主宰紐柏林賽道的保時捷氫燃料動力概念

2022/09/12 15:00

廠商: 台灣保時捷車業股份有限公司
發佈日期:2022.09.12

主宰紐柏林賽道的保時捷氫燃料動力概念

斯圖加特. 保時捷工程公司在一項針對氫燃料內燃機的發展潛力研究中進行測試。結果顯示這具高性能動力單元的廢氣排放品質和環境中的空氣十分相近。

保時捷正在同時開發用於未來車輛的各種動力解決方案,包括混合動力系統、純電力驅動以及高效率內燃機。而氫燃料展現的潛力,足以代替傳統燃料或合成燃料(eFuel),也是保時捷工程公司正在研究的對象。

保時捷保時捷工程公司以車重約 2,650 公斤的豪華級距參考車,在紐柏林北環賽道進行測試

 

用於一般乘用車的高性能氫燃料引擎

目前全球都在研發氫燃料引擎,眾人目光的焦點放在平均容積效率僅約50kW/L、動力相對較低的商用車上。保時捷工程公司資深引擎模擬工程師 Vincenzo Bevilacqua 表示:「對於一般乘用車而言,這樣的性能並不足夠。因此,我們正進行一種氫燃料內燃機的概念研究,目標除了要能夠擁有與當前的高性能汽油引擎相匹敵的馬力和扭力之外,還希望達到低耗能,以及廢氣排放品質可維持與一般大氣相同的潔凈程度。我們以一具現有的4.4 升八汽缸汽油引擎進行測試,或者更確切地說,是使用引擎性能模擬器,以其數據虛擬執行整個研究。」

為了適應氫燃料,引擎調整成具備更高的壓縮比和燃燒效率,但最重要的是,導入全新的渦輪增壓系統。Bevilacqua 解釋道:「為了讓氫氣達成潔淨燃燒(clean combustion),渦輪增壓器一方面必須提供使用汽油燃料時兩倍的空氣量,另一方面,氫氣燃燒較低的排氣溫度卻又會導致排氣端推進能量不足。」傳統的渦輪增壓器無法克服這種差異,因此,保時捷工程公司研發了四款力量更大的渦輪概念來替代,其中也包括源自賽道科技的技術。

所有系統都由多個具備電動輔助的渦輪增壓器組成,部份渦輪增壓器會在進氣系統或電動渦輪加裝額外的控制閥。Bevilacqua表示:「在標準測試中,每個渦輪增壓系統都展現出各自的優、缺點。因此,想要選擇出正確的系統,我們必須回頭檢視氫燃料引擎需要配合的條件內容。」考量到研究時的需求,團隊最終選擇具有背對背渦輪的渦輪增壓系統,這種設計的特點是兩個渦輪採同軸設計,透過共用軸可利用渦流或電動輔助馬達來驅動兩個渦輪,空氣流經第一個渦輪後由中冷器降溫,然後在第二階段進行再次壓縮。

這具氫燃料引擎動力輸出達到 440kW,已可和其傳統汽油引擎的原型相提並論。為了更有效地評估這具動力單元的表現,保時捷工程公司以車重約 2,650 公斤的豪華級距參考車,在紐柏林北環賽道進行測試。儘管完全採虛擬方式進行,整趟過程仍由完全符合現實車輛的數據進行電腦模擬測試,最終該車創下 8 分 20 秒的單圈時間,展現極高駕駛動態潛力。由於氫燃料的化學成分,在燃燒過程中既不會釋放碳氫化合物或是一氧化碳,排放顆粒物也不會造成污染,因此保時捷工程公司的專家們將注意力集中在氮氧化物上,以期進一步改善氫燃料引擎的廢氣排放品質。經過多次改良測試後,他們調整了引擎運轉策略,透過稀薄且更低溫的燃燒,使原始排放保持在低標,並藉此省去排氣處理系統,以達到最純淨的燃燒排放。

保時捷工程公司的引擎模擬工程師Matthias Böger解釋:「結果顯示,氮氧化物的排放遠比現階段擬定的歐盟七期標準還低,甚至在整個引擎管路中趨近於零。」為了更了解廢氣排放測試結果,他將其與空氣質量指數進行比較,該指數是被政府當局和其他機構用於評估空氣污染的基準。一般來說,氮氧化物濃度在每立方公尺 40 微克左右,就等同於良好的空氣品質。Böger接著說道:「氫燃料引擎的廢氣排放遠低於這標準,因此,採用這樣的配置對環境不會造成重大影響。」

排放出的廢氣與環境空氣品質無異

除了微乎其微的廢氣排放外,歸功於稀薄燃燒,這具氫燃料引擎在 WLTP 的測試循環以及與消費者相關測試中,皆有著高效率的表現。Bevilacqua 總結道:「我們實現了原本設定的計畫目標,也就是開發潔淨、經濟和運動取向的氫燃料引擎。」而且氫燃料引擎的量產成本可以和汽油引擎相比擬,儘管氫燃料引擎的渦輪增壓系統和部分機械零組件較為複雜,使其成本相對提高,但在歐盟七期法規下,使用氫燃料就不需像汽油引擎一般進行廢氣排放處理。

保時捷工程團隊以虛擬方式執行所有測試,因此有效率地完成研究,獲得結果。既定的模擬流程以及該公司在建模和計算方面的豐富經驗,是得到此一成績的基礎。Bevilacqua 表示:「從最初的想法到完成研究,我們僅耗時六個月;這當中還包括基礎作業,像是創建新的模擬模型,還得同時考慮氫氣與汽油不同化學和物理性質。」

保時捷保時捷工程公司研發了四款力量更大的渦輪概念來替代傳統渦輪,其中也包括源自賽道科技的技術

 

能耗表現改善 5%

氫燃料引擎不太可能以現有形式投入生產,這也並非此項計畫的目標;相反的,計畫的重點在於研究具有替代潛力的驅動技術,以及擴展現行的工程研發能力。Bevilacqua解釋道:「我們從這項研究中獲得開發高效能氫燃料引擎的寶貴見解,並將針對氫燃料的各種模組和方法加入我們的模擬流程中。憑藉這些專業知識,我們已準備好有效地處理未來針對消費者所推進的計畫。」

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