Samochody Mazda zasilane wodorem: RX-8 Hydrogen RE, Premacy Hydrogen RE Hybrid.
1. Mazda i samochody zasilane wodorem
Osiemnaście lat badań Mazdy nad pojazdami wodorowymi
Prace rozwojowe Mazdy nad pojazdami wodorowymi trwają już od 18 lat: pierwszy prototyp HR-X został zaprezentowany na Tokyo Motor Show w 1991 r. Już wtedy ten koncepcyjny model miał silnik rotacyjny (z wirującym tłokiem) zasilany wodorem.
Mazda jest silnie zaangażowana w „rozważny” rozwój i wiele uwagi poświęca nowym źródłom energii, tak by sprostać wymaganiom mobilności stawianym przez przyszłe pokolenia i jednocześnie dbać o środowisko. Celem Mazdy jest jednak pogodzenie tych celów bez szkody dla wartości „Zoom-Zoom”: dynamiki i przyjemności z jazdy. Dlatego zdecydowano się na zasilany wodorem silnik rotacyjny. Silnik RENESIS, wykorzystujący patent Wankla, jest głęboko zakorzeniony w tradycji Mazdy i były uzasadnione powody wybrania go jako źródła napędu spełniającego nowe wymagania ekologiczne.
Prototypy pojazdów Mazda z zasilaniem wodorowym, powstałe w wyniku intensywnych prac rozwojowych, były prezentowane od początku ostatniej dekady ub. wieku, aż po pierwszy koncepcyjny samochód Mazda RX-8 Hydrogen RE przedstawiony na Tokyo Motor Show w 2003 r.
W 2004 r. na jego bazie powstał prototyp dopuszczony do jazdy po drogach publicznych. Mazda RX-8 Hydrogen RE jeździ po drogach Japonii, a od tego roku także w Norwegii. Wyposażona w układ dwupaliwowy, może być zasilana zarówno wodorem, jak i benzyną, co ułatwia codzienną eksploatację.
Od 2006 r. Mazdy RX-8 Hydrogen RE są użyczane w ramach leasingu japońskim firmom i władzom lokalnym; są to pierwsze na świecie samochody osobowe z silnikiem wewnętrznego spalania zasilanym wodorem. To unikalne przedsięwzięcie zapewniło Mazdzie cenne doświadczenie do przyszłego rozwoju jej pojazdów wodorowych.
Ta wiedza zostanie wkrótce użyta do ekspansji wodorowych technologii środowiskowych Mazdy poza Japonię. W 2007 r. Mazda podpisała porozumienie o udostępnieniu RX-8 Hydrogen RE dla HyNor, narodowego projektu zmierzającego do utworzenia infrastruktury paliwa wodorowego w Norwegii. W 2008 r. pierwszy RX-8 Hydrogen RE został dostarczony do HyNor w celu wstępnej ewaluacji. W tym samym roku Mazda uzyskała zezwolenie rządu japońskiego na próby drogowe nowej Premacy (w Europie ten model nazywa się Mazda5) Hydrogen RE Hybrid.
Sprzedaż tego pojazdu w Japonii rozpoczęła się w 2009 r., trwają też stałe dostawy RX-8 Hydrogen RE do HyNor w Norwegii.
2. Spalanie wodoru: jak to działa?
Wodór: czyste i odnawialne paliwo
Wodór jest jednym z najpowszechniej dostępnych paliw: tworzy 75% materii wszechświata. Można go znaleźć w ogromnych ilościach w gwiazdach i wielkich planetach gazowych.
Na Ziemi jednak rzadko występuje w stanie wolnym: na skutek małej masy jest słabo utrzymywany przez siły grawitacji. Występuje jednak w wodzie słodkiej i morskiej. Aby go uwolnić, potrzebna jest elektroliza wody, proces, w którym cząsteczka wody H20 jest rozbijana na dwie części. Powstaje tlen dwuatomowy (02) i wodór dwuatomowy (H2). Do elektrolizy jest potrzebny prąd, który może być wytwarzany na wiele sposobów „przyjaznych” dla środowiska (w elektrowniach wodnych, słonecznych, wiatrowych itp.).
