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传统内燃机的前世今生 未来是否真将走向“死亡”

发布时间:2020-01-15 16:09    点击次数:166次   

  2017年对于内燃机来说是很不平常的一年。这一年,很多国家都相继公布了禁售内燃机汽车的时间表。今年7月,英国和法国宣布,将在2040年停止销售常规汽油和柴油小型载客汽车及货车。此前,荷兰、挪威等国家政府也提出过将在2025~2030年禁售传统燃油车的计划。

  一直号称要通过新能源汽车“弯道超车”实现汽车工业由大变强的中国,在刚刚闭幕的2017中国汽车产业发展(泰达)国际论坛上,据工业和信息化部副部长辛国斌透露,也已经启动制定燃油车退出时间表。

  然而,内燃机真的要死了吗?电动汽车真的能够一往无前、势如破竹地全面取代内燃机吗?今天我们就来看看内燃机的前世今生和未来!

  1806年,瑞士科学家F·I· 里瓦兹(F.I.Rivaz)设计了以氢和氧混合物为燃料的内燃发动机。

  1833年,英国人赖特(Lemuel Wellman Wright)提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计,而有记录的第一个水套缸概念也是由他提出的。

  1838年William Barentt的两冲程发动机,这是第一台采用缸内压缩燃烧空气做功的发动机。

  1860年,定居在法国巴黎的比利时人里诺(Jean Joseph Étienne Lenoir)发明了煤气发动机。发动机用煤气和空气的混合气体取代往复式蒸汽机的蒸汽,使用电池和感应线圈产生电火花,用电火花将混合气点燃爆发。这种发动机有气缸、活塞、连杆、飞轮等。煤气机是内燃机的初级产品,因为煤气发动机的压缩比为零。

  创新在继续中,当奥托的四冲程概念公之于众后。1880年英国发明家Dugald Clerk研究出了两冲程发动机概念。公认的现代汽车发明人卡尔·奔驰对内燃发动机的进步有不小的贡献,1879年,在授权了专利后,他制造成功了一台两冲程煤气机。1885年,根据德罗沙的四冲程理念制造出了一台四冲程发动机,这台发动机成为第一辆汽车的动力。

  到19世纪末,主要的集中活塞式内燃机大体上进入了实用阶段,并且很快显示出巨大的生命力。开始的内燃发动机是单缸的,平衡性不好发动机震动大,1889年,法国的潘哈德公司制造了世界上第一台四缸汽油发动机,随后紧跟推出4缸发动机的是法国的标致汽车公司。

  1903年,美国的玛蒙公司(Marmon)设计出世界上第一台V8缸发动机。为了提升发动机功率和效率,一些新的设计在酝酿中了……

  如今混合动力汽车,纯电动汽车蓬勃发展,而国家对汽车排放要求越来越严苛的条件下,传统的内燃机动力系统会如何发展呢?

  当年卡尔·本茨发明的内燃机排气量984cc,最大马力0.7ps/400rpm。每小时可以行使15km。随着时间的推移,更大的马力,更快的速度,就成了各家厂商开发内燃机的目标。因此发动机的排量越来越大,到1910年,世界上最早突破时速200km/h速度的汽车,搭载的就是奔驰开发的引擎。

  发动机排量的降低是从法国GP赛事开始的。最开始就是为了提高发动机效率,此后逐渐成为比赛规则的一部分。最早由法国标致赛车为主导,当时搭载7.6升排量发动机的标致在速度上战胜了14.1升排量的菲亚特。

  直喷系统真正应用并普及是从大众·奥迪汽车开始的。称之为FSI涡轮增压发动机现在已经被广泛使用了。直喷系统与涡轮增压系统实现了小排量,高动力。从2007年应用之后,目前世界上大多数汽车公司都采用了这种方式。

  由于燃油直喷和涡轮增压器的使用,原先需要12缸发动机才能爆发的动力,现在8个气缸就够了。当然在超级跑车和高端品牌上依然存在12缸发动机。不过根据市场反应,在21世纪初,美国8缸汽车发动机的市场占有率为45%,现在下降到15%。而4缸汽车的占有率提升至70%。

  降低排量的同时提升了动力,消费者可以花比以前更少的费用享受到跑车的快感。就连法拉利也在逐渐使用V型8缸发动机,而放弃了继续使用V12发动机。未来超跑时代,V8会成为主流。

  不过,直喷发动机也有其弊端。缸内直喷系统的结构,喷油嘴直接固定向气缸内喷油,虽然在高压泵的驱使下,燃油的雾化能力更好,但由于燃油直接喷入高温状态的气缸内,致使留给燃油汽化的时间很短促,这也就为排放更多微粒创造了条件。

