ลองครั้งแรกในญี่ปุ่น ทดสอบ TOYOTA COROLLA CROSS เครื่องยนต์สามสูบ เชื้อเพลิงไฮโดรเจน!

ในขณะที่เทคโนโลยีเครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจนยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา แนวคิดและการทดลองดังกล่าวได้เริ่มต้นขึ้นในปี 2560 แต่ปัจจุบัน รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ยังไม่พร้อมสำหรับการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตาม Corolla Cross เครื่องยนต์สามสูบเชื้อเพลิงไฮโดรเจนของ GR Yaris ซึ่งเป็นรถทดลองขับของ Toyota ที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้น ได้ส่งมอบสมรรถนะในด้านอัตราเร่ง และการตอบสนองของระบบเผาไหม้ที่แทบจะไม่แตกต่างไปจากการใช้เชื้อเพลิงเบนซิน แต่สิ่งที่แตกต่างก็คือ มลพิษเกือบเป็นศูนย์จากการปล่อย Nox ออกมาเพียงแค่นิดเดียวเท่านั้น เครื่องยนต์สามสูบ เทอร์โบ ของ GR Yaris แต่ดัดแปลงให้ขับเคลื่อนล้อหน้าแต่เพียงอย่างเดียว มีกำลังสูงสุด 272 แรงม้า ที่ 6,500 รอบต่อนาที แรงบิดสูงสุด 370 นิวตันเมตร ที่ 3,000-4,600 รอบต่อนาที แต่เครื่องยนต์ไฮโดรเจนที่ติดตั้งในรถแข่ง มีการจูนกำลังให้เพิ่มมากขึ้น โดยสร้างกำลังสูงสุด 304 แรงม้า ที่ 6,500 รอบต่อนาที และแรงบิดสูงสุด 400 นิวตันเมตร 3,250-4,600 รอบต่อนาที ถังไฮโดรเจนแรงดันสูง ติดตั้งอยู่หลังล้อหลังและหน้าเบาะหลัง จำนวนสองถัง มีความจุ 5.5 กก. มีแรงดันสูง 70MPa เท่ากับ Mirai สำหรับเป้าหมายในการพัฒนาก็คือ ก๊าซไฮโดรเจนหนัก 5 กิโลกรัม จะต้องวิ่งได้ระยะทาง 400 กิโลเมตร! 

GR Yaris รุ่นทดลองที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน และ Corolla Sport / Corolla Cross ทั้งสามคัน วางเครื่องยนต์ G16E-GTS ความจุ 1.6 ลิตร แบบ 3 สูบแถวเรียง อัดอากาศด้วยเทอร์โบชาร์จ ซึ่งเป็นขุมกำลังของ GR Yaris แต่มีการดัดแปลงระบบจ่ายเชื้อเพลิงและระบบหัวฉีด สำหรับรองรับการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

Corolla Sport รุ่นทดลองที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนได้เข้าแข่งขันในรายการ Super Taikyu race series ที่ประเทศญี่ปุ่นตั้งแต่เดือนพฤษภาคมปีนี้ ภายใต้การควบคุมของ ROOKIE Racing ของ Toyota GAZOO Racing ซึ่งทีมงานได้ทำการทดสอบเครื่องยนต์เผาไหม้ไฮโดรเจนแบบทดลองภายใต้สภาวะที่รุนแรง สภาพแวดล้อมของมอเตอร์สปอร์ต ก่อนจะส่งถ่ายเทคโนโลยีดังกล่าวมายัง Corolla Cross รถครอสโอเวอร์รุ่นขายดีที่มีจำหน่ายในประเทศไทย 

“เราได้เริ่มก้าวแรก เพื่อการแข่งขันและพัฒนาเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน โดยมีแนวคิดในการรับมือกับความท้าทาย ผมคิดว่าสิ่งต่างๆ จะดูแตกต่างออกไปเล็กน้อยในอีก 10 ปีนับจากนี้ และหวังว่า ผู้คนจะมองย้อนกลับไปและเห็นว่า Toyota รับมือกับความท้าทายนี้อย่างไร ด้วยการมองโลกในแง่ดีและสนุกกับทุกช่วงเวลาของการเปลี่ยนแปลง”