Wodór można uzyskać także z organicznych paliw kopalnych (węgla, ropy naftowej, gazu naturalnego); jest on także produktem ubocznym wielu procesów przemysłowych (chemicznych, spawania itp.).
Spalanie wodoru następuje wg najprostszej reakcji chemicznej: dwie cząstki H2 łączą się z jedną 02 tworząc dwie cząsteczki H20 w postaci pary wodnej, wyzwalając przy tym bardzo dużą ilość energii. Przy tej reakcji powstaje bardzo mało tlenków azotu NOx, emisja CO2 (gazu „cieplarnianego”) jest zerowa.
Wodór jest znacznie bardziej palny niż benzyna. Zapala się pod wpływem niewielkiego impulsu energii, a czoło rozprzestrzenia się znacznie szybciej (ok. 265 cm/s przy mieszance stechiometrycznej, w porównaniu z 40 cm/s benzyny). Wodór ma jednak znacznie mniej energii w jednostce objętości. To paliwo jest szeroko stosowane w rakietach, łącznie z wahadłowcami kosmicznymi, i może być stosowane w silnikach wewnętrznego spalania, jak w RX-8 Hydrogen RE.
W odróżnieniu od paliw kopalnych, wodór jest częścią świetnie zrównoważonego cyklu: uwolniony z wody pod wpływem elektrolizy, po spaleniu zamienia się w parę wodną, która wraca do środowiska. Przy spalaniu paliw kopalnych, powstający CO2 przekracza ilość pochłanianą przez rośliny w naturalnym cyklu przyrody.
Spalanie wodoru nie jest jedynym sposobem na uzyskanie energii do napędzania pojazdu: może on być użyty także w ogniwie paliwowym, w którym reaguje z tlenem tworząc prąd elektryczny. Choć ogniwa paliwowe mają zalety (duża energia, zerowa emisja tlenków azotu), są także złożone i drogie w produkcji. Wymagają również całkowitej zmiany konstrukcji układu przeniesienia napędu i jego rozmieszczenia w samochodzie. Ta technologia jeszcze nie jest dopracowana do powszechnego zastosowania.
Silnik rotacyjny, idealny do paliwa wodorowego
Decyzja Mazdy o zastosowaniu silnika rotacyjnego, a nie silnika o ruchu posuwisto-zwrotnym w jej pojeździe wodorowym nie wynikała tylko z unikalnych doświadczeń firmy z tym źródłem napędu. Silnik rotacyjny jest szczególnie przydatny do spalania paliwa wodorowego.
Jak wspomniano, wodór jest łatwopalny, co może powodować problemy w komorze spalania silnika posuwisto-zwrotnego. W tradycyjnym silniku mieszanina paliwowo-powietrzna jest podawana do gorącej komory spalania, zamykanej przez bardzo gorące zawory wylotowe. Nie są to sprzyjające warunki i dlatego wodór nie jest w takim przypadku atrakcyjnym paliwem.
W silniku rotacyjnym są osobne komory dolotu, spalania i wydechu spalin. Wodór jest wtryskiwany przy niższej temperaturze i dopiero w ostatnim momencie spotyka się z wyższą temperaturą w komorze spalania.
Inną cechą charakterystyczną wodoru jest mniejsza wartość energetyczna przy spalaniu, ponieważ ma on mniejszą gęstość niż benzyna. Mała gęstość wodoru, wtryskiwanego w stanie gazowym, powoduje, że przy ilości potrzebnej spalania zająłby on 29,5% objętości komory spalania, w porównaniu z jedynie 1,7% dla benzyny. To zmniejsza ilość zasysanego powietrza, powodując niekompletne spalanie i zmniejszenie osiągów. Lepszym rozwiązaniem jest zatem bezpośredni wtrysk do komory spalania, by zapobiec temu zjawisku. Łatwiej umieścić dodatkowy wtryskiwacz w komorze dolotowej silnika rotacyjnego niż z boku wąskiej głowicy cylindrów tradycyjnego silnika.
Silnik rotacyjny jest także korzystniejszy niż tradycyjny przy tworzeniu mieszanki wodorowo-powietrznej ze względu na dłuższy cykl pracy. Powstaje bardziej jednorodna mieszanka, która lepiej się spala.
