Znika największy problem silników spalinowych. Toyota: Dokonaliśmy przełomu

Toyota spala wodór zamiast benzyny. Japończycy ratują silnik spalinowy

Toyota Mirai II generacji to niemal 5-metrowa limuzyna w stylu coupe. Dzięki zastosowaniu ogniw paliwowych jest jeżdżącą elektrownią. Energia, która zasila silnik elektryczny auta, powstaje w wyniku reakcji wodoru z tlenem. Jednak inżynierowie japońskiej marki, znani z tego, że potrafią zgłosić nawet 3 tys. patentów w ciągu roku, od pewnego czasu rozwijają technologię, która może uratować silniki spalinowe.

– Założeniem tego projektu było stworzenie silnika wodorowego w oparciu o silnik spalinowy, by w ten sposób umożliwić konwersję obecnych aut spalinowych na wodór i przyspieszyć proces dochodzenia do neutralności węglowej – wyjaśnia Naoki Ito, inżynier Toyoty odpowiedzialny za ten innowacyjny silnik. Teraz prace Japończyków wkroczyły w nową fazę. Ale po kolei...

Mniej niż 1 minutę – tyle trwa tankowanie ciekłego wodoru do Corolli

Toyota od 2021 roku rozwija silnik spalinowy zasilany wodorem, wykorzystując model GR Corolla H2 Concept startujący w japońskiej serii wyścigów długodystansowych. Pod maską tego auta pracuje trzycylindrowa jednostką 1.6 turbo G16E-GTS z GR Yarisa. Samochód początkowo zasilany był wodorem w stanie gazowym. W 2023 roku zadebiutowała kolejna odsłona tego auta, ale bardziej zaawansowana i tym razem na ciekły wodór. Zmiany konstrukcyjne pozwoliły skrócić czas tankowania paliwa z minuty i 40 sekund do mniej niż minuty.

Doszedł także nowy, eliptyczny zbiornik, który może przyjąć więcej paliwa, zajmując tyle samo miejsca co wcześniej stosowany "bak" cylindryczny. Pojemność wzrosła ze 150 l do 220 l i mieści 15 kg ciekłego wodoru zamiast 10 kg. Do tego przejście z paliwa gazowego na ciekłe pozwoliło dwukrotnie zwiększyć ilość wodoru tankowanego na raz. Stąd zasięg wzrósł do 135 km z 54 km, gdy auto zasilano wodorem w stanie gazowym.

Przełom w temperaturze –253°C

Teraz inżynierowie Toyoty, podczas ostatniego wyścigu na torze Fuji Speedway sprawdzili technologię, która brzmi jak science-fiction, ale staje się rzeczywistością: nadprzewodnictwo. To zjawisko fizyczne polegające na zaniku oporu elektrycznego w określonych materiałach po ich schłodzeniu do temperatury krytycznej. W przypadku ciekłego wodoru temperatura wynosi około –253 °C, co stwarza naturalne warunki do pracy materiałów nadprzewodzących.

Prace nad tym rozwiązaniem w wodorowej GR Corolli trwały od 2023 roku. Co udało się osiągnąć w ciągu trzech lat?

• Silnik wewnątrz zbiornika: Inżynierowie stworzyli nadprzewodzący silnik elektryczny napędzający pompę paliwa. Umieścili go bezpośrednio w zbiorniku z wodorem. Dzięki temu układ nie potrzebuje dodatkowego chłodzenia – wodór robi to "przy okazji".
• Zero strat energii: Prąd płynie przez taki silnik bez żadnych oporów, co oznacza wyższą sprawność i brak wydzielanego ciepła.
• Większy zasięg i mniejsza masa: Dzięki temu, że cały mechanizm stał się mniejszy i lżejszy, udało się wygospodarować miejsce na większy zbiornikk. Jego pojemność wzrosła dwukrotnie – ze 150 do aż 300 litrów.

Jak Toyota oszukała fizykę?

Integracja silnika ze zbiornikiem to nie tylko oszczędność miejsca, ale też ograniczenie parowania paliwa. Mówiąc prościej: auto staje się lżejsze, prostsze w budowie i może przejechać znacznie dłuższy dystans na jednym tankowaniu.

– Technologia nadprzewodnictwa to klucz do przyszłości napędów wodorowych. Zwiększając bak i odchudzając konstrukcję, robimy ogromny krok w stronę efektywności – wyjaśnia Naoaki Ito, szef projektu.

