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Porsche開發高性能氫內燃機的潛力 可在紐柏林跑出不錯的單圈成績

Written by: Bear

在一項研究中,Porsche Engineering研究了氫內燃機的潛力。其結果是高性能動力總成的排放達到與環境空氣處於相同的水準。Porsche有不同的動力總成解決方案,包括混合動力系統、電力驅動和高效內燃機,目前正在並行開發,以用於未來的車輛。而氫氣是傳統燃料或合成燃料(e-fuels)的潛在替代品,以用於內燃機,這是Porsche Engineering關於該主題研究的一部分。

目前,全球氫引擎(Hydrogen engine)的工作正在進行中,但這主要是針對每升排氣量輸出約50 kW的相對低動力輸出的商用車。Porsche Engineering引擎模擬高級專家Vincenzo Bevilacqua表示,「對於乘用車行業來說,這是不夠的。因此,我們開發了一種氫內燃機,旨在匹配當前高性能汽油引擎的馬力和扭力作為概念研究。同時,我們還實現了低油耗並將排放保持在與環境空氣相同水準的目標。我們研究的起點是現有的4.4升八缸汽油引擎,或者更確切地說,是數位數據集,因為我們使用引擎性能類比虛擬地進行了整個研究。」

對引擎模型的修改包括更高的壓縮比和適應氫氣的燃燒,但最重要的是,新的渦輪增壓系統。Bevilacqua解釋說,「為了清潔燃燒氫氣,渦輪增壓器必須提供大約兩倍於汽油引擎的空氣品質。然而,另一方面,較低的廢氣溫度導致排氣側缺乏推進的能量。這種差異無法用傳統的渦輪增壓器來解決。因此,Porsche Engineering研究了四種替代的,特別強大的渦輪增壓概念,其中一些來自賽車運動領域。」

所有系統都由幾個電動輔助渦輪增壓器組成,其中一些與空氣系統中的附加控制閥或電控壓縮機相結合。Bevilacqua說,「在基準研究中,每個渦輪增壓系統都顯示出特定的優點和缺點。因此,正確概念的選擇高度依賴於所討論的氫引擎的要求概況。」

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對於相關的引擎研究,開發團隊選擇了一種帶有背靠背壓縮機的渦輪增壓系統。這種設計的特點是兩個壓縮機的同軸佈置,其由渦輪機或使用共用軸支撐電動機驅動。空氣流經第一台壓縮機,在中冷器中冷卻,然後在第二級中重新壓縮。

氫引擎的輸出馬力約為440 kW(約590 hp),與原始汽油機組相當。為了更好地評估動力總成的性能,Porsche Engineering在紐柏林北環賽道上總重量相對較高的2,650公斤豪華級參考車型中對其進行了測試,儘管完全是虛擬的:駕駛是使用所謂的數位孿生體進行的,即基於計算機的真實車輛表示。單圈時間為8分20秒,最高時速可達261 km/h,在駕駛動態方面表現出了巨大的潛力。

由於其化學成分,碳氫化合物和一氧化碳在氫氣燃燒過程中都不會釋放出來,顆粒物也不會產生。因此,在優化氫引擎排放方面,Porsche Engineering的專家專注於氮氧化物的減少。在廣泛的優化回合中,他們調整了引擎的操作策略,以實現最清潔的燃燒。他們的方法是透過極稀薄的燃燒來保持較低的原始排放水平,從而可以省去廢氣後處理系統。

Porsche Engineering引擎模擬專家工程師Matthias Böger說「事實證明,氮氧化物排放遠低於目前正在討論的歐盟7期標準設定的限制,在整個引擎排放中接近於零。」為了更好地將排放測試的結果置於背景中,他與空氣質量指數進行了比較。它被政府當局和其他機構用作評估空氣污染水平的基準。一般來說,每立方米高達約40微克氮氧化物的濃度等同於良好的空氣品質。因此,不會對環境產生重大影響。

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排放與環境空氣處於同一水準

除了幾乎無法測量的排放外,氫引擎還由於其稀薄燃燒,在WLTP測試以及與未來客戶相關的使用中能提供高效率。甚至,量產後的氫動力總成的成本可以與汽油引擎的成本相媲美。雖然渦輪增壓器系統和氫引擎的許多機械部件更複雜,因此更昂貴,但能夠符合歐盟7期法規之下,引擎不需要廢氣後處理系統,因此整體得以有相近的成本。

Porsche Engineering團隊能夠以虛擬方式執行所有測試,因此非常高效。既定的模擬流程以及在建模和計算方面的豐富經驗為此奠定了基礎。從最初的想法到完成研究,Porsche Engineering只花了六個月的時間。Bevilacqua說,「這包括基本工作,例如:創建新的類比模型,這些模型考慮了與汽油相比,氫的不同化學和物理性質。」

氫引擎不太可能以目前的形式投入生產,但無論如何,這並不是該項目的主要目標。相反,重點是研究替代驅動技術的技術潛力,並擴展現有工程工具的功能。憑藉這些專業知識,Porsche已準備好各種有效地處理未來的客戶專案。

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