3. Mazda RX-8 Hydrogen RE
Od prototypu na drogę w ciągu zaledwie 2,5 roku
Silnik rotacyjny RENESIS, zdobywca czterech nagród „International Engine of the Year” w 2003 i 2004, został użyty jako podstawa do opracowania silnika wodorowego Mazdy. Na salonie w Tokio w październiku 2003 r. Mazda przedstawiła pierwszy prototyp silnika wodorowego RENESIS, który już wtedy był przystosowany do spalania zarówno wodoru, jak i benzyny. Wtryskiwacze benzyny były umieszczone w kolektorach dolotowych, tak jak w normalnym silniku RENESIS, dodano po dwa wtryskiwacze wodoru na wirnik. Założono, że ta całkowicie nowa technologia wejdzie na rynek w ciągu trzech lat.
W 2004 r. prototypowa Mazda RX-8 Hydrogen RE uzyskała zezwolenie japońskiego ministerstwa infrastruktury i transportu na rozpoczęcie prób na drogach publicznych. Po uzyskaniu właściwych autoryzacji RX-8 Hydrogen RE przeszedł liczne badania, dzięki którym poznano osiągi samochodu, co umożliwiło udostępnienie go instytucjom rządowym i firmom.
W marcu 2006 r. pierwszy klient flotowy otrzymał Mazdy RX-8 Hydrogen RE.
Mazda RX-8 Hydrogen RE: zoptymalizowana tak, by jak najmniej szkodzić środowisku
Poza swoim oznakowaniem, RX-8 Hydrogen RE jest dokładnie taki sam jak tradycyjny RX-8. Łatwo przeoczyć, że pojazd został zmodyfikowany tak, by zmniejszyć szkodliwe emisje do minimum na każdym etapie „życia”.
Silnik wodorowy RENESIS został wyposażony w układ recyrkulacji spalin, umożliwiający połączenie wysokich osiągów i zmniejszenie emisji NOx przy spalaniu wodoru.
Mazda RX-8 Hydrogen RE: zaprojektowana dla przyjemności z jazdy i lepszych osiągów
Testy na drogach publicznych pierwszego prototypu RX-8 Hydrogen w 2004 r. umożliwiły zebranie bogatych doświadczeń, które wykorzystano opracowując kolejne wersje. Ostatnia wersja HyNor różni się od poprzednika pod wieloma względami.
– Skrzynia biegów: RX-8 Hydrogen RE w Japonii został wyposażony w 4-biegową skrzynię automatyczną ze sterowaniem łopatkami przy kierownicy. Wersja użyczona do Norwegii została przystosowana do warunków europejskich, do ruchu prawostronnego, i ma 5-biegową skrzynię ręcznie sterowaną.
– Przełączanie rodzaju zasilania w czasie jazdy: przycisk na tablicy rozdzielczej umożliwia kierowcy przełączenie z wodoru na benzynę w czasie jazdy. Wskaźnik poziomu wodoru, lampka kontrolna rodzaju zasilania i lampki ostrzegawcze są umieszczone na tablicy przyrządów.
– Facelift nadwozia: wersja HyNor to RX-8 po zmianach, które objęły nową, większą atrapę wlotu powietrza, nowo zaprojektowane reflektory, przednie błotniki i tylne światła LED. Dodatkowo zmodernizowana wersja ma nowy tylny zderzak, a we wnętrzu nową konsolę centralną i koło kierownicy.
Mazda RX-8 Hydrogen RE: bezpieczeństwo bez kompromisów
Dwa zbiorniki wodoru są umieszczone w bagażniku. Paliwo jest przechowywane pod ciśnieniem ok. 350 barów (35 MPa). Dla pełnego bezpieczeństwa, umieszczono czujniki wodoru w komorze silnika, bagażniku i kabinie pasażerskiej, by wykryć każdy ewentualny wyciek gazowego wodoru.
Mazda RX-8 Hydrogen RE: zasilanie dwupaliwowe, by prowadzić spokojnie
Dopóki nie zostanie utworzona specjalna sieć stacji tankowania wodoru (obecnie istniejąca w postaci „zarodkowej”), trudno wyobrazić sobie eksploatację pojazdu zasilanego wyłącznie wodorem gdziekolwiek w Europie. Mazda RX-8 Hydrogen RE zapewnia rozwiązanie tego problemu: silnik RENESIS pracuje na benzynie lub wodorze.
