Η Porsche κλείνει το μάτι στο υδρογόνο

Διαφορετικές λύσεις όσον αφορά τα κινητήρια σύνολα, συμπεριλαμβανομένων υβριδικών συστημάτων, ηλεκτροκινητήρων και αποδοτικών κινητήρων εσωτερικής καύσης, αναπτύσσονται επί του παρόντος από την Porsche για παράλληλη χρήση σε μελλοντικά οχήματα του Γερμανού κατασκευαστή. Στο πλαίσιο αυτό, το υδρογόνο ως καύσιμο «συνθέτει» για την Porsche μια πιθανή εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών ή και συνθετικών καυσίμων (e-fuels) για χρήση σε κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Αυτό το «σενάριο» αποτελεί και επίσημα πλέον μέρος μιας εκτενούς μελέτης από την Porsche Engineering.

Αυτή τη στιγμή, οι έρευνες για κινητήρες που καταναλώνουν υδρογόνο προχωρούν σε όλο τον κόσμο, κυρίως όμως με εστίαση στα επαγγελματικά οχήματα με σχετικά χαμηλή ειδική ισχύ που κυμαίνεται περίπου στα 50 kW ανά λίτρο κυβισμού. «Για τον τομέα των επιβατικών αυτοκινήτων, αυτό είναι ανεπαρκές», δηλώνει ο Vincenzo Bevilacqua, Senior Expert Engine Simulation στην Porsche Engineering. «Έχουμε λοιπόν αναπτύξει ως μελέτη έναν κινητήρα καύσης υδρογόνου που στοχεύει να φτάνει την ισχύ και τη ροπή των σημερινών βενζινοκινητήρων υψηλής απόδοσης. Ταυτόχρονα, έχουμε επίσης στόχο να επιτύχουμε χαμηλή κατανάλωση καυσίμου. Το σημείο εκκίνησης για τη μελέτη αυτή είναι ένας υπάρχων 8κύλινδρος βενζινοκινητήρας 4,4 λίτρων – ή για να το πούμε πιο σωστά, το ψηφιακό σύνολο των δεδομένων του, αφού πραγματοποιήσαμε ολόκληρη τη μελέτη χρησιμοποιώντας εικονικές προσομοιώσεις απόδοσης».

Οι τροποποιήσεις στον εικονικό αυτό κινητήρα υδρογόνου περιελάμβαναν, μεταξύ άλλων, μια υψηλότερη σχέση συμπίεσης και καύση προσαρμοσμένη στο υδρογόνο. Ωστόσο, όπως ανακοίνωσε η Porsche, ακόμα πιο σημαντικά ήταν τα βήματα που πραγματοποιούνται στο νέο σύστημα υπερσυμπίεσης.

«Για καθαρή καύση υδρογόνου, οι στροβιλοσυμπιεστές πρέπει, αφενός, να παρέχουν περίπου διπλάσια μάζα αέρα από ό,τι στους βενζινοκινητήρες. Από την άλλη, όμως, οι χαμηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων έχουν ως αποτέλεσμα την έλλειψη ενέργειας για την πρόωσή τους στην πλευρά της εξαγωγής», εξηγεί ο Vincenzo Bevilacqua.

Θέλοντας, λοιπόν, να ξεπεράσει αυτόν τον ύφαλο, η Porsche Engineering εξέτασε τέσσερις εναλλακτικές λύσεις μερικές από τις οποίες προέρχονται από τον κόσμο του μηχανοκίνητου αθλητισμού.

Όλα τα συστήματα που αναπτύχθηκαν διαθέτουν πολλούς ηλεκτρικά υποβοηθούμενους στροβιλοσυμπιεστές, ορισμένοι από τους οποίους συνδυάζονται με πρόσθετες βαλβίδες ελέγχου στο σύστημα αέρα ή ηλεκτρικούς συμπιεστές. «Στις μελέτες αναφοράς, κάθε σύστημα υπερσυμπίεσης παρουσίασε συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Επομένως, η επιλογή της σωστής λύσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το προφίλ των απαιτήσεων του εν λόγω κινητήρα υδρογόνου», δηλώνει ο Vincenzo Bevilacqua.

Για τη σχετική μελέτη, η ομάδα εξέλιξης επέλεξε ένα σύστημα υπερσυμπίεσης με back-to-back συμπιεστές. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτού του σχεδιασμού είναι η ομοαξονική διάταξη των δύο συμπιεστών, οι οποίοι κινούνται από τον στρόβιλο ή τον ηλεκτροκινητήρα στήριξης χρησιμοποιώντας έναν κοινό άξονα. Ο αέρας ρέει εδώ μέσω του πρώτου συμπιεστή, ψύχεται στο intercooler και στη συνέχεια συμπιέζεται εκ νέου στο δεύτερο στάδιο.

