保时捷工程公司正在加速进入氢能源领域，探索涵盖混合动力、电动和更高效内燃机的未来动力总成解决方案。

从六个月的研究来看，这家德国豪华汽车制造商有信心全面开发出清洁、经济和运动型的氢发动机。

目前，全球范围内的氢发动机工作正在进行中，主要集中在比输出功率相对较低的商用车，约为每升排量 50kW。

保时捷工程公司高级发动机仿真专家 Vincenzo Bevilacqua 表示：“对于乘用车领域来说，这还不够。因此，我们开发了一种氢内燃机，旨在匹配当前高性能汽油发动机的功率和扭矩作为概念研究。同时，我们的目标也是实现低油耗并将排放量保持在与环境空气相同的水平。”

该研究的起点是一台现有的 4.4 升八缸汽油发动机——或者更确切地说，它的数字数据集，因为它使用发动机性能模拟虚拟地进行了整个研究。

对发动机模型的修改包括更高的压缩比和适应氢气的燃烧，但最重要的是，新的涡轮增压系统。

“为了清洁氢气燃烧，涡轮增压器一方面必须提供大约两倍于汽油发动机的空气质量，”Bevilacqua 补充道。

“然而，另一方面，较低的排气温度导致它们在排气侧的推进缺乏能量。传统的涡轮增压器无法解决这种差异。”

因此，保时捷工程集团研究了四种替代方案，特别是强大的涡轮增压概念，其中一些来自赛车领域。所有系统都由多个电动涡轮增压器组成，其中一些涡轮增压器与空气系统中的附加控制阀或电动压缩机相结合。

Bevilacqua 在基准研究中表示，每个涡轮增压系统都显示出特定的优点和缺点。

“因此，正确概念的选择在很大程度上取决于所讨论的氢发动机的要求，”他表示。

“对于相关的发动机研究，开发团队选择了带有背靠背压缩机的涡轮增压系统。这种设计的特点是两个压缩机级的同轴布置，它们由涡轮机或使用共用轴的配套电动机驱动。工艺空气流经第一级压缩机，在中间冷却器中冷却，然后在第二级进行再压缩。”

氢发动机与原始汽油发动机“相提并论”

氢发动机的输出功率约为 440kW，与原来的汽油发动机相当。

为了更好地评估动力总成的性能，保时捷工程集团在纽伯格林北环赛道上用总重量相对较高的 2,650 公斤的豪华级参考车对其进行了测试——尽管完全是虚拟的：驱动是使用所谓的数字双胞胎，即真实车辆的基于计算机的表示。

单圈时间为 8 分 20 秒，这辆车在驾驶动态方面表现出巨大的潜力。由于其化学成分，在氢气燃烧过程中既不会释放碳氢化合物也不会释放一氧化碳，颗粒物也不会起作用。

在优化氢发动机的排放方面，保时捷工程集团的专家因此将注意力集中在氮氧化物上。在广泛的优化回合中，他们调整了发动机的运行策略，以实现最清洁的燃烧。他们的方法是通过极其稀薄且因此更冷的燃烧来保持低原始排放水平，从而可以省去废气后处理系统。

保时捷工程公司发动机模拟专家工程师 Matthias Böger 表示，事实证明，氮氧化物排放量远低于目前正在讨论的欧 7 标准设定的限制，并且在整个发动机图中接近于零。

为了更好地了解排放测试的结果，他将空气质量指数与政府当局和其他机构用作评估空气污染水平的基准进行了比较。一般来说，每立方米氮氧化物的浓度高达 40 微克左右，就等同于良好的空气质量。

“氢发动机的排放量低于这个限制。因此，操作它对环境没有重大影响，”Böger 说。

排放量与环境空气相同

除了几乎无法测量的排放外，由于其稀薄燃烧，氢发动机在 WLTP 测量周期以及与客户相关的周期中提供了高效率。

“因此，我们实现了我们自己设定的项目目标：全面开发清洁、经济和运动型氢发动机，”Bevilacqua 总结道。

“批量生产的氢动力总成的成本可以与汽油发动机相媲美。虽然氢发动机的涡轮增压器系统和一些机械部件更复杂，因此也更昂贵，但不需要欧7汽油发动机所需的废气后处理。”

保时捷工程团队能够以虚拟方式高效地执行所有测试。既定的模拟过程提供了基础，以及公司在建模和计算方面的丰富经验。 “从最初的想法到完成研究，我们只用了六个月的时间。这包括基础工作，例如创建新的模拟模型，考虑到氢气与汽油相比的不同化学和物理特性。”

氢发动机不太可能以目前的形式投入生产，但这不是该项目的目标。相反，重点是检查替代驱动技术的技术潜力和扩展现有工程工具的能力。

“这项研究使我们能够获得有关高性能氢发动机开发的宝贵见解，并将专门用于氢的模型和方法添加到我们的虚拟模拟方法中，”Bevilacqua 说。 “有了这些专业知识，我们准备好有效地处理未来的客户项目。”

氢动力汽车的优缺点

宝马集团氢燃料电池项目经理 Axel Rücker 也活跃于氢能源领域，他概述了氢燃料电池汽车的优缺点。宝马氢燃料电池汽车的生产和销售最早可能在 2025 年开始。

优点

氢燃料电池汽车的动力是纯电动的。当你驾驶一辆时，感觉就像驾驶一辆普通的电动汽车。这意味着什么？几乎没有发动机噪音和活泼的启动，因为电动机即使在低速时也能提供全扭矩。

另一个优点是快速充电时间。根据充电站和电池容量，全电动汽车目前需要 30 分钟到几个小时才能充满电。另一方面，燃料电池汽车的氢气罐已装满，不到五分钟就可以再次行驶。对于用户而言，这使车辆的可用性和灵活性与传统汽车的一致。

就目前而言，氢能汽车的续航里程仍然比纯电动汽车更长。一个完整的氢气罐将持续约 300 英里（约 480 公里）。电池驱动的汽车可以与非常大的电池相匹配——这反过来会导致车辆重量和充电时间的增加。

缺点

目前，氢燃料电池汽车最大的缺点是加氢选择稀少。氢发动机在特殊的燃料泵上加注，将来可能会进入普通的加油站。然而，就目前情况而言，加氢站仍然很少。

“我们在氢燃料电池技术方面存在先有鸡还是先有蛋的问题，”Rücker 说。 “只要氢动力汽车的加油站网络如此薄弱，客户的低需求将无法实现燃料电池汽车的大规模生产盈利。而只要道路上几乎没有氢燃料汽车，运营商只会犹豫不决地扩大他们的加氢站网络。”

为了促进那里的加氢基础设施的扩展，宝马等汽车制造商已与氢生产商和加氢站运营商联手发起清洁能源伙伴计划，该计划计划到 2022 年将加氢站网络扩大到130座加氢站。

这将允许大约 60,000 辆氢燃料汽车在德国的道路上运行。到 2025 年，随着燃料电池汽车的相应增加，下一个目标将是400 座加氢站。邻国还需要更多的加氢站，才能真正实现通过 FCEV 在德国以外的地方旅行。