Przełączenia rodzaju zasilania dokonuje się przyciskiem przy kierownicy, nawet gdy samochód jest w ruchu. Po wyczerpaniu zapasu wodoru układ automatycznie przełączy się na zasilanie benzyną. Można przełączyć także z zasilania benzyną na wodór, wciskając przycisk, gdy samochód stoi.
To dwupaliwowe zasilanie było możliwe dzięki użyciu standardowych wtryskiwaczy benzyny w kolektorach dolotowych, uzupełnionych o dwa wtryskiwacze wodoru: jeden jest umieszczony w obudowie wirnika i wtryskuje gaz bezpośrednio, dodatkowy znajduje się w kolektorze dolotowym. Układ sterujący silnika wybiera jedno lub drugie paliwo w zależności od położenia przełącznika zasilania lub poziomu wodoru w zbiorniku.
4. Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid
Osiemnastoletnie doświadczenia Mazdy z paliwami alternatywnymi osiągnęły kolejny etap po wprowadzeniu do sprzedaży nowej Premacy (Mazda5 w Europie) Hydrogen RE Hybrid w 2009. Jest to pierwszy na świecie samochód hybrydowy z silnikiem rotacyjnym, przystosowanym do spalania wodoru i benzyny. W pojeździe wykorzystano wiedzę Mazdy o wodorowych silnikach rotacyjnych i maszynach elektrycznych. Jest to „wizytówka” technologii środowiskowych i obok silnika wodorowego zawiera wiele ważnych zespołów elektrycznych: silnik elektryczny, akumulatory, elektroniczny układ sterujący.
Premacy Hydrogen RE Hybrid ma szeregowy napęd hybrydowy, w którym połączono wodorowy silnik rotacyjny Mazdy i silnik elektryczny. Moc silnika jest przetwarzana na elektryczność, którą jest zasilany silnik elektryczny napędzający koła. W układzie, obejmującym silnik rotacyjny z prądnicą, przetwornicę, silnik elektryczny i akumulatory, można użyć energii zgromadzonej w akumulatorach do zwiększenia osiągów, zależnie od warunków jazdy, co zwiększa zasięg jazdy na wodorze do 200 km oraz moc nawet o 40%, do 110 kW.
W rezultacie osiągnięto zerową emisję przy zasilaniu wodorem, a jednocześnie osiągi takie, jak w wersji benzynowej. Mimo zamontowania zbiornika z wodorem ten „zielony” pojazd ma miejsce dla 5 dorosłych osób i ich bagażu. Zastosowano w nim także wiele przyszłościowych technologii, łącznie z użyciem we wnętrzu opracowanych przez Mazdę biomateriałów pochodzenia roślinnego. Dzięki temu Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid jest idealnym samochodem wszędzie tam, gdzie zaczyna się tworzyć infrastruktura wodorowa.
Działanie układu
Rozruch
Energia z akumulatorów napędza silnik elektryczny. Moment jest przekazywany przez przekładnię do mechanizmu różnicowego, poruszając koła jezdne. Jeśli jest potrzebna dodatkowa moc, np. do nagłego przyspieszenia, włącza się silnik spalinowy.
Normalna jazda
Przy wzroście prędkości włącza się silnik spalinowy. Prądnica, połączona bezpośrednio z nim, przetwarza energię cieplną silnika na prąd i przez przetwornicę napędza silnik elektryczny.
Przyspieszanie
Gdy jest potrzebny dodatkowy moment np. przy pokonywaniu wzniesienia lub przyspieszaniu, do zwiększenia mocy jest używana energia z akumulatorów.
Hamowanie
Silnik elektryczny działa jak prądnica, przetwarzając energię hamowania na prąd i ładując akumulatory.
Na postoju
Na ogół silnik powinien się wyłączyć. Jeśli jednak akumulatory są wyczerpane, silnik będzie pracował na biegu jałowym, by je doładować.
