保時捷工程公司正在加速進入氫能源領域，探索涵蓋混合動力、電動和更高效內燃機的未來動力總成解決方案。

從六個月的研究來看，這家德國豪華汽車制造商有信心全面開發出清潔、經濟和運動型的氫發動機。

目前，全球范圍內的氫發動機工作正在進行中，主要集中在比輸出功率相對較低的商用車，約為每升排量 50kW。

保時捷工程公司高級發動機仿真專家 Vincenzo Bevilacqua 表示：“對于乘用車領域來說，這還不夠。因此，我們開發了一種氫內燃機，旨在匹配當前高性能汽油發動機的功率和扭矩作為概念研究。同時，我們的目標也是實現低油耗并將排放量保持在與環境空氣相同的水平。”

該研究的起點是一臺現有的 4.4 升八缸汽油發動機——或者更確切地說，它的數字數據集，因為它使用發動機性能模擬虛擬地進行了整個研究。

對發動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動機的空氣質量，”Bevilacqua 補充道。

“然而，另一方面，較低的排氣溫度導致它們在排氣側的推進缺乏能量。傳統的渦輪增壓器無法解決這種差異。”

因此，保時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，其中一些來自賽車領域。所有系統都由多個電動渦輪增壓器組成，其中一些渦輪增壓器與空氣系統中的附加控制閥或電動壓縮機相結合。

Bevilacqua 在基準研究中表示，每個渦輪增壓系統都顯示出特定的優點和缺點。

“因此，正確概念的選擇在很大程度上取決于所討論的氫發動機的要求，”他表示。

“對于相關的發動機研究，開發團隊選擇了帶有背靠背壓縮機的渦輪增壓系統。這種設計的特點是兩個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機驅動。工藝空氣流經第一級壓縮機，在中間冷卻器中冷卻，然后在第二級進行再壓縮。”

氫發動機與原始汽油發動機“相提并論”

氫發動機的輸出功率約為 440kW，與原來的汽油發動機相當。

為了更好地評估動力總成的性能，保時捷工程集團在紐伯格林北環賽道上用總重量相對較高的 2,650 公斤的豪華級參考車對其進行了測試——盡管完全是虛擬的：驅動是使用所謂的數字雙胞胎，即真實車輛的基于計算機的表示。

單圈時間為 8 分 20 秒，這輛車在駕駛動態方面表現出巨大的潛力。由于其化學成分，在氫氣燃燒過程中既不會釋放碳氫化合物也不會釋放一氧化碳，顆粒物也不會起作用。

在優化氫發動機的排放方面，保時捷工程集團的專家因此將注意力集中在氮氧化物上。在廣泛的優化回合中，他們調整了發動機的運行策略，以實現最清潔的燃燒。他們的方法是通過極其稀薄且因此更冷的燃燒來保持低原始排放水平，從而可以省去廢氣后處理系統。

保時捷工程公司發動機模擬專家工程師 Matthias B?ger 表示，事實證明，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，并且在整個發動機圖中接近于零。

為了更好地了解排放測試的結果，他將空氣質量指數與政府當局和其他機構用作評估空氣污染水平的基準進行了比較。一般來說，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量。

“氫發動機的排放量低于這個限制。因此，操作它對環境沒有重大影響，”B?ger 說。

排放量與環境空氣相同

除了幾乎無法測量的排放外，由于其稀薄燃燒，氫發動機在 WLTP 測量周期以及與客戶相關的周期中提供了高效率。

“因此，我們實現了我們自己設定的項目目標：全面開發清潔、經濟和運動型氫發動機，”Bevilacqua 總結道。

“批量生產的氫動力總成的成本可以與汽油發動機相媲美。雖然氫發動機的渦輪增壓器系統和一些機械部件更復雜，因此也更昂貴，但不需要歐7汽油發動機所需的廢氣后處理。”

保時捷工程團隊能夠以虛擬方式高效地執行所有測試。既定的模擬過程提供了基礎，以及公司在建模和計算方面的豐富經驗。 “從最初的想法到完成研究，我們只用了六個月的時間。這包括基礎工作，例如創建新的模擬模型，考慮到氫氣與汽油相比的不同化學和物理特性。”

氫發動機不太可能以目前的形式投入生產，但這不是該項目的目標。相反，重點是檢查替代驅動技術的技術潛力和擴展現有工程工具的能力。

“這項研究使我們能夠獲得有關高性能氫發動機開發的寶貴見解，并將專門用于氫的模型和方法添加到我們的虛擬模擬方法中，”Bevilacqua 說。 “有了這些專業知識，我們準備好有效地處理未來的客戶項目。”

氫動力汽車的優缺點

寶馬集團氫燃料電池項目經理 Axel Rücker 也活躍于氫能源領域，他概述了氫燃料電池汽車的優缺點。寶馬氫燃料電池汽車的生產和銷售最早可能在 2025 年開始。

優點

氫燃料電池汽車的動力是純電動的。當你駕駛一輛時，感覺就像駕駛一輛普通的電動汽車。這意味著什么？幾乎沒有發動機噪音和活潑的啟動，因為電動機即使在低速時也能提供全扭矩。

另一個優點是快速充電時間。根據充電站和電池容量，全電動汽車目前需要 30 分鐘到幾個小時才能充滿電。另一方面，燃料電池汽車的氫氣罐已裝滿，不到五分鐘就可以再次行駛。對于用戶而言，這使車輛的可用性和靈活性與傳統汽車的一致。

就目前而言，氫能汽車的續航里程仍然比純電動汽車更長。一個完整的氫氣罐將持續約 300 英里（約 480 公里）。電池驅動的汽車可以與非常大的電池相匹配——這反過來會導致車輛重量和充電時間的增加。

缺點

目前，氫燃料電池汽車最大的缺點是加氫選擇稀少。氫發動機在特殊的燃料泵上加注，將來可能會進入普通的加油站。然而，就目前情況而言，加氫站仍然很少。

“我們在氫燃料電池技術方面存在先有雞還是先有蛋的問題，”Rücker 說。 “只要氫動力汽車的加油站網絡如此薄弱，客戶的低需求將無法實現燃料電池汽車的大規模生產盈利。而只要道路上幾乎沒有氫燃料汽車，運營商只會猶豫不決地擴大他們的加氫站網絡。”

為了促進那里的加氫基礎設施的擴展，寶馬等汽車制造商已與氫生產商和加氫站運營商聯手發起清潔能源伙伴計劃，該計劃計劃到 2022 年將加氫站網絡擴大到130座加氫站。

這將允許大約 60,000 輛氫燃料汽車在德國的道路上運行。到 2025 年，隨著燃料電池汽車的相應增加，下一個目標將是400 座加氫站。鄰國還需要更多的加氫站，才能真正實現通過 FCEV 在德國以外的地方旅行。