保時捷借助虛擬開發進行高性能、淨零氫燃料引擎研究,在虛擬的北紐柏林賽道創下 8 分 20 秒成績

2022.09.12 03:58PM
照片中包含了紐博格林賽道長度、Nürburgring 1927 GmbH & Co. KG、紐伯格林、公式1、紐伯格林大獎賽賽道

雖然目前以電力驅動的電動車是整個汽車產業一致認為的下一代新能源車輛的首選,不過許多具前瞻性的車廠仍積極投入不同技術的新能源與混合動力架構,其中在純電技術已有相當成績、並積極開發 eFuel 合成燃料的保時捷把目標放到高效能的氫燃料內燃機研究,在進行模擬測試時,認為高效能的氫燃料內燃機的潛力不遜於傳統燃料與合成燃料,足以挑戰嚴苛的紐柏林賽道,同時排放的氣體如同真實環境的空氣;保時捷的氫燃料引擎目前難以利用現有形式投入生產,此次計畫的目的是在具替代潛力的驅動技術,作為多元新能源發展計畫的基石。

目前投入氫燃料引擎的車廠與研究機構多以平均容積效率僅 50kW/L 的低功率商用車相關技術,保時捷則是試圖發揮氫燃料引擎的潛力;保時捷透過引擎模擬技術,在虛擬環境進行開發與驗證,將以媲美高性能汽油引擎的馬力與扭力為目標,同時排放的廢氣也要與一般大氣相同。

保時捷將既有的 4.4 升八缸引擎的虛擬資料作為基礎,搭配保時捷的引擎性能模擬器做為虛擬開發環境;為了因應氫燃料特性,寶ˋ時節工程公司資深引擎模擬工程師 Vinncenzo Bevilacqua 將壓縮比提高並提升燃燒效率,同時輔以全新開發的渦輪增壓系統,這套渦輪增壓系統需可提供汽油燃料兩倍的空氣量,但又須克服氫氣燃燒較低的排放溫度導致排氣端推進能量不足的缺點。

為了彌補氫燃料燃燒特性先天的燃燒低溫特性,保時捷開發四款更大的渦輪概念架構,其中包括來自賽道科技的新技術;雖然結構不盡相同,這四款渦輪皆由多具俱備電動輔助的渦輪增壓器組成,部分渦輪增壓器在進氣系統或電動渦輪加裝額外控制閥;雖然四套渦輪各自有優缺點,經綜合評估後,團隊認為採用背對背的同軸渦輪最具潛力,此套系統借助共用軸,可利用渦輪或電動輔助馬達驅動同軸雙渦輪,空氣經第一個渦輪後由中冷器降溫、第二階段再行壓縮。

在模擬測試環境中,此具引擎輸出功率達到 440kW ,已經與傳統高性能汽油引擎相提並論;保時捷開發團隊進一步在模擬環境中將此具引擎進行下一步的模擬驗證,以車重約 2,650 公斤的豪華車虛擬數據做為 Development mule  ,並在依據真實環境與物理特性的北紐柏林賽道數位孿生環境測試,最終達成 8 分 20 秒的單圈成績,以一款超過 2.5 噸的豪華車款而言已經展現氫燃料高性能引擎的高駕駛動態潛力。

▲保時捷在虛擬測試研究當中策劃了四種不同的渦輪結構,最終選定背對背的同軸雙渦輪結構投入虛擬  Development mule 進行進一步虛擬測試

不過在此一系列的模擬測試,保時捷專家也相當關注高效能氫燃料的排放情況,由於氫燃料特性,在燃燒後不會釋放碳氫化合物或一氧化碳,顆粒物也不具汙染性,故氮氧化物就成為他們所重視的排放物質,在經過多次改良測試,以更稀薄且低溫的燃燒使原始排放維持低標,同時還可省卻排氣處理系統處理,最終的結果使氮氧化物排放低於歐盟七期,甚至在引擎管路趨近於 0 ,遠低於空氣品質良好指標的每立方公尺 40 微克。

從概念到完成研究,保時捷僅花費 6 個月的時間,受惠保時捷豐富經驗的虛擬方式進行開發與測試,已相當有效率的方式完成研究,並實現原本設定的計畫目標;此次的研究不僅證實氫燃料引擎可兼具潔淨、經濟與運動性,同時氫燃料引擎的量產成本亦與汽油引擎相當,唯獨在研究中較複雜的渦輪增壓系統與部分機械結構較複雜而影響成本,但由於不需傳統汽油引擎的廢氣排放處理,故最終有望使氫燃料引擎整體成本與汽油引擎相近。

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