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韩志玉:内燃机不是汽车工业里的过气明星

韩志玉:内燃机不是汽车工业里的过气明星

记者 | 刘洋
编辑 | 章琦

现在回头看,2013年是电动车遭遇阶段性低谷的年份。当年5月,美国电动车电池供应商科迪达宣布破产,曾在2007年完成10亿美元融资的热插拔电池制造商Better Place也进入“清算申请”程序,炒作更热的电池供应商则在更早的2012年就陷入了破产保护状态。

当时惟一的好消息则在多年后被证实具有难以估量的意义。比科迪达破产稍早一点,当时就已经声名鹊起的特斯拉,宣布正式偿清美国政府为其提供的4.52亿美元贷款,总算给时任总统奥巴马(Barack Obama)提出的2015年时美国要有100万辆电动车的论调保留了一丝希望。

从那时开始,电动汽车逐渐走上增长的轨道。到2019年,作为新能源汽车中的领跑者,特斯拉的年产量和交货量已经接近40万部,上海超级工厂的建成投产无疑将进一步提升这个数字;在中国,包括蔚来、小鹏和威马在内的造车新势力也开始成为不容忽视的汽车品牌;中美之间,越来越多的汽车企业开始正视这个变革中的市场,越来越多的新玩家也跃跃欲试。

在这个过程中,人们也将越来越多的期望注入到变革的汽车工业中去。有人认为电动汽车很快就将取代传统燃油汽车,毕竟最初的汽车就是用电驱动的;也有人提出完全的自动驾驶很快将成为汽车领域的主流,因为这将解放人们的双手,并大幅降低车祸的频率和烈度;还有人在5G时代到来的前夜畅想全球的汽车都将相互连接,从而变成一个巨大的物联网;更有人提出氢动力比纯电动更有前途,因为氢的燃烧产物是水——最环保的物质莫过于此。

这样狂热的气氛中,在中美两国汽车行业学习和工作了整整40年的韩志玉却保持着十分的谨慎态度。相对于其他人,他总是倾向于更全面地评估新能源汽车的未来,总是对快被一些人遗忘的发动机抱以厚望,并认为这些精致的机械仍将在未来几十年甚至更长时间中发挥重要作用。

但你没办法把他的这些观点归入过于主观或过时的行列中。他的学术思想足够前卫,他是留美博士,参与过“863”科技攻关计划,在中国汽车界最早开始研究甲醇发动机;他的研究成果颇丰,2015到2018年将曾连续四年位列爱斯唯尔中国高被引学者汽车工程学科榜首;他也不缺少产业经验,曾担任美国福特公司的研发经理和长城汽车研究院院长;更重要的是,他在汽车产业中摸爬滚打的时间足够长,工作经历横跨工业和教育界,这使他具有非常难得的跨越周期和方向的视角。

韩志玉的思路非常清晰。他很少笼统地讨论汽车产业,而是愿意先将技术分成实验室中的研发成果和市场中的产品技术两个层面,然后分别讨论技术在不同层面的前景。在他看来,实验室技术主要是展示技术的原理和功能,而产品技术还要考虑可制造性、耐久性、成本、法规符合性等等。所有技术都值得在实验室长期跟踪和持续研究,这对高校科研机构和大汽车公司尤为重要,但在市场里,只有特定技术才具有产业化价值。目前,不论在政府的产业支持上,还是在媒体的宣传鼓动上,又或者是企业的技术创新过程中,技术的这两个层面都经常被混淆。

正是考虑到复杂的现实,韩志玉认为尽管纯电动汽车的风靡确实让传统汽车企业变得警觉,内燃机在汽车工业中的重要性也确实出现了下降,但这场围绕动力系统展开的竞争不会以内燃机退出历史舞台作为终点。更可能的情况是,不同的动力系统将长期共存下去。

《环球财经》和同济大学汽车学院教授韩志玉的对话,也就从这波由新能源汽车掀起的浪潮开始。

传统内燃机当前仍是汽车工业中的最佳选项

《环球财经》:尽管部分厂商遇到了困难,但新能源汽车在十年浮沉后的崛起仍旧是中国甚至全球汽车界过去几年中最值得关注的事。另一方面,中国造车新势力的根基似乎过于不稳,补贴的取消宛如达摩克里斯之剑,似乎随时可以冷却这个行业的热情,您怎么看待这个问题?

