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社长专栏 丰田访谈 赛事活动 专题报道
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社长专栏 丰田访谈 赛事活动 专题报道
富士24小时耐力赛的准备知识 第一集 氢燃料发动机与汽油发动机的区别

目录

选用和GR YARiS一样的发动机!?
氢燃料发动机带来的三个故事
正因MIRAI才能成功
经过GR YARiS的历练,发动机即便再热也能承受……
赛车不应该注重轻量化吗?
工程师们的想法

4月22日,丰田宣布他们正致力于开发基本不排放CO2的内燃机——“氢燃料发动机”的技术。同时,搭载了该发动机的COROLLA Sports也将参加于一个月后(5月21日~23日)举办的赛车比赛。

他们准备参加的是24小时耐力赛。这种就连技术成熟的汽油发动机汽车也会频发中途退赛情况的残酷竞争,为什么丰田要突然对其进行挑战呢?

谈及理由,丰田章男社长在22日举行的记者会上这样说:

丰田社长 我想挑战可能蕴藏着赛车运动未来的氢燃料发动机。 那么为什么要挑战24小时耐力赛呢?因为氢燃料发动机只能坚持三五个小时是不够的,必须达到可维持跑完24小时的水准。 而且,参加比赛的车手之一就是我自己。因为一提到氢能,很多国民都有“会爆炸”的印象,所以为了证明氢燃料的安全性,我也想作为车手参与其中。

组装好赛车并让它第一次行驶起来,这叫“shakedown”。事实上,这款“搭载氢燃料发动机的COROLLA”,是在4月24日,也就是距离比赛正式开始还有不到一个月的时间时进行的shakedown。可以看得出其开发过程真可谓是紧锣密鼓。

在经过数次赛道行驶测试后,决定选用搭载氢燃料发动机的COROLLA参加正式比赛。

如果把氢燃料发动机进行实用化处理,“只要稍加改良”不就能实现CO2的零排放了吗?

从这个角度考虑,24小时耐久比赛可能是迈向实现碳中和的“非常大的一步”。

为了让尽可能多的人更好地“一边享受”一边关注这具有历史性的24小时耐力赛,Toyota Times将测试现场的采访内容整合成了一份“24小时耐力赛的准备知识”,以此传达相关信息。

准备知识共分4集,第1集是“作为汽车,这次有什么不同?”

选用和GR YARiS一样的发动机!?

这次参加比赛的车辆是COROLLA Sports。与之前在ROOKIE Racing上MORIZO驾驶过的GR YARiS相比,车身大了一圈。

不过,据该项目负责人,也就是GR项目推进部的伊东直昭主管和坂本尚之组长所说,“这次的参赛车辆搭载了GR YARiS的4WD系统”,甚至“发动机也用了GR YARiS的”。

发动机不是要选用氢燃料发动机吗?那么“用了GR YARiS的发动机”又是怎么回事呢?这些疑问涌上心头,于是进一步进行了详细了解……

伊东主管 这次搭载的氢燃料发动机,其“发动机本身”和以前一样。此次活动的理念是“尽可能利用现有的内燃机技术,将发动机氢燃料化”。如果能够做到这一点,那么就可以实现现有汽车发动机的氢燃料化,这也将成为实现碳中和的有力武器。 刚才提到用了GR YARiS的发动机,其实这里表述有点不严谨,与其说是“用了”,不如说是“为了能够用而努力改良过”。

摄影:三桥仁明/N-RAK PHOTO AGENCY

氢燃料燃点比汽油高。在同样的发动机中,为了稳定燃烧氢燃料,需要付出哪些的努力呢?

