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氢能驱动——迈向氢动力时代的原型车耐力赛

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【译者按:本文原载于英国《Racecar Engineering》杂志2023年8月号,原作者是安德鲁·科顿(Andrew Cotton),原名《Hydro-Matic》,小标题系译者添加。作者通过对FIA的技术官员贝尔纳·尼克洛的访谈,讨论了将在2026年引进勒芒耐力赛的氢能赛车的一些问题,有一定参考价值,所以将其译出。由于译者能力所限,而且时间很仓促,所以译文非常粗疏,有很多错处,仅供各位将就着阅读。目前氢能原型车尚处于概念阶段,译文正文不附带图片。最后要说明的是,本译文将只在百度“原型车吧”发送,网络上其他媒体或视频有雷同内容,概与译者无关。】
西方赛车俱乐部(ACO)准备在2026年将氢能赛车引入勒芒大赛并不值得大惊小怪。自2017年起,来自FIA的一位技术主任贝尔纳·尼克洛(Bernard Niclot)就致力于相关规则的制定,ACO不但自身积极参与了一款氢燃料电池原型车的研发,而且已经准备好出台这类规则。真正让人惊讶的是,这种新类型赛车自2026年起将在勒芒为争夺全场冠军而战。
(ACO的)计划于2023年12月敲定规则,以给予制造商们足够的时间审视技术,并理解必须拿出怎样的赛车。十家制造商坐在谈判桌前讨论了规则,当中没有一家愿意亮明自己的身份,他们遍及全球各地。其中一些厂家,尤其是丰田已宣称有意用氢动力赛车在勒芒作赛,而其他厂商表现出对发展相关技术的兴趣。他们包括Alpine和起亚,可能还有福特。
当然还有研发工作需要完成,丰田已经走到了前面,他们拥有业已成熟、能够比赛的花冠赛车,该车目前正参加日本的超级耐久系列赛,并且于5月成为了首款用液氢作赛的赛车。
不过,要拿出一台按照原型车等级开发的赛车,则完全是另外一回事了,而这正是AOC向自身和伙伴制造商们发起的挑战。
要参与其中,制造商需要在有所损失的同时,获得应有的回报,ACO给出的承诺是,氢动力赛车将有能力赢得勒芒的全场冠军。这样不光需要对赛道的设备进行大幅度的升级改造,还得对现有的Hypercar进行降级处置,尤其是在停站这一点上。
目前的Hypercar能够在90秒左右完成加油与换胎停站,但为氢动力赛车加注燃料需要将近两倍的时长。根据将由FIA世界汽车运动理事会批准的规则,燃料只能存放在一种标准的储气罐内,压强为700巴,加气中过程气温的上升只是转投氢燃料所面对的诸多问题的一项。


IP属地:陕西1楼2023-07-31 20:26回复
    技术推动
    为平衡所有赛车,必须对规则进行重大修改,为说明这一点,尼克洛回顾了过去发生的事情。他过去所在的技术工作团队负责为等效技术( Equivalence of Technology,EOT)制定规则,这一揽子规则使得各种技术得以发挥出最佳潜力,而且相互间势均力敌。
    这项规则下催生出了令人惊叹的保时捷LMP1赛车,他们的涡轮增压汽油机与MKU-K和MGU-H组成了搭档,将能量存储在电池中;丰田带来了常规的自然吸气发动机和超级电容储能系统,而奥迪派出了使用飞轮储存动能的涡轮增压柴油机参赛。
    这曾经是一套非凡的规则,它出自工程师们之手,而非会计师们,这一点最终体现在赛车的最终成本上。新的方向也有做到同一点的潜力,因为氢能技术仍是相当新颖的事物。
    然而,尼克洛表示,你必须在在某处开始:“如果没有气候变化问题,而且石油的供应没有限度,没有人愿意转向氢能,”他说道。“目前看来,石油终有用尽的一天,大概在那之前,我们将遭遇无法忍受的气候剧变,所以我们必须做出改变。”
