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保时捷工程公司在一项针对氢燃料内燃机的发展潜力研究中进行测试。结果显示这具高性能动力单元的废气排放品质和环境中的空气十分相近。保时捷正在同时开发用于未来车辆的各种动力解决方案,包括混合动力系统、纯电力驱动以及高效率内燃机。而氢燃料展现的潜力,足以代替传统燃料或合成燃料(eFuel),也是保时捷工程公司正在研究的对象。

用于一般乘用车的高性能氢燃料引擎


目前全球都在研发氢燃料引擎,众人目光的焦点放在平均容积效率仅约50kW/L、动力相对较低的商用车上。保时捷工程公司资深引擎模拟工程师 Vincenzo Bevilacqua 表示:「对于一般乘用车而言,这样的性能并不足够。因此,我们正进行一种氢燃料内燃机的概念研究,目标除了要能够拥有与当前的高性能汽油引擎相匹敌的马力和扭力之外,还希望达到低耗能,以及废气排放品质可维持与一般大气相同的洁净程度。我们以一具现有的4.4 升八汽缸汽油引擎进行测试,或者更确切地说,是使用引擎性能模拟器,以其数据虚拟执行整个研究。」

为了适应氢燃料,引擎调整成具备更高的压缩比和燃烧效率,但最重要的是,导入全新的涡轮增压系统。Bevilacqua 解释道:「为了让氢气达成洁净燃烧(clean combustion),涡轮增压器一方面必须提供使用汽油燃料时两倍的空气量,另一方面,氢气燃烧较低的排气温度却又会导致排气端推进能量不足。」传统的涡轮增压器无法克服这种差异,因此,保时捷工程公司研发了四款力量更大的涡轮概念来替代,其中也包括源自赛道科技的技术。

所有系统都由多个具备电动辅助的涡轮增压器组成,部份涡轮增压器会在进气系统或电动涡轮加装额外的控制阀。Bevilacqua表示:「在标准测试中,每个涡轮增压系统都展现出各自的优、缺点。因此,想要选择出正确的系统,我们必须回头检视氢燃料引擎需要配合的条件内容。」考量到研究时的需求,团队最终选择具有背对背涡轮的涡轮增压系统,这种设计的特点是两个涡轮采同轴设计,透过共用轴可利用涡流或电动辅助马达来驱动两个涡轮,空气流经第一个涡轮后由中冷器降温,然后在第二阶段进行再次压缩。

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这具氢燃料引擎动力输出达到 440kW,已可和其传统汽油引擎的原型相提并论。为了更有效地评估这具动力单元的表现,保时捷工程公司以车重约 2,650 公斤的豪华级距参考车,在纽柏林北环赛道进行测试。尽管完全采虚拟方式进行,整趟过程仍由完全符合现实车辆的数据进行电脑模拟测试,最终该车创下 8 分 20 秒的单圈时间,展现极高驾驶动态潜力。由于氢燃料的化学成分,在燃烧过程中既不会释放碳氢化合物或是一氧化碳,排放颗粒物也不会造成污染,因此保时捷工程公司的专家们将注意力集中在氮氧化物上,以期进一步改善氢燃料引擎的废气排放品质。经过多次改良测试后,他们调整了引擎运转策略,透过稀薄且更低温的燃烧,使原始排放保持在低标,并借此省去排气处理系统,以达到最纯净的燃烧排放。

保时捷工程公司的引擎模拟工程师Matthias Böger解释:「结果显示,氮氧化物的排放远比现阶段拟定的欧盟七期标准还低,甚至在整个引擎管路中趋近于零。」为了更了解废气排放测试结果,他将其与空气质量指数进行比较,该指数是被政府当局和其他机构用于评估空气污染的基准。一般来说,氮氧化物浓度在每立方公尺 40 微克左右,就等同于良好的空气品质。Böger接着说道:「氢燃料引擎的废气排放远低于这标准,因此,采用这样的配置对环境不会造成重大影响。」

排放出的废气与环境空气品质无异


除了微乎其微的废气排放外,归功于稀薄燃烧,这具氢燃料引擎在 WLTP 的测试循环以及与消费者相关测试中,皆有着高效率的表现。Bevilacqua 总结道:「我们实现了原本设定的计画目标,也就是开发洁净、经济和运动取向的氢燃料引擎。」而且氢燃料引擎的量产成本可以和汽油引擎相比拟,尽管氢燃料引擎的涡轮增压系统和部分机械零组件较为复杂,使其成本相对提高,但在欧盟七期法规下,使用氢燃料就不需像汽油引擎一般进行废气排放处理。 

保时捷工程团队以虚拟方式执行所有测试,因此有效率地完成研究,获得结果。既定的模拟流程以及该公司在建模和计算方面的丰富经验,是得到此一成绩的基础。Bevilacqua 表示:「从最初的想法到完成研究,我们仅耗时六个月;这当中还包括基础作业,像是创建新的模拟模型,还得同时考虑氢气与汽油不同化学和物理性质。」

能耗表现改善 5%

氢燃料引擎不太可能以现有形式投入生产,这也并非此项计画的目标;相反的,计画的重点在于研究具有替代潜力的驱动技术,以及扩展现行的工程研发能力。Bevilacqua解释道:「我们从这项研究中获得开发高效能氢燃料引擎的宝贵见解,并将针对氢燃料的各种模组和方法加入我们的模拟流程中。凭借这些专业知识,我们已准备好有效地处理未来针对消费者所推进的计画。」

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