伊东主管 为了实现碳中和,不仅需要新造汽车,还需要运用现有的汽车和技术。为此,我们尽可能通过“细微的零件变更”和“控制技术”来实现。 虽然这项工作从几年前就开始了,但其实并不是简单就能完成的。最初,我们挑战的是“50%汽油、50%氢能”的Bi-Fuel。2016年,MORIZO先生曾经试驾过这辆车。 之后,我们挑战了100%的氢能,但是一开始仅5分钟发动机就坏了。想起那个时候,能挑战24小时耐力赛简直是天方夜谭。

那么,为什么这次会挑战24小时耐力赛呢?询问之后我们才知道,这其中有“三大要素”。

氢燃料发动机带来的三个故事

第一个故事是关于喷射器的技术革新。

在发动机中,喷射器是喷射燃料的装置。在汽油发动机中,将液体汽油变成微粒喷射到发动机内。

这次的氢燃料发动机的燃料是“气体”。经过不断努力,团队终于找到了能够高效、稳定地燃烧氢气的喷射技术。

负责这项技术的是一直从事喷射器开发的DENSO。从还没有像现在这样频繁听到碳中和这个词的时候开始,DENSO的工程师们就一直在进行相关研发。

伊东主管对各位至今为止的努力表示了感谢,他说:“多亏了DENSO的各位,即使不断发生故障,各位也没有放弃,而是共同克服困难、不断挑战。”

DENSO的喷射器与丰田公司的直喷发动机技术相结合,使得一直以来难以控制的燃烧温度变得稳定,挑战24小时耐力赛不再是一个虚无缥缈的梦。

正因MIRAI才能成功

第二个是“搭载氢燃料的技术”。关于这一点,伊东主管表示:“这多亏了MIRAI的储氢罐技术。”

这项技术可以安全地将高压储氢罐安装在车上作为燃料来源……继初代、二代MIRAI的进化,丰田内部也在不断进步。

MIRAI是利用氢气和氧气反应产生的电力作为动力源,与燃烧氢气的氢燃料发动机相比,虽然氢气的使用方法有所不同,但搭载的技术却原封不动地发挥了作用。

实际上,从此次参赛车辆来看,后排座的空间里,密密麻麻地码放了4个储氢罐。

MIRAI搭载了大、中、小共计3个尺寸不同的储氢罐,而此次参赛车辆搭载了4个储氢罐。其中2个储氢罐直接使用MIRAI搭载的中号,另外2个选用将中号储氢罐改良成稍短些的型号。容量方面,MIRAI为141升,此次参赛车则为180升。为了一次加氢能行驶更长的距离,在车里放入了尽可能多的储氢罐。

已经上市的MIRAI其储氢罐,在研发过程中为了确保安全性,需要通过碰撞测试。但事实上“赛道”与“街道”的行驶环境大相径庭。

在比赛的时候,赛车可以以最大马力行驶。这种状态下,储氢罐的温度会逐渐下降。

而在一般车辆的研发过程中,虽然也需要通过各种严苛环境的测试,但比起24小时耐力赛的磨炼来讲,还是相形见绌。担任研发MIRAI等氢燃料电池车(FCEV)的工程师们也感叹道:“参加24小时耐力赛对于我们来说是一个全新领域的挑战”。

另外,在比赛中必须提前预见到发生“高速撞击”等意外情形。即便不是本车发生撞击,也有可能遇到在其他车辆碰撞时,飞来碎片的情况。所以在参赛前必须做好完善的准备。

针对以上预想事故,工程师们在研发阶段进行了Penetration Test实验。

实验内容是假设一个尖锐的物体,高速撞击车身。如视频中所见,一个“类似子弹的物体”被发射出来,打到储氢罐上。以这种方式测试其安全性。

重400g的试验用尖锐物体以时速250千米的速度撞击MIRAI所用的储氢罐。

仔细观察车辆可以发现,实验前储氢罐被施以了保护措施。在码放储氢罐的位置,周围加了一圈保护用碳板。看来在实验前他们充分考虑到了物理安全保护措施。

拍摄:三桥仁明/N-RAK PHOTO AGENCY

不过也正因为设置了这些碳板,使后视镜失去了作用,驾驶员无法掌握车后方情况。虽然这种情况在职业车手中比较常见,但本次驾驶车辆的是非职业车手MORIZO(业界称之为绅士车手)。

