Porsche mette alla prova i motori a idrogeno sul Nurburgring

Diverse soluzioni di propulsione, inclusi sistemi ibridi, elettrici e a combustione interna, sono attualmente in fase di sviluppo in parallelo per l’uso nei veicoli futuri da parte di Porsche. L’idrogeno rappresenta una potenziale alternativa ai carburanti convenzionali o sintetici (e-fuels) per l’uso nei motori endotermici. Questo è stato esaminato nell’ambito di uno studio sull’argomento da parte di Porsche Engineering.

Attualmente sono in corso lavori sui powertrain a idrogeno in tutto il mondo. Tuttavia, questo viene fatto principalmente per i veicoli commerciali con una potenza specifica relativamente bassa di circa 50 kW per litro di cilindrata.

Il motore è stato modificato con un sistema di combustione adatto all’idrogeno

Vincenzo Bevilacqua, Senior Expert Engine Simulation di Porsche Engineering, ha detto: “Per il settore delle auto, questo è insufficiente. Abbiamo quindi sviluppato un motore a combustione di idrogeno che mira a eguagliare la potenza e la coppia degli attuali motori a benzina ad alte prestazioni come studio concettuale. Allo stesso tempo, avevamo anche l’obiettivo di raggiungere un basso consumo di carburante e mantenere le emissioni allo stesso livello dell’aria. Il punto di partenza per il nostro studio era un motore a benzina V8 da 4.4 litri esistente, o meglio, il suo set di dati digitali, poiché abbiamo condotto l’intero studio utilizzando delle simulazioni virtuali”.

Le modifiche apportate al propulsore includevano un rapporto di compressione più elevato e una combustione adattata all’idrogeno, ma soprattutto un nuovo turbocompressore.

“Per una combustione pulita dell’idrogeno, i turbocompressori devono, da un lato, fornire circa il doppio della massa d’aria rispetto ai motori a benzina. D’altra parte, però, le temperature più basse dei gas di scarico determinano una mancanza di energia per la loro propulsione lato scarico”, ha spiegato Bevilacqua.

Questa discrepanza non può essere risolta con i turbocompressori tradizionali. Porsche Engineering ha quindi esaminato quattro concept di turbocompressori alternativi particolarmente potenti, alcuni dei quali provengono dal mondo del motorsport.

Tutti i sistemi sono costituiti da diversi turbocompressori assistiti elettricamente, alcuni dei quali combinati con valvole di controllo aggiuntive nel sistema ad aria o compressori azionati elettricamente.

“Negli studi di riferimento, ogni sistema di turbocompressore ha mostrato vantaggi e svantaggi specifici. La scelta del concept giusto dipende quindi fortemente dal profilo dei requisiti del motore a idrogeno in questione”, afferma Bevilacqua.

Sono stati impiegati dei compressori back-to-back

Per lo studio del motore in questione, il team di sviluppo ha selezionato un sistema di turbocompressione con compressori back-to-back. La particolarità di questo design è la disposizione coassiale di due stadi del compressore, che sono azionati dalla turbina o dal motore elettrico di supporto tramite un albero comune. L’aria scorre attraverso il primo compressore, viene raffreddata nell’intercooler e quindi ricompressa nel secondo stadio.

Con una potenza di circa 598 CV (440 kW), il motore a idrogeno ideato dalla casa di Stoccarda eguaglia il powertrain a benzina originale. Per valutare meglio le prestazioni del propulsore, Porsche Engineering lo ha testato su un veicolo di riferimento del segmento di lusso con un peso totale di ben 2650 kg sul famoso circuito del Nurburgring, anche se completamente virtuale. La guida è stata effettuata utilizzando il cosiddetto “gemello digitale”, ovvero una rappresentazione computerizzata del veicolo reale.

Il giro virtuale sul Nurburgring è stato completato in 8:20.20

Con un tempo sul giro di 8 minuti e 20,20 secondi, il veicolo ha dimostrato un elevato potenziale per quanto riguarda la dinamica di guida e inoltre ha raggiunto la velocità massima di 261 km/h. A causa della sua composizione chimica, né idrocarburi né il monossido di carbonio vengono rilasciati durante la combustione dell’idrogeno, così come il particolato.

In termini di ottimizzazione delle emissioni del motore a idrogeno, gli esperti di Porsche Engineering si sono concentrati sugli ossidi di azoto. In ampi cicli di ottimizzazione, hanno adattato una strategia operativa per la combustione più pulita possibile. Il loro approccio era quello di mantenere basso il livello di emissioni grezze mediante una combustione estremamente magra e quindi più fredda, consentendo di rinunciare a un sistema di post-trattamento dei gas di scarico.

Matthias Böger, Specialist Engineer Engine Simulation di Porsche Engineering, ha dichiarato: “Come si è scoperto, le emissioni di ossido di azoto sono ben al di sotto dei limiti fissati dalla normativa Euro 7 attualmente in discussione e sono vicine allo zero sull’intera mappa del motore”.

Per meglio contestualizzare i risultati dei test sulle emissioni, è stato fatto un confronto con l’Air Quality Index. Viene utilizzato dalle autorità governative e da altre istituzioni come punto di riferimento per la valutazione del livello di inquinamento atmosferico.

In generale, una concentrazione fino a circa 40 microgrammi di ossido di azoto per m³ è equiparata a una buona qualità dell’aria. Le emissioni del motore a idrogeno sono al di sotto di questo limite e quindi il suo funzionamento non ha un impatto significativo sull’ambiente.

Oltre alle bassissime emissioni, il propulsore a idrogeno offre un’elevata efficienza nel ciclo di WLTP e nei cicli rilevanti per il cliente grazie alla sua bassa combustione. Bevilacqua ha concluso dicendo che sono riusciti a sviluppare un motore a idrogeno pulito, economico e sportivo.

La produzione in serie di un powertrain a idrogeno potrebbe costare quanto quella di motore tradizionale

Il costo di un propulsore a idrogeno nella produzione in serie potrebbe essere paragonabile a quello di uno a benzina. Sebbene il sistema del turbocompressore e le varie componenti meccaniche del motore a idrogeno siano più complessi e costosi, non è necessario il post-trattamento dei gas di scarico richiesto per il motore a benzina sub-Euro 7.

Il team di Porsche Engineering è stato in grado di eseguire tutti i test in modo virtuale e quindi in modo molto efficiente. Il processo di simulazione stabilito ha fornito la base per questo, insieme alla vasta esperienza dell’azienda nella modellazione e nel calcolo.

“Ci sono voluti solo sei mesi dall’idea iniziale al completamento dello studio. Ciò includeva un lavoro fondamentale come la creazione di nuovi modelli di simulazione che tengano conto delle diverse proprietà chimiche e fisiche dell’idrogeno rispetto alla benzina”, ha detto Vincenzo Bevilacqua.

È improbabile che il motore a idrogeno entri in produzione nella sua forma attuale, ma non era comunque l’obiettivo del progetto. Al contrario, l’attenzione si è concentrata sull’esame del potenziale tecnico della tecnologia di propulsione alternativa e sull’ampliamento delle capacità degli strumenti ingegneristici esistenti.

“Lo studio ci ha permesso di ottenere preziose informazioni sullo sviluppo di motori a idrogeno ad alte prestazioni e di aggiungere modelli e metodi specifici per l’idrogeno alla nostra metodologia di simulazione virtuale. Con questo know-how, siamo pronti a gestire in modo efficiente i progetti futuri dei clienti”, ha concluso il Senior Expert Engine Simulation di Porsche Engineering.