Akio Toyoda ประธานบริษัท Toyota Motor Corporation กล่าว

วงจร HICE ที่เผาไหม้ด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจน มันสร้างพลังงานในรูปของแรงบิด ผ่านการเผาไหม้ไฮโดรเจนแทนน้ำมันเบนซิน แตกต่างจากระบบเซลล์เชื้อเพลิงใน Toyota Mirai โดยไม่ต้องอาศัยปฏิกิริยาเคมีที่สร้างกระแสไฟฟ้าเพื่อให้พลังงานแก่มอเตอร์ขับเคลื่อน แต่จะเผาไหม้ไฮโดรเจนโดยตรงเป็นเชื้อเพลิง เหมือนกับเครื่องยนต์เบนซินทั่วไป โดยมีข้อยกเว้นบางจุดก็คือ การเผาไหม้ของน้ำมันเครื่องในปริมาณเล็กน้อยระหว่างการขับเคลื่อน เครื่องยนต์ไฮโดรเจนจะปล่อย CO2 เป็นศูนย์เมื่อใช้งาน เนื่องจากพวกมันเผาไหม้ไฮโดรเจนในขณะที่รับออกซิเจนในอากาศ เช่นเดียวกับในกรณีของเครื่องยนต์เบนซิน จะมีการสร้าง NOx จำนวนหนึ่ง แต่โดยทั่วไปแล้ว เป็นเครื่องยนต์ที่สะอาดกว่าทั้ง HEV และ PHEV อย่างชัดเจน 

ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่มีช่วงความสามารถในการติดไฟกว้างเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่นๆ เป็นผลให้สามารถเผาไหม้ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ด้วยอัตราส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศที่หลากหลาย ข้อดีก็คือ สามารถใช้กับส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศแบบลีนได้ ส่วนผสมดังกล่าว เป็นส่วนผสมที่มีปริมาณเชื้อเพลิงน้อยกว่าปริมาณในอุดมคติทางทฤษฎี ปริมาณสัมพันธ์ หรือสารเคมีในอุดมคติที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้ ด้วยปริมาณอากาศที่กำหนด ทำให้ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น และปฏิกิริยาการเผาไหม้ก็สมบูรณ์มากขึ้น นอกจากนี้ อุณหภูมิการเผาไหม้มักจะต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดปริมาณมลพิษ (ไนโตรเจนออกไซด์ NOx) ที่ปล่อยออกมาทางไอเสีย สำหรับมาตรฐานการปล่อยมลพิษของยุโรป วัดการปล่อยก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรคาร์บอน ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่มีเทน ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) อนุภาคในชั้นบรรยากาศ 

แม้ว่า NOx จะถูกปลดปล่อยออกมาบ้าง แต่การเผาไหม้ภายในด้วยไฮโดรเจนจะสร้างการปล่อย CO, CO2, SO2, HC หรือ PM เพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย การหล่อลื่นเพียงเล็กน้อยสามารถเข้าไปในห้องเผาไหม้ได้ น้ำมันบางชนิด มีส่วนร่วมในกระบวนการเผาไหม้ ก๊าซไอเสียอาจมีน้ำมันหล่อลื่นและผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้บางส่วนที่ปล่อยออกมา โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณ CO, CO2, SO2, HC และอนุภาคขนาดเล็กมาก สามารถพบได้ในก๊าซไอเสีย สิ่งเหล่านี้มีลำดับความสำคัญต่ำกว่าที่พบในก๊าซไอเสียดิบของเครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซล การเผาไหม้ของไฮโดรเจนไม่ได้หมายความถึงการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ แต่มีการปล่อย CO2 เป็นศูนย์ จึงเป็นเรื่องน่าสนใจ ที่จะพิจารณาเครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบส่งกำลังแบบไฮบริด ในการกำหนดค่านี้ รถยนต์สามารถนำเสนอความสามารถในการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ในระยะสั้น เช่น การทำงานในเขตปลอดมลพิษในเมือง

ความแตกต่างระหว่างเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน HICE กับเครื่องยนต์เบนซินแบบดั้งเดิม ICE ได้แก่ วาล์วและบ่าวาล์วแบบชุบแข็ง ก้านสูบที่ต้องแข็งแรงกว่า หัวเทียนที่ไม่ใช่แพลตตินั่ม คอยล์จุดระเบิดแรงดันสูง หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ สำหรับแก๊สแทนที่จะเป็นของเหลว แดมเปอร์เพลาข้อเหวี่ยงขนาดใหญ่ขึ้น วัสดุปะเก็นฝาสูบที่แข็งแรงขึ้น, ท่อร่วมไอดีที่ดัดแปลงใหม่ (สำหรับซุปเปอร์ชาร์จเจอร์), ซุปเปอร์ชาร์จเจอร์แรงดันบวก และน้ำมันเครื่องที่มีอุณหภูมิการทำงานสูง การปรับเปลี่ยนทั้งหมดจะมีมูลค่าประมาณ 1.5 เท่า (1.5) ของราคาปัจจุบันของเครื่องยนต์เบนซิน เครื่องยนต์ไฮโดรเจนเหล่านี้เผาผลาญเชื้อเพลิงในลักษณะเดียวกับเครื่องยนต์เบนซิน