Cechą tego układu jest bezpośrednie powiązanie ilości wytwarzanej energii elektrycznej z mocą silnika spalinowego. Ponieważ ta energia zasila silnik elektryczny, obie jednostki napędowe pracują jakby były ze sobą zsynchronizowane, zapewniając kierowcy pełne wrażenia z jazdy „Zoom-Zoom”.
Interface kierowcy
1. Przełącznik rodzaju paliwa. Przełącznik jest umieszczony po prawej stronie tablicy przyrządów. Zmiana zasilania jest sygnalizowana dźwiękiem i przez lampkę kontrolną.
2. Tablica przyrządów. Lampki ostrzegawcze układu zasilania wodorowego i hybrydowego są umieszczone w dobrze widocznym miejscu pośrodku tablicy przyrządów, na wprost kierowcy. Wskaźniki poziomu wodoru i benzyny są po prawej stronie. W czasie jazdy świeci się lampka kontrolna benzyny lub wodoru, wskazując, które paliwo jest używane.
3. Wskaźnik przepływu energii. W Mazdzie Premacy Hydrogen RE Hybrid wodorowy silnik z tłokiem wirującym jest włączany i wyłączany automatycznie i albo doładowuje akumulator, albo wymaga dodatkowej energii do wspomożenia swej pracy, w zależności od stylu jazdy. Wskaźnik przepływu energii jest umieszczony w górnej części tablicy przyrządów i mogą go obserwować wszyscy pasażerowie. Na wskaźniku jest pokazane aktualnie włączone źródło napędu oraz przepływ energii przez silnik spalinowy, prądnice, silnik elektryczny i akumulator.
Materiały pochodzenia roślinnego Mazdy
Biotworzywa sztuczne
W Mazdzie Premacy Hydrogen RE Hybrid zastosowano pokrywę przy dźwigni sterowania skrzynią biegów, dolną część tablicy przyrządów, drzwiczki schowka na tablicy oraz osłonę zbiornika wodoru wykonane z biotworzyw Mazdy.
Biotworzywa to materiał wykorzystujący surowce roślinne, neutralne z punku widzenia cyklu węgla w środowisku. Zastępując tworzywa produkowane z ropy naftowej biotworzywami, zmniejsza się zależność od ropy i bardziej różnicuje bazę surowcową. Dodatkowo, w produkcji biotworzyw, obejmującej fermentację skrobi i cukrów, zużywa się o 30% mniej energii niż w przypadku popularnych tworzyw ropopochodnych, jak polipropylen.
By można je było wykorzystać we wnętrzach samochodów, biotworzywa muszą być wystarczająco mocne, zapewniając bezpieczeństwo pasażerów i niezawodność samochodu. Muszą mieć także właściwości umożliwiające formowanie wtryskowe, by uzyskać wygląd wysokiej jakości. W porównaniu z powszechnie stosowanymi biotworzywami, te używane w pojazdach muszą mieć dużo większą udarność i wytrzymałość cieplną.
Dzięki wspólnemu programowi z udziałem władz lokalnych oraz uczelni i organizacji przemysłowych, Mazda opracowała nowy polikwas mlekowy (poliaktyd) pochodzenia roślinnego, o zmienionej strukturze molekularnej zwiększającej jego temperaturę topnienia. Dzięki użyciu tego nowego kwasu jako substancji wspomagającej krystalizację, poprawia się odporność cieplną biotworzywa i można go kształtować przez wtrysk. Mazda ulepszyła także strukturę cząsteczkową dodatkiem zwiększającym elastyczność, co poprawia zdolność biotworzywa do absorbowania i rozpraszania energii zderzenia. W porównaniu z innymi biotworzywami, np. używanymi w urządzeniach elektrycznych, tworzywa opracowane przez Mazdę są 3-krotnie bardziej wytrzymałe (udarowo) i mają o 25% większą odporność cieplną, na poziomie zbliżonym do tworzyw uzyskiwanych z przerobu ropy naftowej, stosowanych we wnętrzach pojazdów.
Biotkaniny
Cała tapicerka siedzeń i panele drzwi w Mazdzie Premacy Hydrogen RE Hybrid są wykonane z biotkanin Mazdy.
