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保時(shí)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(dòng)力、電動(dòng)和更高效內(nèi)燃機(jī)的未來(lái)動(dòng)力總成解決方案。
從六個(gè)月的研究來(lái)看，這家德國(guó)豪華汽車(chē)制造商有信心全面開(kāi)發(fā)出清潔、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)動(dòng)型的氫發(fā)動(dòng)機(jī)。
目前，全球范圍內(nèi)的氫發(fā)動(dòng)機(jī)工作正在進(jìn)行中，主要集中在比輸出功率相對(duì)較低的商用車(chē)，約為每升排量 50kW。
保時(shí)捷工程公司高級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真專(zhuān)家 Vincenzo Bevilacqua 表示：“對(duì)于乘用車(chē)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這還不夠。因此，我們開(kāi)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(dòng)機(jī)的功率和扭矩作為概念研究。同時(shí)，我們的目標(biāo)也是實(shí)現(xiàn)低油耗并將排放量保持在與環(huán)境空氣相同的水平?！?/span>
該研究的起點(diǎn)是一臺(tái)現(xiàn)有的 4.4 升八缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)——或者更確切地說(shuō)，它的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集，因?yàn)樗褂冒l(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬虛擬地進(jìn)行了整個(gè)研究。
對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)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?cè)谂艢鈧?cè)的推進(jìn)缺乏能量。傳統(tǒng)的渦輪增壓器無(wú)法解決這種差異。”
因此，保時(shí)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(lái)自賽車(chē)領(lǐng)域。所有系統(tǒng)都由多個(gè)電動(dòng)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(dòng)壓縮機(jī)相結(jié)合。
Bevilacqua 在基準(zhǔn)研究中表示，每個(gè)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(dòng)機(jī)的要求，”他表示。
“對(duì)于相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)研究，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jì)的特點(diǎn)是兩個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的同軸布置，它們由渦輪機(jī)或使用共用軸的配套電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。工藝空氣流經(jīng)第一級(jí)壓縮機(jī)，在中間冷卻器中冷卻，然后在第二級(jí)進(jìn)行再壓縮?！?/span>
氫發(fā)動(dòng)機(jī)與原始汽油發(fā)動(dòng)機(jī)“相提并論”
氫發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率約為 440kW，與原來(lái)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)。
為了更好地評(píng)估動(dòng)力總成的性能，保時(shí)捷工程集團(tuán)在紐伯格林北環(huán)賽道上用總重量相對(duì)較高的 2,650 公斤的豪華級(jí)參考車(chē)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試——盡管完全是虛擬的：驅(qū)動(dòng)是使用所謂的數(shù)字雙胞胎，即真實(shí)車(chē)輛的基于計(jì)算機(jī)的表示。
單圈時(shí)間為 8 分 20 秒，這輛車(chē)在駕駛動(dòng)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(guò)程中既不會(huì)釋放碳?xì)浠衔镆膊粫?huì)釋放一氧化碳，顆粒物也不會(huì)起作用。
在優(yōu)化氫發(fā)動(dòng)機(jī)的排放方面，保時(shí)捷工程集團(tuán)的專(zhuān)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行策略，以實(shí)現(xiàn)最清潔的燃燒。他們的方法是通過(guò)極其稀薄且因此更冷的燃燒來(lái)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(shí)捷工程公司發(fā)動(dòng)機(jī)模擬專(zhuān)家工程師 Matthias B?ger 表示，事實(shí)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)圖中接近于零。
為了更好地了解排放測(cè)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(píng)估空氣污染水平的基準(zhǔn)進(jìn)行了比較。一般來(lái)說(shuō)，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(dòng)機(jī)的排放量低于這個(gè)限制。因此，操作它對(duì)環(huán)境沒(méi)有重大影響，”B?ger 說(shuō)。