韩志玉:1983年,我在西安交通大学开始读研究生时,很多人都说中国的石油只能再用30年。那时,人们认为一个可能的替代选择是甲醇,因为甲醇可以从煤获得,而我国的煤炭资源比较丰富。1987年,我和我的导师就发表了国内第一篇关于纯甲醇发动机的学术论文。

从那时开始至今已经超过30年,燃油发动机仍然在汽车市场中占据着统治地位,原来预料的情况并没发生。其中原因是甲醇需要人造,这必然带来各种投入和能源损失;甲醇生产还非常耗水,生产和一顿汽油相当热量的甲醇需要耗费八吨水,可包括山西和内蒙古在内的我国富煤地区都非常缺水。因此,尽管在局部地区可以推广应用煤制甲醇,但甲醇大范围取代石油的技术路线很难实现。

这就说明了一个重要的道理,一种技术要变成拥有巨大市场的产品往往要经历非常漫长的过程。在这个过程中,很多因素都会影响到这种技术的普及程度,进而影响到其市场价值。

我们可以举柴油机与汽油机的例子。柴油发动机扭矩大、驾驶乐趣高,就算环保要求提高很多导致热效率下降的情况下,柴油发动机的热效率也比汽油发动机相对高20%。在中国,柴油和汽油的价格差不多,燃用柴油的成本优势就能显现出来;而在美国,柴油价格要比汽油高不少,老百姓就不大能注意到这个优势。

同样的情况也发生在新能源汽车上。很久以来,我们都宣传说电动汽车或氢能源汽车的时代正在到来,汽车产业在明天就会展现出完全不同的面貌。但事实上,即便已经宣传了这么久,消费者在选择汽车时优先选择的仍然是燃油汽车,这才是我们必须面对和理解的现实。

所以,对汽车动力来讲,现在确实是个精彩的时代。实验室有许多动力总成技术路线可以研究,市场上也有了混合动力和电动力与内燃机进行竞争,电动力发展还倒逼国外内燃机技术创新重新热了起来。简单地讲,我们有了各种各样的选择,这和20年前的情况完全不同。所有的动力总成创新想法也都应该得到国家科技创新体系的支持。但在产业化时,我们必须保持足够的谨慎,传统的内燃机研发和生产应该获得公平的竞争环境。

韩志玉:内燃机不是汽车工业里的过气明星

《环球财经》:可过去几年,我们确实看到了纯电动汽车的快速发展,很多人都感到汽车工业的革命性变化即将到来。在中国,新能源汽车销量已经超过百万;在美国,特斯拉已经是全球市值第三高的汽车公司。在这种背景下,继续推动内燃机的研发是科学理性的选择吗?

韩志玉:这两个例子重要。但我们也要知道,特斯拉2019年的产销量都还不到40万辆,还不到美国汽车年产量的5%。中国新能源汽车产量突破了百万,但我国每年新车销量高达2500万辆,新能源汽车的占比也还不到5%。所以,放弃95%那部分怎么会是科学理性的呢?