กำลังสูงสุดตามทฤษฎีจากเครื่องยนต์ไฮโดรเจน ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิง และวิธีการฉีดเชื้อเพลิงที่ใช้ อัตราส่วนปริมาณอากาศ/เชื้อเพลิงสำหรับไฮโดรเจนคือ 34:1 ที่อัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงนี้ ไฮโดรเจนจะแทนที่ 29% ของห้องเผาไหม้ เหลือเพียง 71% สำหรับอากาศ เป็นผลให้ปริมาณพลังงานของส่วนผสมนี้ จะน้อยกว่าที่ควรจะเป็น หากเชื้อเพลิงเป็นน้ำมันเบนซิน เนื่องจากทั้งวิธี การฉีดแบบพอร์ตผสมเชื้อเพลิงและอากาศก่อนที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้จำกัดกำลังสูงสุดตามทฤษฎีที่ทำได้ไว้ที่ประมาณ 85% ของเครื่องยนต์เบนซิน สำหรับระบบฉีดตรง ซึ่งผสมเชื้อเพลิงกับอากาศหลังจากวาล์วไอดีปิด (และทำให้ห้องเผาไหม้มีอากาศ 100%) กำลังสูงสุดของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน อาจสูงกว่าเครื่องยนต์เบนซินประมาณ 15%

ดังนั้น มันขึ้นอยู่กับวิธีการสูบจ่ายเชื้อเพลิง กำลังสูงสุดสำหรับเครื่องยนต์ไฮโดรเจนอาจสูงกว่าน้ำมันเบนซิน 15% หรือน้อยกว่าน้ำมันเบนซิน 15% หากใช้อัตราส่วนปริมาณอากาศ/เชื้อเพลิงได้ถูกต้องหรือผิดพลาด อย่างไรก็ตาม ที่อัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงแบบปริมาณสัมพันธ์ ซึ่งช่วยทำให้เครื่องยนต์ไฮโดรเจนมีกำลังมากกว่าน้ำมันเบนซิน 15% อุณหภูมิการเผาไหม้จะสูงมาก ส่งผลให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) จำนวนมาก ซึ่งเป็นสารก่อมลพิษตามเกณฑ์ เนื่องจากเหตุผลประการสำคัญในการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงก็คือ การปล่อยไอเสียต่ำ เครื่องยนต์ไฮโดรเจนจึงไม่ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานที่อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงที่ปริมาณสัมพันธ์

โดยทั่วไป เครื่องยนต์ไฮโดรเจนได้รับการออกแบบให้ใช้อากาศมากเป็นสองเท่าของความต้องการทางทฤษฎี สำหรับการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ที่อัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงนี้ การก่อตัวของ NOx จะลดลงจนใกล้ศูนย์ น่าเสียดายที่สิ่งนี้ยังลดกำลังขับลงเหลือประมาณครึ่งหนึ่งของเครื่องยนต์เบนซินที่มีขนาดใกล้เคียงกัน เพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงาน เครื่องยนต์ไฮโดรเจนมักจะมีขนาดใหญ่กว่าเครื่องยนต์เบนซิน โดยติดตั้งระบบอัดอากาศเทอร์โบชาร์จเจอร์ หรือซุปเปอร์ชาร์จเจอร์ สามารถเผาไฮโดรเจนจำนวนเล็กน้อยได้นอกห้องเผาไหม้และเข้าถึงส่วนผสมของอากาศ/เชื้อเพลิงในห้องเพื่อจุดประกายการเผาไหม้หลัก เช่นในกรณีของเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบสามสูบ เชื้อเพลิงไฮโดรเจนของ Toyota Corolla Cross

ในการบรรลุความเป็นกลางของคาร์บอน Toyota ได้พยายามเสริมสร้างความพยายาม เป้าหมายเพื่อส่งเสริมการใช้ไฮโดรเจนผ่านการประชาสัมพันธ์ของ FCEV และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง รวมถึงการกลั่นกรองเทคโนโลยีเครื่องยนต์ไฮโดรเจนผ่านกีฬามอเตอร์สปอร์ต โดยมีความตั้งใจที่จะมุ่งสร้างสังคมที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนให้ดียิ่งขึ้นไปอีก.