Tak Toyota ratuje silnik spalinowy. Oto japońska rewolucja

Toyota Corolla 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 konsekwentnie 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 – wyjaśnił Naoki Ito, inżynier Toyoty odpowiedzialny za eksperymentalny silnik. Teraz prace Japończyków wkroczyły w nową fazę. Na czym polega ich rozwiązanie?

Większy zasięg, tankowanie szybciej niż minutę. Corolla z silnikiem na ciekły wodór

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

Doszedł także nowy zbiornik w eliptycznym kształcie, który może przyjąć więcej paliwa zajmując tyle samo miejsca co "bak" cylindryczny stosowany wcześniej. 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 na jednym tankowaniu zasięg wyniósł 135 km, o połowę więcej w porównaniu z 2023 rokiem (90 km) i ponad dwukrotnie więcej niż dwa lata wcześniej (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.

Wodór nie pójdzie w gwizdek. Toyota wykorzystuje odparowany gaz i ogranicza straty energii

Ubocznym efektem zastosowania ciekłego wodoru jest parowanie w wyniku ogrzewania tzw. boil-off gas; BOG. Czyli do tej pory odparowany wodór powstający w zbiorniku paliwa podczas jazdy ulatywał do atmosfery, a to zwiększało straty energii. Słowem para szła w gwizdek. Jednak sprytni Japończycy i na to znaleźli sposób. Podczas finałowej rundy cyklu wyścigów Super Taikyu na torze Fuji Toyota pochwaliła się nowym modelem, który wykorzystuje odparowany wodór. Mimo, że technologia jest we wstępnej fazie rozwoju, to zdaniem inżynierów poprawi ona efektywność energetyczną całego układu ciekłego wodoru poprzez odzyskiwanie i wykorzystywanie odparowanego gazu jako energii.

Nowe rozwiązanie ma ograniczyć straty energii. W pierwszej fazie BOG trafi do specjalnie zaprojektowanej sprężarki, która zwiększa ciśnienie gazu nawet czterokrotnie. To umożliwia przekształcenie odparowanego wodoru w paliwo wodorowe, służące do zasilania silnika. Efektem ubocznym sprężania BOG jest ponowne powstawanie odparowanego wodoru, który tym razem trafia do małego modułu ogniw paliwowych i służy do produkcji energii elektrycznej. Uzyskany w ten sposób prąd może zasilać m.in. silnik pompy ciekłego wodoru. Nadwyżki odparowanego wodoru, które nie zostaną wykorzystane do wytworzenia prądu, trafią do specjalnego katalizatora, gdzie zostaną przekształcone w parę wodną i automatycznie oprowadzone rurą wydechową.

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. GR Yaris H2 Concept po najnowszych modyfikacjach otrzymał również 8-biegową automatyczną skrzynię GAZOO Racing Direct.

Toyota Corolla Cross 1.6 turbo/261 KM. Silnik spala wodór zamiast benzyny

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.

Silnik benzynowy na wodór nawet w 40-letnich samochodach

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. 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 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.