汽车行业的发展趋势也不支持这种赌博。国际能源署预测,2020年和2030年全球轻型电动汽车销量分别为390万辆和2100万辆,各占当年销量的3%和13%。也就是说,到2030年至少还有87%的轻型汽车需要单一内燃机驱动。在中国,由于巨大的补贴力度,电动汽车的发展确实要好于全球平均水平,但中国汽车学会预测,纯内燃机汽车到2030年时的市场份额仍然有35%,混合动力汽车的占比大约有25%,电动汽车最高也只有大约40%。如果假设电动汽车中有一半用插电式混合动力,那么届时中国生产的汽车中仍然有60%~80%需要至少一个内燃机。

之所以这样,是因为电动汽车自身的短板在短期内还难以克服。首先,电池的能量密度相对很低,和汽油与柴油相比,锂电池的能量密度低了差不多两个数量级,里程焦虑问题因此很难得到解决;其次,如果将能源使用、车辆维修保养、保险和交税全部计算在内,电动车的总使用成本也相对较高,美国的研究表明使用20年小型和中型纯电动汽车的成本会比纯内燃机汽车分别高44%和60%;第三,目前的充电基础设施也还不完善,专用充电车位较少、公共充电桩分布密度不足,建设充电桩的费用高、申请周期长、增容困难,用户用充电桩为电动车充电的时间较长,用户体验不够好。一句话,电动汽车并没有给人们带来用户体验的根本变化,另外在使用上却带来了诸多的不方便。

《环球财经》:但我们不能忽视的一个重要问题是节能和环保。2019年,工业和信息化部会同有关部门共同起草了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,在其中提出要让新能源汽车销量占比在2025年时达到25%,其目的也是如此。对这个问题,您又是怎么看待的?

韩志玉:这里有许多误区。许多研究已经表明从整个生命周期来看,依靠火电供应能源的电动车的能耗和排放的二氧化碳比燃油车高。但总有一些人喜欢用未来的风电水电来证明当前电动车的清洁,这种偷换概念的做法是不科学的。

另外,燃油车的改进也可以产生相同的效果。目前,燃油车的热效率只有34%到35%,如果可以把这个值提升到超过45%,理论上我们就能实现和25%的纯电动汽车占比相同的节能环保目标。这两种技术路线涉及到能源与资源、配套设施、工业基础、产品技术、终端使用等方方面面,应该认真研究并慎重决策。

而且,提高发动机的能源使用效率,也就是热效率的手段很多,包括加强气体滚流来提高燃烧速度、提高压缩比、改进稀薄燃烧技术、提升冷却废气再循环能力、降低传热损失、采用轻量化低摩擦材料以及高效率附件来提高机械效率等等,都有很好的效果。

2017年,丰田公司推出了基于全新架构的2.5 L发动机“Dynamic Force Engine”(动力发动机)。该发动机的热效率高达40%,混动版本的热效率更是达到了41%。此外,丰田已经在实验室内将汽油机热效率提高到了45.9%,日本大学实验室已经把发动机热效率做到超过51%。这表明在不远的未来,产品发动机有很大希望实现超过45%的热效率,从而比目前量产汽油机的热效率峰值相对提高25%以上,进而带来显著的降耗和减排前景。

其实,随着内燃机技术的进步,纯电动汽车是否能保持环保优势还要打个问号。包括丰田公司在内的研究表明,尽管电池技术和电机技术在进步,但只要内燃机热效率能达到50%,以全生命周期衡量减排效果时,传统内燃机直到2030年时仍然是汽车工业中的最佳选项。

我们没有理由输掉发动机领域的竞争

《环球财经》:这个结论让我们备受鼓舞。但这又涉及到一个新问题,那就是我国的内燃机研发能力。其实,我们之所以花费如此巨大的精力推动新能源汽车的发展,也是寄希望于以此实现汽车产业的弯道超车。那么,您认为,我国现在有能力做出满足上述要求的发动机吗?