Ten materiał jest zrobiony w 100% z włókien pochodzenia roślinnego i został opracowany wspólnie z Teijin Ltd. i Teijin Fibers Ltd. Tkanina nie zawiera składników pochodzących z przetwarzania ropy naftowej, ma odpowiednio wysoką jakość i wytrzymałość do zastosowania we wnętrzach samochodów. W biotkaninach Mazdy użyto nowego polikwasu mlekowego, uzyskanego w czasie prac nad biotworzywami Mazdy, jako czynnika krystalizującego do sterowania strukturą cząsteczkową w celu uzyskania stereokompleksu. Tej technologii użyto do poprawy wytrzymałości włókna, aż tkanina uzyskała zadowalającą odporność na zużycie i starzenie w codziennym użytku na pokryciach siedzeń.
Inne właściwości kluczowe dla tego zastosowania, jak odporność na płomień, zostały uzyskane dzięki doświadczeniom Mazdy z obróbką powierzchniową zdobyte przez lata wspólnych projektów z wieloma firmami.
Wprowadzono także ulepszenia w strukturze włókna i procesie barwienia, by poprawić wrażenie w dotyku i jakość materiału. Wychodząc naprzód, Mazda planuje badania i rozwój biomateriałów produkowanych z biomasy pochodzącej z roślin niejadalnych, tak jak odpadki roślinne i tartaczne, by nie zmniejszać zasobów żywności.
5. Dodatek: historia pojazdów wodorowych Mazda
1991 – Mazda HR-X
Pierwszy pojazd z wodorowym silnikiem rotacyjnym.
1992 – wózek golfowy Mazdy
pierwszy prototyp Mazdy z ogniwem paliwowym
1993 – Mazda HR-X2
Drugi pojazd z wodorowym silnikiem rotacyjnym.
1993 – Mazda MX-5
Prototyp Mazdy MX-5 z wodorowym silnikiem rotacyjnym.
1995 – Mazda Capella Cargo
Pierwszy test pojazdu z rotacyjnym silnikiem wodorowym na drogach Japonii.
1997 – Mazda Demio FC-EV
Prototyp kompaktowego pojazdu z ogniwem paliwowym.
2001 – Mazda Premacy FC-EV
Kompaktowy minivan z ogniwem paliwowym przetwarzającym metanol. Pełne badania drogowe w Japonii.
2003 – Mazda RX-8 Hydrogen RE
Pierwszy prototyp RX-8 z rotacyjnym silnikiem wodorowym.
2004 – Mazda RX-8 Hydrogen RE
Pierwsze badania drogowe zasilanego wodorem RX-8 z układem dwupaliwowym, umożliwiającym jazdę na wodorze lub benzynie zgodnie z życzeniem kierowcy.
2005 – Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid
Mazda przedstawiła Premacy Hydrogen RE Hybrid na salonie samochodowym w Tokio. Jest to przednionapędowy minivan z dwupaliwowym silnikiem rotacyjnym (benzynowo-wodorowym), silnikiem elektrycznym i układem start-stop.
2006 Mazda RX-8 Hydrogen RE
Mazda Motor Corporation dostarcza samochody RX-8 Hydrogen RE do pierwszych klientów: po raz pierwszy na świecie udostępniono samochody osobowe z silnikami wewnętrznego spalania, które mogą używać zarówno wodoru, jak benzyny jako paliwa.
2007 Mazda RX-8 Hydrogen RE
Mazda Motor Corporation podpisuje porozumienie na dostawę RX-8 Hydrogen RE dla HyNor, narodowego projektu tworzenia infrastruktury wodorowej w Norwegii.
2008, październik: Mazda RX-8 Hydrogen RE
Mazda Motor Corporation dostarcza pojazd RX-8 Hydrogen RE dla HyNor do wstępnej oceny.
2008, czerwiec: Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid
Mazda Motor Corporation otrzymuje rządową zgodę na rozpoczęcie prób swojego „zielonego” minivana na drogach publicznych w Japonii.
2009, marzec: Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid
Mazda Motor Corporation rozpoczyna sprzedaż na zasadach komercyjnych wodorowego minivana hybrydowego.
2009 Mazda RX-8 Hydrogen RE
Mazda Motor Corporation rozpoczyna dostawy kolejnych RX-8 Hydrogen RE dla HyNor w Norwegii.
2009-07-14
