保時捷工程公司正在加速進(jìn)入氫能源領(lǐng)域，探索涵蓋混合動力、電動和更高效內(nèi)燃機(jī)的未來動力總成解決方案。

從六個月的研究來看，這家德國豪華汽車制造商有信心全面開發(fā)出清潔、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)動型的氫發(fā)動機(jī)。

目前，全球范圍內(nèi)的氫發(fā)動機(jī)工作正在進(jìn)行中，主要集中在比輸出功率相對較低的商用車，約為每升排量 50kW。

保時捷工程公司高級發(fā)動機(jī)仿真專家 Vincenzo Bevilacqua 表示：“對于乘用車領(lǐng)域來說，這還不夠。因此，我們開發(fā)了一種氫內(nèi)燃機(jī)，旨在匹配當(dāng)前高性能汽油發(fā)動機(jī)的功率和扭矩作為概念研究。同時，我們的目標(biāo)也是實現(xiàn)低油耗并將排放量保持在與環(huán)境空氣相同的水平。”

該研究的起點(diǎn)是一臺現(xiàn)有的 4.4 升八缸汽油發(fā)動機(jī)——或者更確切地說，它的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集，因為它使用發(fā)動機(jī)性能模擬虛擬地進(jìn)行了整個研究。

對發(fā)動機(jī)模型的修改包括更高的壓縮比和適應(yīng)氫氣的燃燒，但最重要的是，新的渦輪增壓系統(tǒng)。

“為了清潔氫氣燃燒，渦輪增壓器一方面必須提供大約兩倍于汽油發(fā)動機(jī)的空氣質(zhì)量，”Bevilacqua 補(bǔ)充道。

“然而，另一方面，較低的排氣溫度導(dǎo)致它們在排氣側(cè)的推進(jìn)缺乏能量。傳統(tǒng)的渦輪增壓器無法解決這種差異。”

因此，保時捷工程集團(tuán)研究了四種替代方案，特別是強(qiáng)大的渦輪增壓概念，其中一些來自賽車領(lǐng)域。所有系統(tǒng)都由多個電動渦輪增壓器組成，其中一些渦輪增壓器與空氣系統(tǒng)中的附加控制閥或電動壓縮機(jī)相結(jié)合。

Bevilacqua 在基準(zhǔn)研究中表示，每個渦輪增壓系統(tǒng)都顯示出特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

“因此，正確概念的選擇在很大程度上取決于所討論的氫發(fā)動機(jī)的要求，”他表示。

“對于相關(guān)的發(fā)動機(jī)研究，開發(fā)團(tuán)隊選擇了帶有背靠背壓縮機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)。這種設(shè)計的特點(diǎn)是兩個壓縮機(jī)級的同軸布置，它們由渦輪機(jī)或使用共用軸的配套電動機(jī)驅(qū)動。工藝空氣流經(jīng)第一級壓縮機(jī)，在中間冷卻器中冷卻，然后在第二級進(jìn)行再壓縮。”

氫發(fā)動機(jī)與原始汽油發(fā)動機(jī)“相提并論”

氫發(fā)動機(jī)的輸出功率約為 440kW，與原來的汽油發(fā)動機(jī)相當(dāng)。

為了更好地評估動力總成的性能，保時捷工程集團(tuán)在紐伯格林北環(huán)賽道上用總重量相對較高的 2,650 公斤的豪華級參考車對其進(jìn)行了測試——盡管完全是虛擬的：驅(qū)動是使用所謂的數(shù)字雙胞胎，即真實車輛的基于計算機(jī)的表示。

單圈時間為 8 分 20 秒，這輛車在駕駛動態(tài)方面表現(xiàn)出巨大的潛力。由于其化學(xué)成分，在氫氣燃燒過程中既不會釋放碳?xì)浠衔镆膊粫尫乓谎趸迹w粒物也不會起作用。

在優(yōu)化氫發(fā)動機(jī)的排放方面，保時捷工程集團(tuán)的專家因此將注意力集中在氮氧化物上。在廣泛的優(yōu)化回合中，他們調(diào)整了發(fā)動機(jī)的運(yùn)行策略，以實現(xiàn)最清潔的燃燒。他們的方法是通過極其稀薄且因此更冷的燃燒來保持低原始排放水平，從而可以省去廢氣后處理系統(tǒng)。

保時捷工程公司發(fā)動機(jī)模擬專家工程師 Matthias B?ger 表示，事實證明，氮氧化物排放量遠(yuǎn)低于目前正在討論的歐 7 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的限制，并且在整個發(fā)動機(jī)圖中接近于零。

為了更好地了解排放測試的結(jié)果，他將空氣質(zhì)量指數(shù)與政府當(dāng)局和其他機(jī)構(gòu)用作評估空氣污染水平的基準(zhǔn)進(jìn)行了比較。一般來說，每立方米氮氧化物的濃度高達(dá) 40 微克左右，就等同于良好的空氣質(zhì)量。