  因此采用缸内直喷技术的发动机比歧管喷射技术发动机排放出的微粒浓度要高。换句话说,同级别的两辆车,搭载直喷发动机的汽车在排放方面要比采用歧管喷射发动机的汽车排放出更多的微粒。造成环境污染。因此日系品牌研制直喷发动机相对较晚,而且更加专注油电混合动力技术。

  大众汽车引入模块化平台概念其实也涉及到了动力系统,目前知名的MQB模块儿化平台虽然有车身制造。但是在动力总成领域,大众有汽油发动机MOB(模块化汽油发动机系统)平台和柴油发动机MDB(模块儿化柴油发动机系统)平台。

  在第三代大众EA888发动机上,大众采用了双喷射系统,简言之在低负荷工况时,歧管喷油嘴在气缸进气行程时喷油,混合气进入气缸,再配合压缩行程时气缸内喷油嘴喷油,从而实现分层燃烧;高负荷工况时,只在压缩行程进行缸内直喷。这样一来,不仅可以提高发动机的工作效率,还避免了上面提到的在低负荷工况下因氧气过量导致的排放问题。

  前段时间,英国《经济学人》杂志上发表的头条文章《内燃机之死(The Death of the Internal Combustion Engine)》更是将这一话题推向了高潮。很多不明就里的民众就此认为:内燃机汽车真的要马上被电动汽车全面取代了,就像大约100年前,内燃机汽车取代蒸汽机汽车那样。

  我们来看看Gautam Kalghatgi教授怎么说,一起了解更多关于电动汽车和内燃机的真相!

  截止到2016年,在英国注册登记的乘用车约有3200万辆,截止到2017年3月,在英国注册登记的可充电电动汽车有10.4万辆,其中一部分可充电电动汽车还是插电式混合动力汽车,即既有内燃机又有电池,所以严格来说不是零排放。如果我们假定到2050年时,英国注册登记的小型载客汽车及货车的数量与2016年时一致,为了满足英国政府的要求,2050年以后英国注册登记的纯电动车数量将是现有纯电动汽车保有量的约300倍,这个改变的规模非常巨大。考虑到不断下降的纯电动车成本以及政府政策的刺激,我们有强烈的信心,这种改变是可能的。然而,纯电动汽车的大规模增长依然存在巨大的障碍。

  1. 已经有很多研究强调了电动汽车对人体和水质的毒害潜力,这些毒害潜力主要是由生产制造电池所需要的金属所导致。针对这一问题,最近理特咨询公司发表了一篇报告,非常有趣,也很容易理解。

  2. 尽管每日邮报和空中电视台报道了在刚果的矿井中工作的孩子们,并将他们的困境与电动车联系起来,但这些问题可能并没有引起太多的公众注意,因为所有的这些问题都发生在偏远地区。今年年初,卫报和华盛顿邮报也有过类似的报道。然而,如果目标是将电动汽车的数量增加几百倍以完全取代内燃机,环保运动和其他非政府组织不太可能继续忽视这个环境问题。

  3. 关于内燃机的环境危害,也有一些很常见的报道,比如“……柴油发动机导致了4万人(各种不同的数字)额外的死亡,因为氮氧化物排放……”。David Spiegelhalter教授对此有一个清晰的解释。从本质上讲,这只不过是一种猜测,而且这种影响也可以用一种听起来并不那么令人担忧的方式表达出来,例如:在伦敦和巴黎,暴露于PM2.5的风险相当于每天吸一根烟。

  4. 除此之外,理特咨询公司的研究还称:“一辆2015年的纯电动汽车整个使用寿命内产生的毒性对人类生命的影响相当于20天的死亡或残疾(以失能调整生命年衡量,失能调整生命年是美国国家卫生研究院定义的一个描述“在特定人群中,因疾病、残疾或过早死亡导致的健康生活损失的年数”的综合指标),而一辆2015年的内燃机汽车产生的毒性对这一指标的影响只有6天。对于2025年的车型,两者对环境的二次影响的差异将会进一步扩大,纯电动汽车将会产生更高的人体毒害风险。”

  5. 如果像英国政府规划的那样,英国3200万辆乘用车全部被小型纯电动汽车取代,因此导致的人类健康生活损失的年数将达到170万年左右,而同样数量的内燃机汽车导致的人类健康生活损失的年数只有53万年。当然,如果电池容量更大一点的话(意味着更长的纯电续航里程),导致的人类健康生活损失的年数将更高。这个数字还不包含未来很长一段时间电动化余地很小的商用运输工具。