韩志玉:确实,不论从动力性上衡量,还是从经济性上衡量,或者只以热效率作为衡量标准,中国目前的车用发动机和国外先进同类产品存在一到两代差距。从公开资料看,2019年我国企业在实验室中实现的汽油发动机热效率是41%,量产汽油发动机热效率最好的是39%。另外,我们还没有掌握包括控制器、喷嘴和增压器在内的核心零部件技术,也没有开发出真正在全球范围内有影响力的技术,汽车行业中的“卡脖子”问题还广泛存在。

但我们既然能在航空航天上和国外最高水平展开竞争,就没有理由输掉发动机领域的竞争。其实,尽管我们过去20年与国外技术公司合作开发发动机产品花了很多钱,但我们在提升燃油机热效率上投入的研发费用却很少很少,毕竟这不会为企业带来直接经济利益。

最近这些年,越来越多的海外留学人才回到国内,我们自己也培养了相当多的优秀人才,我们并非没有显著提升研发能力的人才基础。如果措施得当且支持力度足够,我相信我们能够组建一个优秀的攻关队伍,这个队伍也一定能在前人基础上很快实现50%的热效率目标。

另外,我们也不要对我国汽车工业的研发能力妄自菲薄,中国的发动机是有科研基础与底蕴的。上世纪30年代,我们就有了自己的发动机。西安交通大学在1952年就开设了内燃机专业,后来全国范围内开设这个专业的高校总计有30多个。此外,包括上海内燃机研究所、无锡油泵油嘴研究所、洛阳拖拉机研究所和长春汽车研究所在内的多个国家级研究机构,也都相继建立起来过;我们的内燃机产品在海洋、内河、军工、民用和农用产品上也都拥有广泛的应用。除了自动变速箱,我们的动力总成技术能力在当时相对落后的工业中算是相当不错的。我们只是在发动机电控化时才落伍了。

反过来看,我们希望通过发展电动车实现在汽车产业上的弯道超车,这个目标实现了吗?显然也没有。时代确实给了我们一个实现商业扩张的机会,但这不能保证技术成功:整车上,我们目前没有品牌可以媲美特斯拉;核心零部件上,最好的电池、电机产品也都不属于我们;最后,补贴对于电动汽车的发展非常重要,但这相当于把大量的社会财富都补贴给了社会上的小部分人,而且这小部分人还很有可能是社会上的富裕人群,这是非常不公平的一件事情。

动力总成和燃料的多样化是未来汽车产业的演进方向

《环球财经》:我们同样看到的是,越来越多的人在提汽车产业的“四化”趋势,也就是汽车的电动化、共享化、网联化和智能化。这几个趋势确实让我们对汽车的未来充满遐想,因此也成为了汽车领域创新的风口所在。作为汽车行业的资深从业者,您怎样看待这四个趋势?

韩志玉:电动化在未来的中国汽车市场中当然会扮演重要角色,但这不是赢家通吃的游戏。中国地域广阔、资源分布不均匀,动力总成的多样化更符合未来中国社会的现实需要。在A0级别和豪华轿车、以及公交大巴上,纯电动会有相当空间;在长途货车、工程机械和农用机械上,柴油车仍然将占据优势地位;其他领域,混合动力将是大势所趋。

如果以地区划分,情况则大致是这样的。在一线城市,由于纯电动汽车有助于解决这些城市小区域内的环境问题,政府将愿意以路权——也就是牌照政策的倾斜支持其发展,纯电动汽车在这些地方将有相当不错的市场空间;在广大的二三线和更小的城市,内燃机汽车和混合动力汽车将大行其道;在天然气资源丰富的西部,天然气汽车将有非常不错的发展机遇。

共享化则很难成为汽车行业的重要趋势。我们从历史和现实都看到,各国很少有消费者愿意把自己的车共享给其他人使用。这是由汽车的属性决定的,汽车是带有个人情感的大宗消费品,而不仅仅是帮助人们实现空间位置转移的工具,它的个人属性远远大于社会属性,功能属性在众多属性中往往居于次要地位,越在发达经济体越是如此。如果从A移动到B,人们其实不需要买车,高铁、单车、地铁、出租车甚至步行都能满足这些需求。

