Autotechnika szakfolyóirat
Autotechnika szakfolyóirat
2022. november | Olvasson bele!

Hidrogén Porsche a Nordschleifén

hirdetés

Az Autótechnika korábbi számában kétrészes cikket írtunk a hidrogén tüzelőanyagos belső égésű motorok működésének alapjairól, illetve rovatunk is van Hidrogénhajtás néven. A rovat újabb cikke a Porsche hidrogén koncepciója. A Porsche Engineering egy tanulmányában megvizsgálta a hidrogén tüzelőanyagos belső égésű motorokban rejlő lehetőségeket. Az eredmény egy nagy teljesítményű hajtáslánc lett, amelynek károsanyag-kibocsátása szennyezőanyag tartalomban megegyezik a környezeti levegőével. A cikkben szereplő hidrogénmotor jelenlegi formájában valószínűleg nem kerül gyártásba, de a projektnek egyébként sem ez volt a célja. Ehelyett az alternatív hajtástechnológiában rejlő műszaki lehetőségek vizsgálatára és a meglévő mérnöki eszközök képességeinek bővítésére helyezték a hangsúlyt.

Illusztrációul szolgáló képünkön a Porsche 4 literes V8 biturbó motorja látható, melynek alapjain „fejlesztődik” az új hidrogénmotor. A Porsche jelenleg párhuzamosan fejleszt különböző hajtáslánc-megoldásokat, beleértve a hibrid rendszereket, az elektromos hajtásokat és a belsőégésű motorokat, hogy a jövőbeni járműveikben is használhatóak legyenek. A hidrogén a hagyományos- vagy szintetikus tüzelőanyagok (e-üzemanyagok) lehetséges alternatívája a belső égésű motorokban.

A gyártók világszerte foglalkoznak a hidrogénmotorok koncepciójával, de ez elsősorban a viszonylag kis, 50 kW/liter lökettérfogatú haszongépjárművek területén folyik. „A személygépkocsi-szektor számára ez nem elegendő” – mondja Vincenzo Bevilacqua, a Porsche Engineering motorszimulációs vezető szakértője. „Ezért kifejlesztettünk egy hidrogén-égésű motort, amelynek célja, hogy a jelenlegi nagy teljesítményű benzinmotorok teljesítményét és nyomatékát adja. Ugyanakkor célunk volt az is, hogy kis tüzelőanyag-fogyasztást érjünk el és a károsanyag-kibocsátás koncentrációjáz a környezeti levegőben mérhető szinten tartsuk. Vizsgálatunk kiindulópontja egy meglévő 4,4 literes nyolchengeres benzinmotor volt – vagy inkább annak digitális adatkészlete, mivel a teljes vizsgálatot gyakorlatilag motorteljesítmény-szimulációkkal végeztük.”

A motormodell módosításai között szerepelt a nagyobb kompressziós arány és a hidrogénhez igazított égés, de ami a legfontosabb, az új turbófeltöltő rendszer. „A hidrogén tiszta égetéséhez a turbófeltöltőknek egyrészt körülbelül kétszer akkora légtömeget kell biztosítaniuk, mint egy benzinmotorban. Másrészt azonban a kisebb kipufogógáz-hőmérséklet azt eredményezi, hogy a kipufogóoldalon nem jut energia a meghajtásukhoz” – magyarázza Bevilacqua. Ezt az eltérést a hagyományos turbófeltöltőkkel nem lehet feloldani. A Porsche Engineering ezért négy alternatív, különösen erős turbófeltöltési koncepciót vizsgált meg, amelyek egy része a motorsport világából származik. Minden rendszer több elektromos rásegítésű turbófeltöltőből áll, amelyek egy része a levegőrendszerben kiegészítő vezérlőszelepekkel vagy elektromos hajtású kompresszorokkal van kombinálva. A szóban forgó motortanulmányhoz a fejlesztőcsapat egy turbófeltöltő rendszert választott ki, egymás melletti kompresszorokkal. Ennek a kialakításnak a különlegessége a két kompresszorfokozat koaxiális elrendezése, amelyeket a turbina vagy a tartóvillanymotor hajt meg közös tengely segítségével, a levegő átáramlik az első kompresszoron, lehűl az intercoolerben, majd a második szakaszban újra összenyomják.