Με ισχύ κοντά στα 440 kW, ο κινητήρας υδρογόνου βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο απόδοσης με τον αρχικό βενζινοκινητήρα. Προκειμένου να αξιολογήσει καλύτερα την απόδοση του συστήματος μετάδοσης κίνησης, η Porsche Engineering το δοκίμασε σε ένα όχημα αναφοράς με σχετικά υψηλό συνολικό βάρος που για την περίσταση έφτανε τα 2.650 κιλά στο Nürburgring Nordschleife – αλλά εικονικά, καθώς η οδήγηση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας αυτό που είναι γνωστό σήμερα ως «digital twin», δηλαδή μια αναπαράσταση του πραγματικού οχήματος που βασίζεται σε υπολογιστή.

Με χρόνο γύρου 8 λεπτών και 20 δευτερολέπτων, το όχημα επέδειξε υψηλές δυνατότητες όσον αφορά τη δυναμική οδήγησης. Αλλά και των εκπομπών, καθώς ούτε υδρογονάνθρακες ούτε μονοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνονται κατά την καύση του υδρογόνου. Ως εκ τούτου, όσον αφορά τη βελτιστοποίηση των εκπομπών από τον κινητήρα υδρογόνου, οι ειδικοί της Porsche Engineering επικεντρώθηκαν στα οξείδια του αζώτου. Σε εκτεταμένους γύρους βελτιστοποίησης, προσάρμοσαν τον τρόπο λειτουργίας του κινητήρα με στόχο να διατηρήσουν το επίπεδο των ακατέργαστων εκπομπών σε χαμηλά επίπεδα μέσω μιας εξαιρετικά ισχνής και επομένως ψυχρότερης καύσης, καθιστώντας έτσι δυνατή την μη χρήση ενός συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίων.

«Όπως αποδείχθηκε, οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου είναι πολύ κάτω από τα όρια που ορίζονται από το πρότυπο Euro 7 που συζητείται αυτή τη στιγμή», αναφέρει ο Matthias Böger, Specialist Engineer Engineer Simulation της Porsche Engineering.

Εκτός από τις ελάχιστα μετρήσιμες εκπομπές του, ο κινητήρας υδρογόνου προσφέρει υψηλή αποδοτικότητα και στον κύκλο μέτρησης WLTP. «Έχουμε εκπληρώσει έτσι τον στόχο μας: την ανάπτυξη ενός καθαρού, οικονομικού και σπορ κινητήρα υδρογόνο,», καταλήγει o Bevilacqua.

Το μέλλον του υδρογόνου για την Porsche

Σύμφωνα με την Porsche, το κόστος ενός συστήματος κίνησης υδρογόνου σε μαζική παραγωγή θα μπορούσε να είναι συγκρίσιμο με εκείνο ενός βενζινοκινητήρα. Παρόλο που το σύστημα στροβιλοσυμπιεστή και ορισμένα μηχανικά εξαρτήματα του κινητήρα υδρογόνου είναι πιο περίπλοκα, και επομένως πιο ακριβά, δεν υπάρχει ανάγκη για παρουσία συστήματος μετεπεξεργασίας των καυσαερίων που απαιτείται για τον βενζινοκινητήρα.

Μολαταύτα, ο Γερμανός κατασκευαστής επισημαίνει ότι o κινητήρας υδρογόνου είναι απίθανο να εισέλθει στην παραγωγή με τη σημερινή του μορφή, αλλά, ούτως ή άλλως, δεν ήταν αυτός ο στόχος του εν λόγω project των Γερμανών. Αντίθετα, η εστίαση δόθηκε στην διερεύνηση των τεχνικών δυνατοτήτων της εναλλακτικής τεχνολογίας μετάδοσης κίνησης και στην επέκταση των δυνατοτήτων των υπαρχόντων εργαλείων μηχανικής.

«Η μελέτη μας επέτρεψε να αποκτήσουμε πολύτιμες γνώσεις σχετικά με την ανάπτυξη κινητήρων υδρογόνου υψηλής απόδοσης και να προσθέσουμε μοντέλα και μεθόδους ειδικά για το υδρογόνο στην εικονική μας μεθοδολογία προσομοίωσης», εξηγεί ο Bevilacqua. «Με αυτήν την τεχνογνωσία, είμαστε έτοιμοι να χειριστούμε αποτελεσματικά μελλοντικά έργα πελατών».