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氫燃料引擎行不行?保時捷開發四款渦輪增壓器解決

氫燃料引擎行不行?保時捷開發四款渦輪增壓器解決
                                       

氫燃料引擎是世界追求淨零碳排的重要選項,許多車廠也正積極開發氫燃料引擎,目前焦點都著眼於 50kW/L 輸出的小動力商用車上,但保時捷認為這並不足夠。因此他們正以要能夠擁有與當前的高性能汽油引擎相匹敵的馬力和扭力為目標之外,還希望達到低耗能,以及廢氣排放品質可維持與一般大氣相同的潔凈程度。

圖1 (1)

 

保時捷資深引擎模擬工程師 Vincenzo Bevilacqua 表示,他們以一具現有的 4.4 升八汽缸汽油引擎進行測試,或者更確切地說,是使用引擎性能模擬器,以其數據虛擬執行整個研究。

為了適應氫燃料,引擎調整成具備更高的壓縮比和燃燒效率,但最重要的是,導入全新的渦輪增壓系統。Bevilacqua 解釋,為了讓氫氣達成潔淨燃燒(clean combustion),渦輪增壓器一方面必須提供使用汽油燃料時兩倍的空氣量,另一方面,氫氣燃燒較低的排氣溫度卻又會導致排氣端推進能量不足。

傳統的渦輪增壓器無法克服這種差異,因此,保時捷工程公司研發了四款力量更大的渦輪概念來替代,其中也包括源自賽道科技的技術。所有系統都由多個具備電動輔助的渦輪增壓器組成,部份渦輪增壓器會在進氣系統或電動渦輪加裝額外的控制閥。考量到研究時的需求,團隊最終選擇具有背對背渦輪的渦輪增壓系統,這種設計的特點是兩個渦輪採同軸設計,透過共用軸可利用渦流或電動輔助馬達來驅動兩個渦輪,空氣流經第一個渦輪後由中冷器降溫,然後在第二階段進行再次壓縮。

圖2

 

這具氫燃料引擎動力輸出達到 440kW,已可和其傳統汽油引擎的原型相提並論。為了更有效地評估這具動力單元的表現,保時捷工程公司以車重約 2,650 公斤的豪華級距參考車,在紐柏林北環賽道進行測試。儘管完全採虛擬方式進行,整趟過程仍由完全符合現實車輛的數據進行電腦模擬測試,最終該車創下 8 分 20 秒的單圈時間,展現極高駕駛動態潛力。

由於氫燃料的化學成分,在燃燒過程中既不會釋放碳氫化合物或是一氧化碳,排放顆粒物也不會造成污染,因此保時捷工程公司的專家們將注意力集中在氮氧化物上,以期進一步改善氫燃料引擎的廢氣排放品質。經過多次改良測試後,他們調整了引擎運轉策略,透過稀薄且更低溫的燃燒,使原始排放保持在低標,並藉此省去排氣處理系統,以達到最純淨的燃燒排放。

除了微乎其微的廢氣排放外,歸功於稀薄燃燒,這具氫燃料引擎在 WLTP 的測試循環以及與消費者相關測試中,皆有著高效率的表現。氫燃料引擎不太可能以現有形式投入生產,這也並非此項計畫的目標;相反的,計畫的重點在於研究具有替代潛力的驅動技術。

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