Tak Toyota ratuje silnik spalinowy. Japończycy już świętują sukces

Toyota ratuje silnik spalinowy. Corolla spala wodór zamiast benzyny

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. I właśnie świętują kolejny sukces. Na czym polega ich rozwiązanie?

Toyota Corolla z silnikiem na wodór. Większy zasięg, tankowanie w mniej niż minutę

Toyota pracuje nad silnikiem spalinowym zasilanym 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 zasilany był wodorem w stanie gazowym. W maju 2023 roku podczas wyścigu Fuji 24 Hours zadebiutowała kolejna odsłona tego auta, tym razem wykorzystującego ciekły wodór. Dzięki temu tankowanie okazało się szybsze – zmiany konstrukcyjne pozwoliły skrócić czas potrzebny na uzupełnienie paliwa z minuty i 40 sekund do mniej niż minuty. Na tegoroczną edycję wyścigu przygotowano auto z nowymi rozwiązaniami.

Pierwszą innowacją jest nowy kształt zbiornika na ciekły wodór. Dzięki temu może pomieścić więcej paliwa, zajmując tyle samo miejsca w aucie co zbiornik cylindryczny stosowany wcześniej. Pojemność wzrosła ze 150 l do 220 l i mieści 15 kg ciekłego wodoru zamiast 10 kg. Co ciekawe, przejście z paliwa gazowego na ciekłe pozwoliło dwukrotnie zwiększyć ilość wodoru tankowanego na raz. Podczas tegorocznej 24-godzinnej rywalizacji zasięg auta na jednym tankowaniu wyniósł 135 km, o połowę więcej w porównaniu z rokiem ubiegłym (90 km) i ponad dwukrotnie więcej niż w roku 2022 (54 km), gdy auto zasilano wodorem w stanie gazowym. Corolla z nowym rozwiązaniem pokonała łącznie 332 okrążenia, przy zasięgu na jednym zbiorniku do 30 pętli.

Nowy zbiornik i pompa paliwa to gigantyczna różnica

Zmiana kształtu zbiornika paliwa była możliwa dzięki przejściu z paliwa gazowego na ciekłe. Cylindryczne zbiorniki stosuje się do magazynowania sprężonego wodoru, aby wysokie ciśnienie rozkładało się równomiernie. Ponieważ jednak ciekły wodór ma niższe ciśnienie niż gaz, daje to możliwość stosowania pojemników o innych kształtach.

W pracach rozwojowych nad GR Corollą H2 trwałość pompy paliwa była drugim obok pojemności zbiornika zagadnieniem. Nowa pompa została tak zaprojektowana, aby można było ukończyć 24-godzinny wyścig bez wymiany. Dla porównania rok wcześniej mechanicy musieli dwa razy zmieniać ten komponent.

Toyota Corolla dostała nowy system oczyszczania powietrza

Toyota GR Corolla H2 dostała też nową technologię wychwytywania CO₂ z powietrza. Urządzenie zainstalowane w komorze silnika wykorzystuje do pracy ciepło wytwarzane przez jednostkę spalinową. Mówiąc dokładniej, na wlocie filtra powietrza zamocowano system pochłaniający CO₂, a obok niego urządzenie do oddzielania dwutlenku węgla, który jest następnie magazynowany w małym zbiorniku wypełnionym absorbentem.

Toyota GR Yaris spala wodór zamiast benzyny

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 żywiołowo reaguje na pedał gazu.

– 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 Corolla Cross z silnikiem 1.6 turbo/261 KM na wodór zamiast benzyny

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 nawet w 40-letnich samochodach zamierza montować silnik benzynowy na wodór

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.

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.

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

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.