  6. 正如理特咨询公司的报告中所说的:“与纯电动汽车对人体健康的潜在危害相比,所有其他的环境二次影响都显得苍白无力。因为汽车对人体毒害的潜力在汽车使用寿命的不同时段是不一样的,驾驶一辆纯电动汽车而不是内燃机汽车的决定,本质上是将内燃机汽车对人体健康影响相对较小的更靠近汽车本身的毒害转换成纯电动汽车对人体健康影响相对较大的靠近矿山尾矿的毒害。对于美国司机来说,这是一个在当地社区(或者驾驶区域)排放少量污染还是在采矿和制造的地方排放相比而言更多的污染的两难选择。”

  8. 由于新型燃烧技术、先进后处理技术及控制技术的发展,未来几十年,内燃机的燃油消耗和排气污染将进一步减少。

  1. 英国政府的税收中,燃料税和燃料增值税的收入每年约为360亿英镑。电动车取代内燃机后,这将不得不由其他税收来补偿。

  2. 随着电动汽车数量的增加,政府财政补贴(在英国,每辆电动汽车补贴5000英镑)的负担将会增加。在某一阶段,也许在未来几年,这些补贴必须停止。然而,如果私家车车主需要自己投资来对家里的供电系统进行升级以满足电动汽车充电的需要,或者如果纯电动汽车的成本尽管已经大幅下降但仍然高于传统汽车,政府可能还需要继续补贴。目前,只要补贴一减少,电动汽车的销量就大幅下降,例如香港,丹麦(暂时减少),中国——比亚迪提高了价格而不是吸收新增的成本。

  3. 新基础设施的成本,如充电桩。在英国,大约40%的车主无法路外停车,政府将不得不投资建设充电桩,这可能需要高达870亿英镑的投资。

  4. 额外的电力成本。如果电力的来源不是无碳的,还需要考虑温室气体效应(这对于法国来说也是一个问题,因为法国正准备放弃核电!)。大家应该注意,电动汽车的充电很可能来自边际发电,这通常是基于化石燃料的,而不是可再生能源。

  在生产电池所需要的锂的安全供应方面也存在一些顾虑。锂的开采过程非常艰难,尽管储量丰富,但只集中在少数几个国家,这些国家可能无法或不愿意提高产量以满足日益增长的全球需求。

  明天——随着纯电动汽车数量的增加,环保主义者开始觉醒并呼吁:因为政府的政策和大型的糟糕的电动汽车公司只对利润感兴趣,孩子们正在非洲的矿井中死去。其他的制约因素,比如经济方面的问题开始变得非常大?

  如果全球电动汽车的数量真像狂热者所说的增长得那样快,那么首要的影响将是汽油需求的急剧减少,因为世界上大多数的轻型车(大约85%)是使用汽油驱动的火花点火式发动机。然而,全球对航空煤油、重型车辆及船运柴油的需求在未来几十年内预计将持续增长,尤其是在非经合组织国家,如印度和中国(参见国际能源署、埃克森美孚、美国能源情报署等能源机构发布的能源前景展望),而这些油也必须由石油生产。

  因此,如果电动汽车的数量增长更快,汽油和中馏分油(航空煤油+柴油)需求之间的差距将会变得更加突出。为了满足日益增长的中馏分油的需求,石油的开采量依然需要增加。炼油时从石油中最先蒸馏出来的低辛烷值汽油成分(石脑油),以前通常都会被加工成汽油,未来将由于汽油需求减少而被废弃。这将导致石油公司及炼油商面临难题,而不是石油需求量的减少。鉴于未来汽油,尤其是低辛烷值汽油供过于求的情形,新发动机技术的发展,类似于马自达公司最近宣布的创驰蓝天计划中可以使用低辛烷值汽油的新技术,如汽油压燃将会更有吸引力。

  英国政府关于所有轻型车使用纯电动汽车的新交通政策的重要经济后果需要一个全面而透明的研究。虽然政府需要投入大量的资金来实施这一新政,最终的结果却几乎可以肯定会对人类健康造成更大的危害,尽管这些危害会被转移到那些开采制造电池所需要的金属的那些国家。如果电动汽车所需的电能来自化石燃料,使用纯电动汽车所造成的温室气体效应也可能会更糟糕。毋庸置疑,交通运输工具的电动化程度未来会有显著地提升,但大部分是以混合动力的形式,即一块小电池,加上联合内燃机一起工作的电机,再结合其它一些如制动能量回收之类的技术,来减少汽车的燃油消耗。

  同时,未来几十年,新型燃烧技术与更先进的后处理系统及控制系统相结合,将进一步提高内燃机的效率,并降低内燃机的排放。当然,使用低碳燃料(如天然气、氢气等)也能够起到很好的效果。政府应该综合考虑局部及全球环境和温室效应的影响、生产供应安全及成本等因素,采取兼容更多技术路线的措施。不再投资改进内燃机技术的决定是非常短视的,因为未来几十年,内燃机将不可避免地给交通运输业,尤其是商用运输提供绝大部分的动力。


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