网联化确实很重要,但很难变成某个整车品牌的竞争优势。我认为,网联化必须要在“一张网、一朵云、一张纸”的前提下才有意义,因为只有当所有汽车都被覆盖在一张通讯网、一个云系统和一套技术标准下时,它的安全才可以得到充分保障。这意味着由科技公司建立这套体系并使之成为所有汽车共同的基础设施才更合适,而由汽车公司单独开发的系统不符合这样的趋势性要求。这样一来,一旦走到这一步,这些技术就很难成为某个品牌的独特竞争优势了。

韩志玉:内燃机不是汽车工业里的过气明星

智能化在全球范围内都得到了广泛重视。智能化可以简单地理解为自动驾驶或者辅助驾驶,在消费者、政策制定者和以保险公司为代表的商业机构的全面支持下,这项技术的发展动力最强且阻力最小,因此会拥有很好的前景。但辅助驾驶有前景,不代表L5级别的自动驾驶会实现。考虑到驾驶场景无穷无尽,L5级别的自动驾驶是不可能实现的;它也没必要实现,这同样和汽车属性密切相关,我们只要回答一个问题就能明白这中间的逻辑——如果完全的自动驾驶得以实现,那我们为什么还要买车?

《环球财经》:您提到了一个重要结论,就是动力总成和燃料的多样化才是未来汽车产业的演进方向,我们相信这更符合我们这样一个幅员辽阔国家的现实。但无论怎样,研发都是重中之重。在您看来,我国的汽车工业应该在接下来着重围绕动力系统的哪些方面开展研发?

韩志玉:这是个很重要的问题。未来,随着汽车动力系统从内燃机的独唱变成内燃机和电机的二重唱,内燃机就从核心零部件变成了关键零部件,相应的商业模式也将发生显著的变化。

即便如此,高性能发动机仍然非常重要。甚至在特斯拉成功后,美国能源部依然在不断推出内燃机研究计划。作为汽车工业的追赶者,我们就更没有理由放弃发动机研发了。

在这方面,我们首先要停止“禁燃”的不负责任的做法,正确认识内燃机不可完全替代的重要性,给予内燃机公平的政策待遇,这样才能保证应有的人才培养和科技创新积极性。在创新研发上,一方面要强化研发高效率发动机的技术和产品,争取10年内在将发动机市场产品的热效率提高到45%,甚至50%;同时开展混合动力专用发动机的研发;另一方面,要尽快突破关键零部件的技术瓶颈并实现规模化生产,将产业链控制在我们手中。

其次,我们要重视混合动力技术并创新出有特色的产品技术。在日本,丰田有动力分流的THS,本田有串并联电机的IMM-D,尼桑有串联式的e-POWER,马自达坚持高效率的内燃机的SKYACTIV-X动力,欧洲青睐P2,各大公司都有自己显著特点的技术路线,而我国自主品牌年产上千万辆汽车却没有发展出具有特色的技术路线,这与我们的汽车大国地位和创新驱动发展战略不相符合,也会制约我们的长远发展。

韩志玉:内燃机不是汽车工业里的过气明星

天然气重卡在京津冀打赢蓝天保卫战的过程中扮演了重要角色

第三,我们应该注意燃料的多元化,特别是高性能的天然气发动机需要得到更多重视。我认为,天然气在汽车领域的优势可以概括为16个字——“资源丰富、节能环保、技术成熟、社会认可”。我国有丰富的天然气资源,如果让西部的天然气和近海的可燃冰得到充分利用,我们几乎就拥有了取之不尽的能源;天然气也有很好的环保效应,燃用天然气没有颗粒排放,二氧化碳排放比燃用汽油降低25%,属于低碳燃料,天然气重卡在京津冀打赢蓝天保卫战的过程中扮演了重要角色,其环保价值已经得到证明;这同样符合“一带一路”倡议的宗旨,因为一带一路国家都是富气国家,天然气发动机在这些国家会得到广泛应用;天然气的开采、运输、储存和使用技术都很成熟,并不需要进行大规模的技术开发;最后,我们的消费者也有使用天然气的丰富经验,在汽车领域应用该技术时并不需要对消费者进行再教育。

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