目前正在并行開(kāi)發(fā)不同的動(dòng)力總成解決方案，包括混合動(dòng)力系統、電力驅動(dòng)和高效內燃機，以用于未來(lái)的車(chē)輛。氫氣代表了用于內燃機的傳統燃料或合成燃料(電子燃料)的潛在替代品。保時(shí)捷工程集團對這一主題進(jìn)行了研究。

目前全球范圍內的氫發(fā)動(dòng)機工作正在進(jìn)行中，但是這主要是針對每升排量約50kW的相對較低比輸出的商用車(chē)進(jìn)行的。

“對于乘用車(chē)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這還不夠，”保時(shí)捷工程公司高級發(fā)動(dòng)機仿真專(zhuān)家VincenzoBevilacqua說(shuō)。“因此，我們開(kāi)發(fā)了一種氫內燃機，旨在匹配當前高性能汽油發(fā)動(dòng)機的功率和扭矩作為概念研究。同時(shí)，我們的目標也是實(shí)現低油耗并將排放量保持在與環(huán)境空氣相同的水平。我們研究的起點(diǎn)是現有的4.4升8缸汽油發(fā)動(dòng)機——或者更確切地說(shuō)，是它的數字數據集，因為我們幾乎使用發(fā)動(dòng)機性能模擬進(jìn)行了整個(gè)研究。”

對發(fā)動(dòng)機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。“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)機的空氣質(zhì)量。但另一方面，較低的排氣溫度會(huì )導致其在排氣側的推進(jìn)力不足，”Bevilacqua解釋道。傳統的渦輪增壓器無(wú)法解決這種差異。因此，保時(shí)捷工程集團研究了四種替代方案，特別是強大的渦輪增壓概念，其中一些來(lái)自賽車(chē)世界。

所有系統都由多個(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中的附加控制閥或電動(dòng)壓縮機相結合。“在基準研究中，每個(gè)渦輪增壓系統都顯示出特定的優(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)機的要求，”Bevilacqua說(shuō)。對于相關(guān)的發(fā)動(dòng)機研究，開(kāi)發(fā)團隊選擇了帶有背靠背壓縮機的渦輪增壓系統。這種設計的特點(diǎn)是兩個(gè)壓縮機級的同軸布置，它們由渦輪機或使用共用軸的配套電動(dòng)機驅動(dòng)。工藝空氣流經(jīng)第一級壓縮機，在中間冷卻器中冷卻，然后在第二級進(jìn)行再壓縮。

氫發(fā)動(dòng)機的輸出功率約為440kW，與原來(lái)的汽油發(fā)動(dòng)機相當。為了更好地評估動(dòng)力總成的性能，保時(shí)捷工程集團在紐伯格林北環(huán)賽道上使用總重量相對較高的2,650公斤的豪華級參考車(chē)輛對其進(jìn)行了測試——盡管完全是虛擬的：驅動(dòng)是使用所謂的數字雙胞胎，即真實(shí)車(chē)輛的基于計算機的表示。

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 )釋放碳氫化合物也不會(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)機的排放方面，保時(shí)捷工程集團的專(zhuān)家因此將注意力集中在氮氧化物上。在廣泛的優(yōu)化輪次中，他們調整了發(fā)動(dòng)機的運行策略，以實(shí)現最清潔的燃燒。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。

“事實(shí)證明，氮氧化物排放量遠低于目前正在討論的歐7標準設定的限制，并且在整個(gè)發(fā)動(dòng)機圖譜中接近于零，”保時(shí)捷工程公司發(fā)動(dòng)機模擬專(zhuān)家工程師MatthiasBöger報告說(shuō)。為了更好地了解排放測試的結果，他將其與空氣質(zhì)量指數進(jìn)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(lái)說(shuō)，每立方米氮氧化物的濃度高達40微克左右，就等同于良好的空氣質(zhì)量。“氫發(fā)動(dòng)機的排放量低于這個(gè)限制。因此，操作它對環(huán)境沒(méi)有重大影響，”Böger說(shuō)。

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