排放量與環(huán)境空氣相同
除了幾乎無(wú)法測(cè)量的排放外，由于其稀薄燃燒，氫發(fā)動(dòng)機(jī)在 WLTP 測(cè)量周期以及與客戶(hù)相關(guān)的周期中提供了高效率。
“因此，我們實(shí)現(xiàn)了我們自己設(shè)定的項(xiàng)目目標(biāo)：全面開(kāi)發(fā)清潔、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)動(dòng)型氫發(fā)動(dòng)機(jī)，”Bevilacqua 總結(jié)道。
“批量生產(chǎn)的氫動(dòng)力總成的成本可以與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相媲美。雖然氫發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)所需的廢氣后處理?！?/span>
保時(shí)捷工程團(tuán)隊(duì)能夠以虛擬方式高效地執(zhí)行所有測(cè)試。既定的模擬過(guò)程提供了基礎(chǔ)，以及公司在建模和計(jì)算方面的豐富經(jīng)驗(yàn)。 “從最初的想法到完成研究，我們只用了六個(gè)月的時(shí)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?！?/span>
氫發(fā)動(dòng)機(jī)不太可能以目前的形式投入生產(chǎn)，但這不是該項(xiàng)目的目標(biāo)。相反，重點(diǎn)是檢查替代驅(qū)動(dòng)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(xiàng)研究使我們能夠獲得有關(guān)高性能氫發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的寶貴見(jiàn)解，并將專(zhuān)門(mén)用于氫的模型和方法添加到我們的虛擬模擬方法中，”Bevilacqua 說(shuō)。 “有了這些專(zhuān)業(yè)知識(shí)，我們準(zhǔn)備好有效地處理未來(lái)的客戶(hù)項(xiàng)目?！?/span>
氫動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)缺點(diǎn)
寶馬集團(tuán)氫燃料電池項(xiàng)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(chē)的優(yōu)缺點(diǎn)。寶馬氫燃料電池汽車(chē)的生產(chǎn)和銷(xiāo)售最早可能在 2025 年開(kāi)始。
優(yōu)點(diǎn)
氫燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力是純電動(dòng)的。當(dāng)你駕駛一輛時(shí)，感覺(jué)就像駕駛一輛普通的電動(dòng)汽車(chē)。這意味著什么？幾乎沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪音和活潑的啟動(dòng)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)即使在低速時(shí)也能提供全扭矩。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是快速充電時(shí)間。根據(jù)充電站和電池容量，全電動(dòng)汽車(chē)目前需要 30 分鐘到幾個(gè)小時(shí)才能充滿(mǎn)電。另一方面，燃料電池汽車(chē)的氫氣罐已裝滿(mǎn)，不到五分鐘就可以再次行駛。對(duì)于用戶(hù)而言，這使車(chē)輛的可用性和靈活性與傳統(tǒng)汽車(chē)的一致。
就目前而言，氫能汽車(chē)的續(xù)航里程仍然比純電動(dòng)汽車(chē)更長(zhǎng)。一個(gè)完整的氫氣罐將持續(xù)約 300 英里（約 480 公里）。電池驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)可以與非常大的電池相匹配——這反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛重量和充電時(shí)間的增加。
缺點(diǎn)
目前，氫燃料電池汽車(chē)最大的缺點(diǎn)是加氫選擇稀少。氫發(fā)動(dòng)機(jī)在特殊的燃料泵上加注，將來(lái)可能會(huì)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?cè)跉淙剂想姵丶夹g(shù)方面存在先有雞還是先有蛋的問(wèn)題，”Rücker 說(shuō)。 “只要?dú)鋭?dòng)力汽車(chē)的加油站網(wǎng)絡(luò)如此薄弱，客戶(hù)的低需求將無(wú)法實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)的大規(guī)模生產(chǎn)盈利。而只要道路上幾乎沒(méi)有氫燃料汽車(chē)，運(yùn)營(yíng)商只會(huì)猶豫不決地?cái)U(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(chē)制造商已與氫生產(chǎn)商和加氫站運(yùn)營(yíng)商聯(lián)手發(fā)起清潔能源伙伴計(jì)劃，該計(jì)劃計(jì)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(chē)在德國(guó)的道路上運(yùn)行。到 2025 年，隨著燃料電池汽車(chē)的相應(yīng)增加，下一個(gè)目標(biāo)將是400 座加氫站。鄰國(guó)還需要更多的加氫站，才能真正實(shí)現(xiàn)通過(guò) FCEV 在德國(guó)以外的地方旅行。
