探索高性能氢燃烧发动机
氢气动力在纽柏格林 北环赛道上的应用
作为一个研究项目的一部分，保时捷工程公司目前正在探索氢气内燃机的潜力。目前，这项研究已经取得了一项重大突破：研发出了一款排放已经达到环境空气水平的高性能装置。
在未来的汽车领域，大部分企业正在同时研发各类驱动解决方案，例如混合动力系统、电力驱动和高效内燃机等。作为传统燃料或合成燃料（eFuel）的替代品，氢气目前也是内燃机动力来源的热门选择，同时也是保时捷工程公司此次研究的主题。
适合乘用车的高性能氢气发动机
目前，全世界都致力于研发氢气发动机，但大多只针对商用车辆，并且其具体输出功率相对较低，每升排量约为 50 千瓦。“这对乘用车来说完全不够。因此我们需要研发出一种功率和扭矩与当前高性能内燃发动机水平相当的氢气内燃机。同时，我们的目标是实现低油耗，并将排放保持在环境空气水平。”保时捷工程公司的发动机模拟专家文森佐·贝维拉夸（Vincenzo Bevilacqua）说，“我们研究的出发点是一款现有的 4.4 升八缸汽油发动机，更准确地说是它的数字化数据集，因为我们通过仿真以虚拟方式完成了整个研究。”
发动机型号的变化包括提高了压缩比并调整了燃烧性能，但其中最重要的当属全新的涡轮增压系统。“为了实现氢气的清洁燃烧，涡轮增压器必须提供大约两倍于内燃发动机的空气量。另一方面，由于排气温度较低，排气侧能量会相应有所缺失。”贝维拉夸解释说。这一矛盾不能用传统的涡轮增压器来解决。保时捷工程公司为此研究了四种极其强大的备选增压设计，其中一些设计直接来源于赛车运动。
所有系统都由多个电动辅助涡轮增压器构成，在部分情况下还会与空气系统中的辅助控制风门或机械压缩机结合使用。“在基准研究中，每一套增压系统都展现出了具体的优势和不足。因此，如何挑选正确的设计，在很大程度上取决于对氢气发动机的要求。”贝维拉夸说。在此次发动机研究中，研发团队选择了一套采用“背对背式压缩机”的涡轮系统。它的设计特点是两个压缩机级同轴布置，并通过一条共同的轴由涡轮机和辅助电动机进行驱动。在此过程中，过程空气流经第一台压缩机，在增压空气冷却器中进行中冷，然后在第二级再次进行压缩。
“我们通过仿真 以虚拟方式完成 了整个研究。”
文森佐·贝维拉夸
保时捷工程公司发动机模拟专家
氢气发动机的输出功率约为 440 千瓦，与原有的汽油机不相上下。为了能更好地评估该驱动装置的性能，保时捷工程公司在纽柏格林北环赛道上测试了一辆搭载这款驱动装置的豪华级参考车型，其总重量相对较高，达到了 2,650 千克。此次测试还有一个特点：完全以虚拟方式进行。整个测试行驶都是借助“数字孪生”（即在计算机中对真实车辆进行仿真）实现的。在测试中，测试车辆的单圈成绩达到 8 分 20 秒，展现出了很高的行驶动态潜力。
此外，由于其特殊的化学成分，氢气在燃烧过程中不会释放出碳氢化合物和一氧化碳，自然也不会有任何颗粒物。因此，为了进一步优化氢气发动机的排放，保时捷工程公司的专家们将注意力集中在氮氧化物上。在全方位的优化循环中，专家们不断细调发动机的运行策略，以实现最清洁的燃烧过程。他们采取了下列做法：将氧气含量控制在极低水平，由此实现较低的燃烧温度，从而保持较低的原始排放水平，这样就能省去额外的排气后处理系统。
达到环境空气水平的排放
“最终，氮氧化物的排放量远低于目前正在广泛讨论的欧 7 标准，并且在整个速度范围内仍然保持在接近于零的水平。”保时捷工程公司发动机模拟开发工程师马蒂亚斯·博格（Matthias Böger）报告说。为了能更好地对排放测试结果进行分类，他将测试结果与空气质量指数进行了对比。这个指数是政府当局以及其他机构用于评估空气污染水平的重要基准。简单的来说，当每立方米氮氧化物的浓度不超过 40 微克时，空气质量即为良好。“氢气发动机的排放低于这一要求。因此，它的运行对周围环境没有重大影响。”博格说。
“最终，氮氧化 物的排放量在 整个速度范 围内保持在接近 于零的水平。”
马蒂亚斯·博格
保时捷工程公司发动机仿真研发工程师
除了极微量的排放外，氢气发动机还采用了精益燃烧策略，因而在 WLTP 测试周期以及客户相关的消费周期中都能达到极高的效率。贝维拉夸总结道：“因此，我们全面实现了自定的项目目标，即研发出一款清洁、经济的运动型氢气发动机。”批量生产的氢气驱动系统，其成本可能与汽油发动机的成本相当。尽管氢气发动机的涡轮增压系统和部分机械部件更为复杂，因而也更为昂贵，但与汽油发动机相比，氢气发动机不需要为了满足欧 7 要求而安装的废气后处理系统。
消耗优势可达百分之五
保时捷工程团队以纯虚拟的方式完成了所有测试，因此也实现了极高的效率。而这一系列测试的基础，是此前已建立的连续仿真过程链，以及在建模和计算方面的全方位经验。贝维拉夸说：“从最初的想法到完成研究，我们只花了六个月的时间。其中包括了基础工作，比如创建新的计算模型，这是因为氢气与汽油相比具有不同的化学物理特性。”
增压系统对比：由电动涡轮增压器和电动压缩机构成的平行增压系统，配备用于瞬时运行的气门（左上）；由电动涡轮增压器和电动压缩机构成的两级压缩系统，配备用于压缩机级解耦的气门（右上）；在空气过滤器和压缩机进气口之间配备具有可调节格栅的单体电动涡轮增压器（左下）以及采用背对背式压缩机和增压空气中冷装置的单体电动涡轮增压器（右下，目前选定的设计）。
氢气发动机可能不会以目前的形式进入批量生产，但这不是这一项目的最终目标。该项目的重点是研究替代驱动技术的可能性，并扩大现有的工程设计工具。“通过这项研究，我们在高性能氢气发动机研发方面获得了宝贵的经验，并在我们的虚拟研发链中新增了专用于氢气的模型和方法。”贝维拉夸解释说，“有了这些知识与经验，我们就可以更加有效地完成未来的客户项目。”
概览：仿真的纽柏格林北环赛道单圈行驶
261
km/h
8,33
分钟
440
kW
信息
本文首次发表于《保时捷工程杂志》2022年第2期。
作者：Richard Backhaus
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