    “向绿色出行过渡显然要有所投入,但人类现在就必须为此付出努力。从中获得的回报是零排放技术,这也正是我们所需要的。”
    “与汽油相比,今日的氢能技术显得笨重,但如果你要求现在的赛车在不排放二氧化碳的前提下驶上赛道,它们将只能停放在起跑线上。氢能(赛车)就能这样在赛道上飞驰。这只不过是一个笑话,但你所拥有的是既复杂且不完善的技术,但你也有一些优势,那就是零排放特性。如果我们希望实现零排放,我们就必须付出这样的代价。”
    前进的方向
    随着一些制造商来到谈判桌前讨论,看上去ACO已经走在通向规则的道路上。最初的关注点完全集中在燃料电池技术上,但现在订立的规则,接纳了使用氢燃料的内燃机。这两种技术对厂商的吸引力可谓平分秋色,据尼克洛表示,将近50%的厂商倾向于燃料电池,另一半青睐内燃机。
    在燃料罐问题上,ACO就没有这么大胆了、“至于燃料储存系统,我们希望拥有统一的燃料罐,统一的技术,它将由彼欧公司(Plastic Omnium)负责,”尼克洛说道。“这背后的原因是,我们希望定义和研制一种燃料加注系统,它将由道达尔能源公司完成。当你补充氢燃料时,它们不会是标准的液体,而是气体,所以你会遇到热力学问。你必须了解燃料罐内部的状态,一边追踪加入燃料的目标曲线。这个规程与燃料罐内的温度与压强紧密关联。”
    “为此,我们认为我们无法为不同类型的燃料罐发展出如此优化过的燃料加注规程。主要问题在于效率,但也有成本、时间、研发与安全性方面的考虑。”未来将会放开燃料罐的适用范围,尼克洛表示,液体存储技术仍然很不成熟,无法用于比赛。即便是丰田做到了这一点,技术委员会还是感到,它还没有准备好参加勒芒这样顶级比赛,主要原因在于储存液体所必需的温度。
    “你实际上必需把氢燃料的储存和使用方式割裂开来”尼克洛继续说道。“(在丰田花冠上)储存的是液体,但在发动机中做功的却是气体,所以你也可以同样把气体储存起来。”
    “如今我们认为液氢很有前途,它有一定的优势,但成熟度赶不上气体存储。在比赛中,我们需要依赖现成和可靠的技术。”


    IP属地:陕西2楼2023-07-31 20:28
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      燃料管理
      但到最后还存在一个矛盾。氢在内燃机中不像汽油那样易燃,因此在汽缸内需要更加精细的管理。
      “总体而言,你有两种喷注技术——进气道喷注和缸内直喷。就我的理解,在燃烧过程的效率与管理方面,缸内直喷更有前途。不少人已经着手研发进气道喷注,但所能实现的效率水准无法与缸内直喷相提并论。”
      “规则不会明确规定应该采取那个选项。我们希望ACO在技术规则上保持中立,但我们正开始一项前彻头彻尾的变革,正在创造新的历史,预测哪项技术会被证明是最佳选择往往是非常困难的。我们希望接纳任何可能性。”
      没有实验设施是ACO面对的主要障碍之一,因此必须仰仗制造商进行相关研究,然后根据制造商提供的数据开展工作。这看上去是一个省钱的研究手段,但存在效果适得其反的风险,尼克洛清楚的认识到,制造商们的预测可能不完全准确。
      这是内燃机的问题,但还有燃料电池技术可用。看起来采用内燃机合乎情理,因为有助于减少散热的需求、技术是已知的而且与街车相关(可以从现有的发动机改造而成),但对于燃料电池技术还有不少东西可以谈论。
      燃料存储
      燃料电池是通过氢与氧的化合反应产生电力,进而驱动电动机。以在勒芒比赛为目的燃料电池赛车,储存氢的储气罐与内燃机赛车相同。
      “两种技术在燃料的存储方面相近,燃料电池或许还稍占优势,因为它们的工作压力更低。”尼克洛说道。“可能它们能更好的使用车载氢气,但这点优势会被压力调节器所抵消。”