Wodór w rodzinnym SUV-ie. Corolla Cross H2 to już nie tylko teoria

Z tory technologia trafia pod strzechy. Także Toyota Corolla Cross H2 Concept pod karoserią rodzinnego SUV-a skrywa turbodoładowane 1.6 ze sportowej GR Corolli H2 produkuje 261 KM i 360 Nm momentu obrotowego. Zbiorniki wodoru pochodzą z Toyoty Mirai. Prototypowy model zachowuje pełną funkcjonalność – oferuje 5-osobowe wnętrze i duży bagażnik. Co ważne, auto opracowano z myślą o seryjnej produkcji. Obecnie samochód jest szlifowany w rzeczywistych warunkach drogowych.

Toyota jedzie pod prąd – wprowadza nowatorskie silniki benzynowe 1.5 i 2.0

To wszystko brzmi futurystycznie. A co z jazdą na co dzień? Toyota wprowadza nową generację silników 1.5 oraz 2.0 o zdecydowanie lepszych osiągach – większej mocy i wyższej wydajności. To czterocylindrowe jednostki przystosowane do montażu wzdłużnego i poprzecznego, gotowe na normy Euro 7. W porównaniu do obecnych konstrukcji mają też mniejsze gabaryty, a to zrewolucjonizuje sposób projektowania nadwozi. Pierwszym autem, które dostanie najnowsze silniki będzie Toyota Corolla nowej generacji. Ale po kolei…

To koniec trzech cylindrów? Nowa Corolla 1.5 zaskakuje budową

Nowy czterocylindrowy silnik 1.5 w porównaniu do obecnej trzycylindrowej konstrukcji będzie mniejszy i niższy – odpowiednio po 10 proc. Dołożenie kolejnego cylindra pozwoliło inżynierom obniżyć wysokość i uczynić całość bardziej kompaktową. Nowa półtoralitrowa jednostka zastąpi trzycylindrowy silnik 1.5 w hybrydzie, którą wykorzystuje Toyota Yaris Cross, Yaris i od niedawna Aygo X. Z kolei wersja 1.5 z turbodoładowaniem z powodzeniem może zastąpić wolnossącą jednostkę 2.5 – zdaniem inżynierów Toyoty mniejszy benzyniak turbo jest zgodny z przepisami o emisji, które od starszej konstrukcji wymagałby obniżenia mocy o 30 proc.

Nowa hybryda 1.5 Turbo deklasuje rywali wydajnością

Japoński magazyn Best Car donosi, że zupełnie nowa Toyota Corolla będzie dostępna m.in. z klasyczną hybrydą HEV z silnikiem 1.5 i pierwszy raz w historii jako hybryda plug-in 1.5 Turbo. Bardziej opływowe nadwozie to niższe zużycie paliwa (nawet o 12 proc.). Właśnie pod względem apetytu na benzynę i zasięgu nowa Toyota Corolla plug-in hybrid 1.5 Turbo ma zdeklasować rywali.

Silnik 2.0 Turbo od Toyoty: 400 KM, które kpi z konkurencji

Toyota zbudowała również nowy silnik benzynowy o pojemności 2.0. Wiadomo, że ta jednostka w wersji 2.0 Turbo ma bardzo duże zapasy technologiczne i potencjał generowania 400 KM mocy i 550 Nm momentu obrotowego. To parametry zarezerwowane dotąd dla silników wyczynowych.

Zdaniem Japończyków ta jednostka to inżynieryjne dzieło sztuki, które może trafić do przyszłych modeli GR (w tym np. nowa Celica/MR2 czy topowy GR Yaris). Zupełnie nowy silnik 2.0 również będzie częścią układu hybrydowego w przyszłych modelach japońskiego koncernu. Nowe jednostki 1.5 i 2.0 pozwolą też odejść od paliw kopalnych i od początku będą przystosowane m.in. do symetrycznej benzyny, biopaliw czy ciekłego wodoru jako alternatywy dla benzyny.

Montują silnik benzynowy na wodór nawet w 40-letnich samochodach

Na finał ciekawostka. Zdaniem Toyoty silniki wodorowe mogą doprowadzić do szybkiej redukcji emisji CO₂ w motoryzacji przy wykorzystaniu dopracowanych, masowo produkowanych jednostek spalinowych. Idąc dalej – mogą także dać nowe życie nawet 40-letnim samochodom. Inżynierowie Toyota Gazoo Racing, czyli komórki odpowiedzialnej za sporty motorowe i projekty niemożliwe, planują oferować silnik spalinowy na wodór kolekcjonerom i pasjonatom motoryzacji, którzy będą chcieli przebudować swoje klasyczne samochody na auta bezemisyjne. Za przykład możliwych modyfikacji posłużyła sportowa, tylnonapędowa Corolla AE86 w wersji Trueno (z otwieranymi przednimi światłami), która otrzymała właśnie spalinowy napęd wodorowy.