hirdetés

Az alany a Porsche 4 literes V8 ikerturbós motorjából „fejlesztendő” 4,4 literes hidrogénmotor, mely 440 kW teljesítményével egyenrangúnak látszik az eredeti benzinmotorral. A hajtáslánc teljesítményének jobb felmérése érdekében a Porsche Engineering egy viszonylag magas, 2650 kg össztömegű referenciajárműben tesztelte a Nürburgring Nordschleifén. 8 perc 20 másodperces köridővel a jármű nagy potenciált mutatott a vezetési dinamika tekintetében. Kémiai összetételéből adódóan a hidrogénégetés során sem szénhidrogén, sem szén-monoxid nem szabadul fel, és a PM részecskék sem játszanak szerepet. A hidrogénmotorok károsanyag-kibocsátásának optimalizálása szempontjából a Porsche Engineering szakértői ezért a nitrogén-oxidokra koncentráltak. A kiterjedt teszt során a lehető legtisztább égéshez igazították a motorvezérlést. Megközelítésük az volt, hogy a nyers emisszió szintjét alacsonyan tartsák a rendkívül szegény és ezért hidegebb égés révén, lehetővé téve a kipufogógáz-utókezelő rendszer mellőzését.

„Mint kiderült, a nitrogén-oxid-kibocsátás jóval a jelenleg tárgyalt Euro 7-es szabvány által meghatározott határértékek alatt van, és a teljes motortérképen a nullához közeli” – számol be Matthias Böger, a Porsche Engineering motorszimulációs mérnöke. Általában a körülbelül 40 mikrogramm nitrogén-oxid/köbméter koncentráció egyenlő a jó levegőminőséggel. „A hidrogénmotor károsanyag-kibocsátása e határérték alatt van. Üzemeltetése tehát nincs jelentős hatással a környezetre” – mondja Böger.

Az alig mérhető károsanyag-kibocsátáson túlmenően a hidrogénmotor nagy hatékonyságú a WLTP mérési ciklusban, valamint az ügyfelek számára releváns ciklusokban, köszönhetően az alacsony hőmérsékletű égésnek. „Ezzel megvalósítottuk kitűzött projektcélunkat: egy tiszta, gazdaságos és sportos hidrogénmotor kifejlesztését minden területen” – zárja Bevilacqua. A sorozatgyártású hidrogén hajtáslánc költsége összemérhető egy benzinmotoréval. Bár a turbófeltöltő rendszer és a hidrogénmotor számos alkatrésze bonyolultabb, és ezért drágább is, viszont nincs szükség az Euro 7-es benzinmotorokhoz szükséges kipufogógáz-utókezelésre!

A Porsche Engineering csapata minden tesztet virtuálisan – „labor körülmények között” - tudott végrehajtani. Ennek alapját a Porsche saját szimulációs folyamata, valamint a vállalat széleskörű modellezési és számítási eljárásai adták. „Csak hat hónap telt el a kiindulástól a tanulmány befejezéséig” – mondja Bevilacqua. "Ebbe beletartoztak olyan alapvető munkák, például új szimulációs modellek létrehozása, amelyek figyelembe veszik a hidrogénnek a benzinéhoz képest eltérő kémiai és fizikai tulajdonságait. A tanulmány lehetővé tette számunkra, hogy értékes betekintést nyerjünk a nagy teljesítményű hidrogénmotorok fejlesztésének feladataiba, és virtuális szimulációs módszerünkhöz kifejezetten a hidrogénre vonatkozó modelleket és módszereket adjunk hozzá. Ezzel a know-how-val készen állunk arra, hogy hatékonyan kezeljük a jövőbeli ügyfélprojekteket." – zárta ismertetőjét a felelős vezető.


Tetszett a cikk?

hirdetés

hirdetés