我们进一步了解后得知,虽然进行实验的车辆没有装备,但后期会加装一个摄像头,这样车手就可以通过显示器确认车后方情况。

经过GR YARiS的历练,发动机即便再热也能承受……

第三点,让我们来讲一讲有关发动机的故事吧。

GR YARiS本来就是为了在赛车运动中取胜而开发的车型。

一直以来丰田的做法都是“将市场上已有车型进行改造,然后参加赛车运动”。但以重返WRC为契机,丰田社长却改变了这一惯例。

他提议研发一辆专门参加赛车运动的车型,然后把这个车型改造成让消费者们也能够驾驶的量产车。这就是GR YARiS诞生的由来。

而且,GR YARiS在生产、销售后,依然参加耐力赛等赛事,反复经历“损坏后修理”的磨炼,日渐精进。这就是“如今”丰田的造车方式。

GR YARiS的发动机是为了“参赛”而制造的,因此有着耐高温、耐高压、转速高的优势。正因为有了这些技术在前,这次在面对研发氢燃料发动机挑战时才可谓是如虎添翼。

听到这里,笔者觉得从参加WRC到氢燃料发动机的研发,丰田开展的各项业务,仿佛都通过某种纽带,串联在了一起。

赛车不应该注重轻量化吗?

这次使用氢燃料发动机的COROLLA车型,与其他参赛车辆相比,明显不同的就是后排座塞满了储氢罐这一特点。这4个储氢罐重量合计超过了100kg。在比赛中,车身重的车辆明显是处于不利位置的。

一般赛车为了提高车速与降低油耗,都会尽量对车型做轻量化处理。如果将赛车分解后你会发现,去除舒适装备后的赛车,就只剩下车身框架了。

这次的氢燃料车也是卸下了所有不必要的零件,但却特意安装了很多平时不常看到的测量仪表。我认为这些仪表恰恰解释了丰田本次参赛的目的。

因为赛道上可以体验到普通街道与测试路线上无法获得的“严酷环境”下的数据。在研发新技术时并不确定今后会面对什么样的挑战,所以必须积极面对这些问题,更多地测跑,收集测试数据。

为了使排除万难终于要登上大舞台的氢燃料发动机技术,成为可以为社会做出贡献的技术,丰田决定将参加24小时耐力赛,并将这当做一个宝贵的实验机会。

在4月22日的记者会上,该项目的总负责人佐藤President这样说道:

佐藤President 赛车运动相关研发的时间轴,确实有着压倒性的速度呀。在赛车的研发过程中,并不是去探寻不损坏的界限,而是追求“损坏殆尽”时的极限。 在这样的研发概念中,要融合一项未来的新技术本就不容易。更何况氢燃料所面对的难题还很多,这绝非易事。 为了早日实现技术融合,在制定计划初期的时候,我会让自己先沉淀下来,努力应对各种难题。因为丰田社长曾经说过“如果不这样做,未来就不会靠近”。

工程师们的想法

在实验测试的最后一次会议上,负责氢燃料发动机COROLLA车型研发的坂本组长,对参与测试的成员们表示了感谢。

坂本组长 这辆车能够在极短的时间内完成研发,迎来测试,全要归功于众多工作人员们的努力。因为大家对氢燃料发动机存在的意义产生了共鸣,所以才能众擎易举,埋头苦干。 我自己也是在担任这辆车型的研发工作后才逐渐感觉到,这并不是在简单地制造一辆氢燃料汽车,而是在创造未来。 其实对这辆车的实验测试,变相等同于对未来的课题精练。所幸到目前为止,我们的研发都很顺利,车型也进入正常驾驶阶段。这一切都是大家众志成城、步调一致的成果。 我觉得如果相关研发工作人员,大家都有同一个梦想、同一个目标,那么这份工作就会使人感到幸福。我会怀着感激之情面对这份工作,并与大家团结一心努力完成。

拍摄:三桥仁明/N-RAK PHOTO AGENCY

在24小时耐力赛中意外发生是不可避免的。尽管如此,他们还是怀着“一定要跑完24小时全程……”、“即使是多1米也好,快1秒也好,依然还是想要继续跑下去……”、“希望能够为了未来的研发,收集更多的数据……”这样的心情,努力克服困难。他们并不是单纯的在制造氢燃料发动机,而是在勇敢地面对来自未来的挑战。

在下期报道中,我们会主要从车手的体感印象出发,为大家进一步介绍氢燃料发动机车型。