      “就比赛用途而言,燃料电池可能比相同功率的内燃机更重,但H24赛车的技术水平与你(目前)驾驶的街车相差不多。它们都是基本型燃料电池,迄今还从未研制过比赛专用的燃料电池。这就像拿标准的街车发动机与一级方程式发动机相比较。它们是截然不同的事物。”
      “我与一位燃料电池工程师对不同的材料进行过一些评估,我们在纸面上轻易的实现了100千克的减重。燃料电池的一个问题是,其效率会随着动力的上升而下降,你越试着想要从燃料电池中压榨出更多动力,你所获得的效率越低,不过至今还没有人研制过比赛专用离子交换膜。”
      “对街车而言,目标是限制昂贵材料的用量,燃料电池中必不可少的铂便是如此,但在赛车上不存在这个问题。”
      “我设想你会把注意力集中为比赛而研发。当你把所有这这一切整合起来,在边缘需要压缩机和附件来让燃料电池工作,还有很多工作可做。”
      “燃料电池身上优缺点并存。其近来的技术不如内燃机成熟,而且笨重,但学习曲线比内燃机更为重要。如果哪家燃料电池制造商表示,他们希望看到极限,他们可以做很多工作,所以在不同技术之间进行比较并不容易,因为它们不在同一个发展水平上。”
      “对我来说,勒芒项目的存在理由是加快这个过程。如果你把这个应用在燃料电池上,或许你能超越极限。”


      IP属地:陕西3楼2023-07-31 20:28
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        分歧点
        加注燃料将是这些规则上的一个重大分歧点。现在的Hypercar在比赛节奏下能在勒芒作出3分30秒的圈速,氢能赛车也能跑出不相上下的成绩。但要让它们具备相当的竞争力,必须延长所有赛车的停站时间。尼克洛说,从目前技术角度看,这是完全可能的,但有人一定会发问,二到三分钟的停站将为勒芒“展示”什么?
        “我们必须找到弥补的手段,”尼克洛说道。“你必须想到,在道路用车上,无论你加注的汽油还是氢,并没有什么本质上差别。如果你为电动汽车电池充电,与汽油之间的差距就非常大了。”
        “多年以来,出于种种原因,我们使用了能缩减(比赛)加油时间的装置,但这些系统与街车无关。他们完全是为运动和乐趣而研制,但他们与你驾驶的街车没有任何关系。氢燃料赛车将与道路用车相当接近,所以我认为向街车看齐不是个问题。”
        (译者注:尼克洛在这里兜了不少圈子,意思其实很简单,就汽油赛车的快速加油装置将在未来遭到禁用,将汽油赛车的加油速度拖慢到氢动力赛车的水平)
        这把我们带回了上文提到过的热力学问题。
        “在储氢罐中,开始加注燃料温度大约是-40°C,(你停止加注燃料)于+80°C。你开始加注燃料时的气罐压力在20-50巴,一路上升至700巴,所以在气罐中对氢气进行了大幅度的加压。这显然将会推高温度”
        控制气罐内的温度本身不是个大问题,除非你考虑到比赛stint的特殊性,尤其是要连续二十四小时比赛,昼夜间的温差非常大。
        控制策略
        “你必须掌握住安全性,”尼克洛谈到储气罐自身的温度及其内存放的气体。“我们在MissionH24(ACO的氢燃料原型车)上发现,在气压与温度间会有一场战斗。如果你遇到了比较长的黄旗安全区,你将缓慢行驶相当长一段时间,气罐内的温度会出现上升的趋势,原因是那时的燃料流量不高。而环境温度将变得重要起来。”
        “如果气压继续下降,你将完成stint过程中面对低气压的风险,这意味着气罐内没有剩下多少燃料,但由于气罐内的温度过高,所以你开始加注燃料的温度不是-40°C,或许将开始于-30°C、零度,甚至是+20degC。那样你能加注的燃料量将会减少。所以你必须采取措施,以便在储气罐清空时,内部温度处于-40°C左右。”
