Toyota ratuje silnik spalinowy. Jakim cudem?
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 konsekwentnie rozwijają technologię, która może uratować silniki spalinowe. Na czym polega ich rozwiązanie?
Toyota Corolla z silnikiem spalinowym na wodór zamiast benzyny
Toyota pracuje nad silnikiem spalinowym, który będzie zasilany właśnie wodorem. Koncern od 2021 roku sprawdza swój wynalazek w japońskiej serii wyścigów długodystansowych, wykorzystując model GR Corolla H2 Concept z trzycylindrową jednostką 1.6 turbo G16E-GTS z GR Yarisa. Samochód początkowo był zasilany wodorem w stanie gazowym. Niedawno jednak nastąpił przełom i świat poznał nową odsłonę tego auta – paliwem stał się ciekły wodór. Co jest ogromnym krokiem naprzód w pracach nad wodorowym silnikiem spalinowym. Auto nadal korzysta z tej samej jednostki, ale zastosowanie ciekłego wodoru skróciło czas pitstopów i umożliwiło uzupełnianie paliwa w tym samym miejscu co auta korzystające z paliw konwencjonalnych.
W pierwszym starcie na torze Fuji auto pokonało 358 okrążeń. Wyniki testu okazały się obiecujące. Inżynierowie zakasali rękawy i w ciągu dwóch miesięcy od premiery wprowadzili aż pięć usprawnień, m.in. poprawili trwałość pompy, zredukowali masę auta i wprowadzili szybsze i zautomatyzowane tankowanie. W efekcie wodorowa Corolla zwiększyła zasięg między tankowaniami o około 23 km. Stąd na jednym zbiorniku paliwa mogła przejechać 19 okrążeń zamiast 14.
Toyota GR Corolla H2 Concept - większy zasięg, mniejsza masa auta
Wcześniejsza pompa ciekłego wodoru nie była smarowana olejem, aby zapobiec zmieszania się z paliwem przechowywanym w bardzo niskiej temperaturze -253°C. Skutkowało to większym zużyciem i koniecznością częstszej wymiany tego elementu. Specjaliści Toyoty zamontowali mechanizmy zmniejszające tarcie i wstrząsy między kołami zębatymi i łożyskami, dzięki czemu pompy mogą działać o 30 proc. dłużej.
Zwiększone opory tarcia w pompie powodowały potrzebę większej mocy, co skutkowało większymi i cięższymi komponentami. Ulepszona pompa to mniejsze i lżejsze elementy, co pozwoliło odchudzić samochód aż o 40 kg. Do tego inżynierowie uznali, że zawory zbiornika i przewody wodorowe mają wystarczające marginesy bezpieczeństwa, aby umożliwić dalsze zmniejszenie masy. Stąd najnowsza GR Corolla H2 Concept po korekcie waży 1910 kg. Jednak to wciąż zbyt dużo…
– Naszym celem jest osiągnięcie masy niższej niż 1700 kg – zapowiedział Naoaki Ito, dyrektor generalny projektu GR Vehicle Development Division.
Toyota już tankuje ciekły wodór jak benzynę - w mniej niż 60 sekund
Jednak prace trwają nie tylko nad samym samochodem. Inżynierowie głowią się nad usprawnieniem tankownia. Trzy zmiany konstrukcyjne pozwoliły skrócić czas potrzebny na zatankowanie wodorowej Corolli z minuty i 40 sekund do mniej niż minuty. Taki postęp umożliwiają m.in. większe zawory. Choć zwiększony rozmiar zwykle powoduje trudności z uszczelnieniem, Toyota opracowała rozwiązanie, które jest bezpieczne i przyspiesza proces tankowania. Proces tankowania jest także łatwiejszy dla mechaników – zredukowano masę złączy wypełniających z 8,4 kg do 6 kg, a złączy zwrotnych z 16 kg do 12,5 kg.
Zautomatyzowano też sam proces tankowania, wykorzystując mobilną stację tankowania wodoru. Podczas ostatniego wyścigu 9 z 14 zjazdów na uzupełnienie paliwa było kontrolowanych elektronicznie. Systemy czuwają nad stanem zbiornika, temperaturą i ciśnieniem, a mechanicy muszą jedynie włożyć złącza i nacisnąć przycisk, by rozpocząć napełnianie wodorem. Odpowiedni mechanizm również informuje o tym, że zbiornik jest już pełen. Brak konieczności sprężania gazu oznacza, że można zatankować wiele aut jedno po drugim.
Toyota od 2017 roku rozwija silnik spalinowy na wodór
Prace nad wodorowym silnikiem spalinowym rozpoczęto w 2017 roku. W 2021 roku znaną dziś z GR Yarisa trzycylindrową jednostkę 1.6 turbo G16E-GTS przystosowaną do spalania wodoru najpierw dostała wyścigowa Toyota GR Corolla H2 Concept, która obecnie rywalizuje w wyścigach japońskiej serii Super Taikyu. Z kolei Corolla wykorzystuje napęd 4x4 znany z GR Yarisa.
– 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 – wyjaśnił Naoki Ito, inżynier Toyoty odpowiedzialny za eksperymentalny silnik.
Toyota GR Yaris spala wodór zamiast benzyny, Corolla była pierwsza
W wodorowych prototypach GR Yaris oraz Corolla Sport na potrzeby wodorowego silnika 1.6 zmodyfikowano układ zasilania i wtrysku – w stosunku do tych stosowanych w jednostkach benzynowych. Nowe wtryskiwacze opracowali specjaliści z Denso (firma należy do Toyoty). Zdaniem Japończyków wodorowa trzycylindrowa jednostka 1.6 z turbodoładowaniem dzięki technologiom rodem z rajdów odznacza się wytrzymałością cieplną i ma same zalety. Wodór spala się szybciej niż benzyna, a to oznacza dużą dynamikę przy doskonałych wynikach pod względem ochrony środowiska. Silnik nie truje dwutlenkiem węgla – poza CO2 w śladowych ilościach przy spalaniu oleju silnikowego (co ma miejsce również w przypadku silników benzynowych). Pracuje ciszej, bez wibracji i do tego rewelacyjnie reaguje na pedał gazu.
Toyota Corolla Cross spala wodór zamiast benzyny, silnik 1.6 turbo/261 KM
Toyota Corolla Cross H2 Concept jest najnowszą fazą rozwoju silnika benzynowego na wodór. Pod karoserią rodzinnego SUV-a 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.
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 40-letni 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.
Toyota Corolla AE86 H2 spala wodór zamiast benzyny
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.
Toyota Mirai i wodorowy GR Yaris podzielił się technologią
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 Toyota 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.
