保时捷在纽博格林虚拟测试440kW氢燃料汽车

目前正在并行开发不同的动力总成解决方案，包括混合动力系统、电力驱动和高效内燃机，以用于未来的车辆。氢气代表了用于内燃机的传统燃料或合成燃料(电子燃料)的潜在替代品。保时捷工程集团对这一主题进行了研究。

目前全球范围内的氢发动机工作正在进行中，但是这主要是针对每升排量约50kW的相对较低比输出的商用车进行的。

“对于乘用车领域来说，这还不够，”保时捷工程公司高级发动机仿真专家VincenzoBevilacqua说。“因此，我们开发了一种氢内燃机，旨在匹配当前高性能汽油发动机的功率和扭矩作为概念研究。同时，我们的目标也是实现低油耗并将排放量保持在与环境空气相同的水平。我们研究的起点是现有的4.4升8缸汽油发动机——或者更确切地说，是它的数字数据集，因为我们几乎使用发动机性能模拟进行了整个研究。”

对发动机模型的修改包括更高的压缩比和适应氢气的燃烧，但最重要的是，新的涡轮增压系统。“为了清洁氢气燃烧，涡轮增压器一方面必须提供大约两倍于汽油发动机的空气质量。但另一方面，较低的排气温度会导致其在排气侧的推进力不足，”Bevilacqua解释道。传统的涡轮增压器无法解决这种差异。因此，保时捷工程集团研究了四种替代方案，特别是强大的涡轮增压概念，其中一些来自赛车世界。

所有系统都由多个电动涡轮增压器组成，其中一些涡轮增压器与空气系统中的附加控制阀或电动压缩机相结合。“在基准研究中，每个涡轮增压系统都显示出特定的优点和缺点。因此，正确概念的选择在很大程度上取决于所讨论的氢发动机的要求，”Bevilacqua说。对于相关的发动机研究，开发团队选择了带有背靠背压缩机的涡轮增压系统。这种设计的特点是两个压缩机级的同轴布置，它们由涡轮机或使用共用轴的配套电动机驱动。工艺空气流经第一级压缩机，在中间冷却器中冷却，然后在第二级进行再压缩。

氢发动机的输出功率约为440kW，与原来的汽油发动机相当。为了更好地评估动力总成的性能，保时捷工程集团在纽伯格林北环赛道上使用总重量相对较高的2,650公斤的豪华级参考车辆对其进行了测试——尽管完全是虚拟的：驱动是使用所谓的数字双胞胎，即真实车辆的基于计算机的表示。

单圈时间为8分20秒，这辆车在驾驶动态方面表现出巨大的潜力。由于其化学成分，在氢气燃烧过程中既不会释放碳氢化合物也不会释放一氧化碳，颗粒物也不会起作用。在优化氢发动机的排放方面，保时捷工程集团的专家因此将注意力集中在氮氧化物上。在广泛的优化轮次中，他们调整了发动机的运行策略，以实现最清洁的燃烧。他们的方法是通过极其稀薄且因此更冷的燃烧来保持低原始排放水平，从而可以省去废气后处理系统。

“事实证明，氮氧化物排放量远低于目前正在讨论的欧7标准设定的限制，并且在整个发动机图谱中接近于零，”保时捷工程公司发动机模拟专家工程师MatthiasBöger报告说。为了更好地了解排放测试的结果，他将其与空气质量指数进行了比较。它被政府当局和其他机构用作评估空气污染水平的基准。一般来说，每立方米氮氧化物的浓度高达40微克左右，就等同于良好的空气质量。“氢发动机的排放量低于这个限制。因此，操作它对环境没有重大影响，”Böger说。