        “另一方面,如果你的比赛节奏很快,你将消耗很多氢气,届时的风险是气罐内的温度下降过快,于是当你达到-40°C温度下限时,气罐还没有被清空,而你却不得不停站”
        “显然必须在整个stint期间对温度和气压实施不间断的管理,这将成为比赛的一大要素。这能够带来性能上的回报。”
        这种精细的氢气温度与气压管理是个与街车有所关联的技术。电子装置将在这个性能要素中扮演主要角色,因为Hypwercar规则已经成为一场软件战争,这很符合比赛的现状。


        IP属地:陕西4楼2023-07-31 20:29
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          向氮氧化合物说不
          特别是在汽油和柴油方面,除了低二氧化碳排放外,还存在高氮氧化合物(NOx)排放问题。这两样排放是密不可分的,直到你开始关注氢能技术。
          “燃料电池不会排放氮氧化合物”尼克洛指出。“氢燃料内燃机的排放物是水。它实际上取决于混合程度。如果是稀薄混合气体,不会排放同一等级的氮氧化合物。氢燃料的美妙之处就在,拜氢的燃烧速度所赐,可以燃烧非常稀薄的混合气体。发动机工作时的lambda值可以达到2.5-3。如果在这个范围内工作,几乎不会排放出氮氧化合物,因为工作的燃烧温度很低。”
          “如果混合比例较高,就会产生氮氧化合物,必须用催化转换器对其进行处理。我已经就这一点与制造商们进行过讨论。我们希望实现零排放,需要讨论的是我们如何做到这一点,或者通过混合特征,或者使用催化转换器。”
          另一个显眼的问题是撞击测试。驾驶任何一辆装着高压气罐的赛车疾驰度难免会让人心生恐惧,所以FIA和ACO必须合作制定一套规则,保证赛车在任何方面都是安全的。这意味着严苛的测试,可能会导致赛车的重量上升。这会在等效技术表上产生连锁效应。
          尼克洛在这方面的论据颇有意思。许多人正关注这当下的Hypercar规则,并且注意到八家制造商正在争夺仅有的三个领奖台席位,有些参赛者会因为无法实现事先的目标而离去,或者在实现了目标后退出。这将导致把重点放回到赛事一直仰赖的私人车队身上。
          谈判桌前
          但对尼克洛来说,有10架制造商聚集到谈判桌前,希望带着新技术来到勒芒,并为全场胜利而比赛,他们可能足以打消监管者们的疑虑。
          一开始,将会付出牺牲私人车队的利益的代价,这不是个轻松话题,其影响不容小视。
          “我们打算为氢能赛车建立一个组别,但我们希望这些赛车能与汽油的Hypercar一较高低。我们认为它们有足够的性能实现达到这一点,也就是做出3分30秒的圈速,这是目前的水平。”尼克洛说道。“因此我们将在氢能与汽油赛车间建立一套EoT 。这是相同的理念。”
          “最后,这个组别将在Hypercar的黄金时代临近尾声的2026/27年到来,因此过渡将相当平稳。如果我们在2024年启动(因故推迟了两年),我们会遇到更多的问题,因为我们将迎来新的Hypercar,很难向他们解释,他们为何必须与氢能赛车竞争。这次延误使得过渡更加容易,所以因此我充满了信心。”
          ACO多年来一直在设法将氢能赛车引入勒芒大赛,他们将在不久以后迎来时机将其付诸实行。


          IP属地:陕西6楼2023-08-01 19:02
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