Toyota Corolla AE86 H2 łączy silnik benzynowy z wodorem

Toyota przy budowie Corolli AE86 H2 wykorzystała rozwiązania sprawdzone przy konwersji modeli GR Yaris i GR Corolla na auta wodorowe. Najważniejsze było dostosowanie do spalania wodoru klasycznego silnika 1.6 4A-GEU, seryjnie montowanego w AE86. W przeciwieństwie do samochodów elektrycznych na baterie czy ogniwa paliwowe, auta z silnikiem wodorowym mogą korzystać z komponentów napędów benzynowych. Inżynierowie musieli jednak obejść się bez wsparcia cyfrowego – nie mieli do dyspozycji modelu 3D. Silnik 4A-G powstał cztery dekady temu. Oznacza to, że dla młodego i średniego pokolenia konstruktorów Toyoty jednostka była zupełnie nieznana.

– Oryginalny silnik 4A-G trafił na rynek, gdy uczyłem się w szkole podstawowej. Zetknąłem się z wieloma rozwiązaniami, których wcześniej nie znałem. Udało nam się jednak je połączyć z zastosowaniem technologii silnika wodorowego, którą wypracowaliśmy dla nowoczesnych jednostek GR Yarisa H2 i GR Corolli H2 – powiedział Jun Miyagawa, inżynier specjalizujący się w bezemisyjnych napędach.

Inżynierowie ograniczyli przeróbki klasycznej tylnonapędowej Corolli do minimum. Zmiany w silniku 4A-GEU objęły wtryskiwacze paliwa, przewody paliwowe i świece zapłonowe. Oryginalny układ wydechowy i tłumik zostały odpowiednio zmodyfikowane, a zamiast baku zamontowano dwa wysokociśnieniowe zbiorniki wodoru z Toyoty Mirai.

Jak jeździ Corolla na wodór zamiast benzyny? Nadzieja stała się rzeczywistością

Konstruktorzy zapewniają, że wodorowa Corolla AE86 H2 prowadzi się jak standardowe auto benzynowe, a po modyfikacjach waży tylko 995 kg, o 55 kg więcej od oryginału. Przyspieszenie jest porównywalne z klasyczną benzynową wersją AE86.

– Reakcja na wciśnięcie pedału gazu jest dokładnie taka sama. Dźwięk silnika i wibracje również dają takie same odczucia. Zauważyłem to już, startując wodorową GR Corollą w wyścigach Super Taikyu. Wodór to naprawdę nowy rodzaj energii, dzięki któremu nadzieje na jasną przyszłość dla motoryzacji stają się rzeczywistością – stwierdził Masahiro Sasaki, kierowca wyścigowy Toyota Gazoo Racing.

Toyota GR86 zasilana nowym paliwem E20

Toyota przetestowała także model GR86 Future FR Concept, który spala benzynę E20 produkowaną przez ENEOS. E20 to paliwo, w którym około 20 proc. stanowi bioetanol produkowany w wyniku fermentacji glukozy i innych składników pochodzących z roślin, takich jak kukurydza i trzcina cukrowa. Rośliny te pochłaniają CO₂ w trakcie wzrostu, dzięki czemu bioetanol jest paliwem o niższej emisji w porównaniu do paliw kopalnych.

GR86 Future FR Concept w 24-godzinnym wyścigu na torze Fuji pokonała 523 okrążenia, a silnik spalinowy doskonale poradził sobie z paliwem o obniżonej emisyjności podczas niemal nieprzerwanej pracy. Zdaniem inżynierów Toyoty przyspieszenie wdrażania niskoemisyjnych paliw ciekłych, zaczynając od niskoemisyjnej benzyny, będzie kluczowe do osiągnięcia neutralności węglowej także w przypadku istniejących pojazdów.

Tak wygląda nowa hybryda z silnikiem 4.0 V8 i napędem na tylne koła

Japończycy zdobyli się też na odważny ruch – na rynek wjeżdża Toyota GR GT. Zdaniem konstruktorów ten samochód zmieni zasady gry w świecie, w którym rządzi Porsche 911. Co dostaną kierowcy? Pod maską wielkości lądowiska dla helikopterów skrywa silnik 4.0 V8 z podwójnym turbodoładowaniem i suchą miską olejową. Jednostka ma średnicę i skok tłoka 87,5 x 83,1 mm, a krótki skok zmniejsza jego całkowitą wysokość. Układ Hot-V umieszcza turbosprężarki pomiędzy rzędami cylindrów, po jednej dla każdej strony. Producent obiecuje przynajmniej 650 KM mocy i 850 Nm momentu obrotowego. Ten 4,8-metrowy samochód waży jedynie 1750 kg, stąd rewelacyjny stosunek mocy do masy wynoszący niecałe 2,7 kg/KM. Osiągi? Toyota GR GT wciśnie w fotel i rozpędzi się do ponad 320 km/h.