Tak Toyota ratuje silnik spalinowy! Benzyna będzie miała konkurencję

Toyota pod rękę z Suzuki, Subaru, Daihatsu i koncernem energetycznym ENEOS pracuje od pewnego czasu nad alternatywą dla tradycyjnej benzyny. W Japonii powstał ośrodek, w którym naukowcy ze stowarzyszenia Research Association of Biomass Innovation for Next Generation Automobile Fuels głowią się nad bietanolem nowej generacji. Teraz do tego towarzystwa dołącza Mazda. Czego mogą spodziewać się kierowcy?

Eksperci podkreślają, że bioetanol to odnawialne paliwo, które może być dystrybuowane w ramach istniejącej infrastruktury, na zwykłych stacjach benzynowych, a przystosowanie do niego silników spalinowych nie wymaga dużych inwestycji. Teraz potrzebny jest system, który pozwoli wytwarzać to biopaliwo na masową skalę przy zerowej emisji dwutlenku węgla. I tu na scenę wchodzi organizacja powołana przez Toyotę i spółkę…

Toyota i spółka stawia na nowe paliwo zamiast benzyny, kupisz je na zwykłej stacji

Głównym zadaniem stowarzyszenia jest opracowanie nowej technologii produkcji bioetanolu, która zapewni pojazdom spalinowym neutralność węglową i nie będzie konkurowała z produkcją żywności. Jedną z metod będzie wykorzystanie dwutlenku węgla powstającego przy produkcji bioetanolu do wytwarzania paliwa syntetycznego. Drugą użycie do produkcji biopaliwa tlenu uwalnianego przy generowaniu wodoru w elektrolizie wody. Cały system powinien tworzyć obieg zamknięty zasilany energią odnawialną.

Nowe silniki spalinowe na biopaliwo

Naukowcy zajmą się również dostosowaniem silników do biopaliwa i opracowaniem algorytmów obliczających zapotrzebowanie na surowiec roślinny, które ułatwią planowanie upraw. Same uprawy będą dostarczały surowiec do produkcji etanolu, którego produkt uboczny – dwutlenek węgla zostanie wykorzystany jako surowieć dla paliwa syntetycznego. Drugi składnik benzyny syntetycznej – wodór, będzie powstawał w elektrolizerze wody przy użyciu energii odnawialnej, a pozyskiwany tlen trafi jako surowiec do produkcji biopaliwa.

Nowe paliwo zamiast benzyny do produkcji na skalę przemysłową

Niebawem w prefekturze Fukushima zostanie uruchomione laboratorium badawcze. Tam japońscy inżynierowie zaprojektują, zainstalują i uruchomią prototypowe linie produkcyjne, a po fazie testów przygotują nową technologię do wdrożenia na skalę przemysłową. Czy wyrobią się przed 2035 rokiem, kiedy wejdzie w życie zakaz sprzedaży nowych samochodów spalinowych na paliwa kopalne (benzynę i diesla)? Mają jeszcze trochę czasu. Znacznie szybciej do produkcji ma szansę wejść silnik o zapłonie iskrowym, który dostarcza mocy ze spalania wodoru zamiast benzyny. Na czym polega ich rozwiązanie?

Toyota rozwija silnik spalinowy na wodór zamiast benzyny

Toyota Mirai II generacji dzięki zastosowaniu ogniw paliwowych jest jeżdżącą fabryką elektronów. Prąd, który 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.

Prace nad wodorowym silnikiem spalinowym rozpoczęto w 2017 roku. Znaną dziś z GR Yarisa trzycylindrową jednostkę 1.6 turbo G16E-GTS przystosowaną do spalania wodoru najpierw dostała Corolla Sport, która obecnie rywalizuje w wyścigach japońskiej serii Super Taikyu (za kierowcą zasada sam mistrz Morizo, czyli Akio Toyoda). Z kolei Corolla wykorzystuje napęd 4x4 znany z GR Yarisa. Silnik wodorowy dostała także Toyota GR Yaris H2, która debiutowała w Rajdzie Belgii.

– 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). Paliwo jest przechowywane w postaci sprężonej w zbiornikach, które debiutowały w drugiej generacji Mirai.

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

Najnowszą fazą rozwoju silnika benzynowego na wodór jest Toyota Corolla Cross H2 Concept. Pod karoserią rodzinnego SUV-a turbodoładowane 1.6 ze sportowej GR Corolli H2 produkuje 261 KM i 360 Nm momentu obrotowego. Zbiorniki wodoru także 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. Według Toyoty, firma ukończyła do tej pory około 40 proc. prac w drodze do komercjalizacji samochodów z wodorowym silnikiem spalinowym takich jak Corolla Cross H2 Concept.

Tankownie wodoru do Corolli trwa 1,5 minuty

Przy tym inżynierowie chwalą się, że regularny udział w sportach motorowych przyspiesza prace rozwojowe nad GR Corollą H2 i jej napędem. W ciągu jednego sezonu Super Taikyu Toyota zwiększyła moc jednostki wodorowej o 24 proc., a moment obrotowy o 33 proc., uzyskując osiągi na poziomie konwencjonalnego silnika benzynowego. Ponadto zasięg auta został zwiększony o około 30 proc., a czas tankowania skrócony z około 5 minut do 1,5 minuty.

W ocenie 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?

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.