“氫發(fā)動機(jī)的排放量低于這個限制。因此，操作它對環(huán)境沒有重大影響，”B?ger 說。

排放量與環(huán)境空氣相同

除了幾乎無法測量的排放外，由于其稀薄燃燒，氫發(fā)動機(jī)在 WLTP 測量周期以及與客戶相關(guān)的周期中提供了高效率。

“因此，我們實現(xiàn)了我們自己設(shè)定的項目目標(biāo)：全面開發(fā)清潔、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)動型氫發(fā)動機(jī)，”Bevilacqua 總結(jié)道。

“批量生產(chǎn)的氫動力總成的成本可以與汽油發(fā)動機(jī)相媲美。雖然氫發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器系統(tǒng)和一些機(jī)械部件更復(fù)雜，因此也更昂貴，但不需要?dú)W7汽油發(fā)動機(jī)所需的廢氣后處理。”

保時捷工程團(tuán)隊能夠以虛擬方式高效地執(zhí)行所有測試。既定的模擬過程提供了基礎(chǔ)，以及公司在建模和計算方面的豐富經(jīng)驗。 “從最初的想法到完成研究，我們只用了六個月的時間。這包括基礎(chǔ)工作，例如創(chuàng)建新的模擬模型，考慮到氫氣與汽油相比的不同化學(xué)和物理特性。”

氫發(fā)動機(jī)不太可能以目前的形式投入生產(chǎn)，但這不是該項目的目標(biāo)。相反，重點(diǎn)是檢查替代驅(qū)動技術(shù)的技術(shù)潛力和擴(kuò)展現(xiàn)有工程工具的能力。

“這項研究使我們能夠獲得有關(guān)高性能氫發(fā)動機(jī)開發(fā)的寶貴見解，并將專門用于氫的模型和方法添加到我們的虛擬模擬方法中，”Bevilacqua 說。 “有了這些專業(yè)知識，我們準(zhǔn)備好有效地處理未來的客戶項目。”

氫動力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)

寶馬集團(tuán)氫燃料電池項目經(jīng)理 Axel Rücker 也活躍于氫能源領(lǐng)域，他概述了氫燃料電池汽車的優(yōu)缺點(diǎn)。寶馬氫燃料電池汽車的生產(chǎn)和銷售最早可能在 2025 年開始。

優(yōu)點(diǎn)

氫燃料電池汽車的動力是純電動的。當(dāng)你駕駛一輛時，感覺就像駕駛一輛普通的電動汽車。這意味著什么？幾乎沒有發(fā)動機(jī)噪音和活潑的啟動，因為電動機(jī)即使在低速時也能提供全扭矩。

另一個優(yōu)點(diǎn)是快速充電時間。根據(jù)充電站和電池容量，全電動汽車目前需要 30 分鐘到幾個小時才能充滿電。另一方面，燃料電池汽車的氫氣罐已裝滿，不到五分鐘就可以再次行駛。對于用戶而言，這使車輛的可用性和靈活性與傳統(tǒng)汽車的一致。

就目前而言，氫能汽車的續(xù)航里程仍然比純電動汽車更長。一個完整的氫氣罐將持續(xù)約 300 英里（約 480 公里）。電池驅(qū)動的汽車可以與非常大的電池相匹配——這反過來會導(dǎo)致車輛重量和充電時間的增加。

缺點(diǎn)

目前，氫燃料電池汽車最大的缺點(diǎn)是加氫選擇稀少。氫發(fā)動機(jī)在特殊的燃料泵上加注，將來可能會進(jìn)入普通的加油站。然而，就目前情況而言，加氫站仍然很少。

“我們在氫燃料電池技術(shù)方面存在先有雞還是先有蛋的問題，”Rücker 說。 “只要?dú)鋭恿ζ嚨募佑驼揪W(wǎng)絡(luò)如此薄弱，客戶的低需求將無法實現(xiàn)燃料電池汽車的大規(guī)模生產(chǎn)盈利。而只要道路上幾乎沒有氫燃料汽車，運(yùn)營商只會猶豫不決地擴(kuò)大他們的加氫站網(wǎng)絡(luò)。”

為了促進(jìn)那里的加氫基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展，寶馬等汽車制造商已與氫生產(chǎn)商和加氫站運(yùn)營商聯(lián)手發(fā)起清潔能源伙伴計劃，該計劃計劃到 2022 年將加氫站網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大到130座加氫站。

這將允許大約 60,000 輛氫燃料汽車在德國的道路上運(yùn)行。到 2025 年，隨著燃料電池汽車的相應(yīng)增加，下一個目標(biāo)將是400 座加氫站。鄰國還需要更多的加氫站，才能真正實現(xiàn)通過 FCEV 在德國以外的地方旅行。