進城或收取市區稅，并最終通過智能化交通管制、道路公共設施和車輛共享來解決排放問題。

3 內燃機會過早地終結嗎？

繼挪威和荷蘭計劃于2025年停售燃油車、德國和印度也擬計劃于2030年停售燃油車之后，英國和法國也計劃于2040年停售燃油車，而沃爾沃公司則宣布計劃于2019年之前就逐步停售燃油車，意在推動零排放汽車的發展。

2017年2月15日歐盟委員會已向德國、法國、西班牙、意大利及英國共5個國家發出了最后提醒，下一步將會在歐盟框架內對其毀約行為進行起訴。因為這五國空氣中NOx含量反復超標。歐盟委員會認為：“NO2污染會引發嚴重的健康風險，歐盟國家中40%的NOx排放來自于道路交通，而交通運輸總排放中NOx的80%來自于柴油車”。

輝門動力公司活塞環和氣缸套銷售經理Christian Herbst-Dederichs認為，由于目前媒體對汽車電動化的推廣和報道，約有數十億的資金流入相關項目的開發中，即使中期沒有贏利前景，但新的純電動車(BEV)企業也找到了投資者，而且原來在內燃機領域的供應商將在未來電動化進程中起到顯著的作用。盡管前景難以預測，但是與此相關的投資仍有很大的規模，而且有關于損害大氣環境和改善內燃機污染的討論激勵了BEV和其他替代車型的應用研究。不容置疑，2025年電動車將會成為重要的市場角色。根據德國專利局和商標局2016年度報告，可以了解內燃機汽車或混合動力車與BEV未來的市場比例。2016年，內燃機領域的專利申請數為4 305項，混合動力為3 152項，BEV為467項。雖然用于電驅動的開發費用在提高，但是用于內燃機和混合動力方面的技術改進費用則數額更高。假設這些專利在10～15年時間內能發揮出其工業效果，那么到2030年BEV在動力驅動方式中所占的份額將達到3%～8%，而不是之前預期的20%～30%。而在研發BEV的期間，為了更好地保證利潤，整車企業仍會進一步開發內燃機，包括采用可變壓縮比、水噴射、電動增壓、電暈放電點火、48V微混合動力系統、合成燃料、采用鋼活塞和涂層活塞環降低摩擦等措施來優化發動機。

英國倫敦城市大學Paolo Aversa教授認為，在當前政策持續轉變的時代，應持謹慎態度,首先應充分優化現有技術，保證已取得的競爭優勢，之后再進行情況分析，注意數量級和再現性的轉變論據，有效的預測到轉變時間點。

“零排放車輛同盟”在2015年聯合國氣候變化大會上宣布：到2050年，聯盟內的國家將不允許銷售燃油車。也就是說，留給傳統汽車制造商的時間只有35年。目前，該聯盟的成員包括德國、英國、荷蘭、挪威，以及美國的羅德島、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個州。目前，并不知道零排放車輛同盟是否會通過法律來強制執行該決議，但是毫無疑問，汽車工業的轉型已是大勢所趨。

4 純電動車真的環保嗎？

預計到2040年，BEV將占全球新車銷量的54%，占據全球汽車保有量的三分之一，屆時中國、美國和歐洲合計將占全球純電動車市場60%以上的份額。但是純電動車真的節能嗎？如果考慮到全生命周期，BEV是否節能還值得人們深思。

純電動汽車的主要動力是電，而電從哪里來？就中國而言，總體發電量的76%都是由煤炭發電而來，因此其實純電動車的動力實際上來源于煤。世界上不僅中國是以煤為主的能源結構，很多國家都是如此，如果將汽車從燃油驅動改為純電驅動，也就意味著燃煤越來越多，那么大氣污染隨之也會上升。要直正解決這個問題，需要從改變能源結構入手，使電力也全部來源于水力、風力、地熱和核能等清潔能源。

就BEV本身的技術發展而言，依然存在尚未解決的技術難題，如續航里程、充電速度、電池密度、電池耐用性等方面的技術都有待提升和突破，并且要經受市場考驗。

未來汽車市場如果全面停止生產和銷售燃油汽車的話，那么對于重型卡車而言，如果將燃油驅動換成純電驅動，就需要面臨更多的問題。重型卡車采用天然氣動力，其續航里程約400～500 km，若配備雙天然氣罐則可達800～1 000 km。如果換用蓄電池純電驅動，則續航里程更短。雖然特斯拉于2017年年底推出的電動卡車續航里程接近500 km，但是其價格和續航里程都無法滿足普通用戶的需求。

除此之外，考慮到純電動汽車的充電時間和基礎的配套設施情況，純電動車要完全普及還需要一段時間。

綜上所述，要徹底結束燃油車的時代還為時尚早，傳統發動機技術仍有一定的發展空間。

5 怎樣達到保護氣候的目標

德國聯邦政府制定的2050年氣候保護計劃的目標是,到2030年交通運輸的溫室氣體排放比1990年減少40%～42%,從而達到總體改善城市空氣質量的要求。為了實現這個目標，需要找到可靠的解決方法和途徑。德國聯邦環保局局長Maria Krautzberger女士認為，為了達到這樣的目標，乘用車只能采用純電動車。預計到2030 年德國需要超過600萬輛電動車，2030年德國所有新注冊的轎車中有70%是純電驅動或為混合動力。為了成功地轉換到電驅動并確保制造商實現計劃，德國聯邦政府將規定長期有效的電動車份額。

德國巴登-符騰堡州經濟部長Hoffmeister-Kraut表示：“在新型動力驅動系統大力發展的情況下，德國工業的發展也許會被延緩，但仍處于主流趨勢之中。”德國所有的汽車制造商都處于大規模的電動化改革之中，同時還要進一步開發傳統的內燃機動力總成系統,充分挖掘其潛力。日本豐田公司R&D副社長Gerald Killmann 2017年6月曾表示，柴油機在廢氣后處理系統方面已變得越來越復雜和昂貴，但是必須控制總成本。即便如此，Gerald Killmann也不認為柴油機乘用車會面臨淘汰風險。他表現：“裂解原油時會獲得柴油和汽油,柴油機多用于交通運輸，柴油機乘用車保有量較少，但購車行為是由用戶最終決定的。豐田公司不僅會提供混合動力車，還將始終提供柴油車。”

排放專家Wolfgang Maus表示：“當今的化石燃料(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，特別是柴油。” 化石燃料由許多各種不同鏈長的分子組成。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)進行比較的話，那么這些合成燃料能近乎完全燃燒，可達到幾乎無廢氣的排放。如果根據當今的廢氣排放法規來衡量的話，那么按照Wolfgang Maus所提出的方法，就能降低對廢氣后處理系統的要求。

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