Bosch przekształca silnik V6 na benzynie w silnik napędzany wodorem o mocy ponad 650 KM, który przez wydech wypuszcza jedynie wodę.

Elektryfikacja dominuje w rozwoju samochodów, ale wodór otwiera również nowe możliwości dla silników spalinowych. Bosch właśnie to udowodnił dzięki jednemu z najambitniejszych projektów realizowanych do tej pory: przekształceniu silnika V6 biturbo na benzynę w silnik napędzany wodorem, zdolnego do wytworzenia 653 KM (480 kW), bez konieczności tworzenia zupełnie nowego projektu.

Rezultatem jest Ligier JS2 RH2 – prototyp wyścigowy opracowany wspólnie przez Bosch Engineering, Ligier Automotive i Maserati, stworzony w celu sprawdzenia potencjału wodoru jako paliwa w zastosowaniach o wysokich osiągach.

Silnik Maserati przekształcony na wodór

Sercem projektu jest dobrze znany Maserati Nettuno – silnik V6 z dwoma turbosprężarkami o pojemności 3,0 litra, który znajduje się w modelach tej włoskiej marki. Zamiast projektować silnik od zera, inżynierowie wykorzystali tę konstrukcję jako podstawę, aby pokazać, że obecne silniki mogą być dostosowane do alternatywnych paliw, zachowując większość swojej architektury.

Po transformacji silnik osiąga moc 480 kW (653 KM) oraz maksymalny moment obrotowy 880 Nm, co jest charakterystyczne dla nowoczesnego superauto. Ponadto prototyp przejechał już ponad 8.000 kilometrów na torze, który należy do najtrudniejszych środowisk do weryfikacji każdej technologii napędowej.

Silniki spalania wewnętrznego na wodór (nie mylić z ogniwami paliwowymi, które wytwarzają jedynie wodę) spalają H2 zmieszany z powietrzem w tradycyjnym silniku cieplnym, a przez wydech uwalniają głównie parę wodną (H2O) oraz tlenki azotu (NOx). To najważniejszy zanieczyszczenie w tego typu silnikach i faktycznie wymaga systemów redukcji NOx podobnych do tych stosowanych w silnikach diesla (lub mieszanki ubogiej/EGR w celu ich kontrolowania).

W bardzo małych ilościach mogą występować śladowe ilości CO2, CO oraz węglowodorów (HC) pochodzących z oleju smarowego, który ulega częściowemu spaleniu w cylindrze. Są to ilości znikome w porównaniu z silnikiem benzynowym lub diesla. Ponadto, z tego samego powodu, mogą znajdować się pozostałości cząstek.

Znaczna część oryginalnego silnika pozostaje nienaruszona

Jednym z najważniejszych aspektów tego projektu jest to, że liczne komponenty oryginalnego silnika pozostają bez znaczących zmian.

Tłok, ogólna architektura bloku oraz turbosprężarki nadal pochodzą z modelu Maserati Nettuno. Ta decyzja pokazuje, że przejście na silniki napędzane wodorem może wykorzystać znaczną część istniejącej wiedzy przemysłowej i technologii.

Niemniej jednak adaptacja wymagała istotnych modyfikacji w systemach bezpośrednio związanych z spalaniem.

Bosch Engineering przeprojektował tłoki, opracował nowy system zapłonu, specjalną elektroniczną kontrolę oraz zupełnie inny system zasilania, aby sprostać specyfice wodoru.

Bezpośrednia iniekcja wodoru w celu maksymalizacji wydajności

Największa różnica w porównaniu z silnikiem benzynowym dotyczy systemu zaopatrywania w paliwo.

Prototyp wykorzystuje technologię bezpośredniej iniekcji wodoru dzięki nowym wtryskiwaczom Bosch HIDI LCV, opracowanym specjalnie do tego typu zastosowań.

Dzięki bezpośredniej i bardzo precyzyjnej iniekcji wodoru do komory spalania system poprawia stabilność procesu, zwiększa wydajność silnika oraz przyczynia się do zmniejszenia emisji, szczególnie tlenków azotu, dzięki znacznie dokładniejszemu kontrolowaniu procesu spalania.

Wyzwanie techniczne powyżej 7.000 obrotów na minutę

Przystosowanie silnika wyścigowego do pracy na wodórze wymaga rozwiązania zupełnie innych problemów niż w przypadku konwencjonalnego silnika.

Jednym z głównych wyzwań było zapewnienie stabilnego spalania, gdy silnik osiąga ponad 7.000 obrotów na minutę, unikając zjawisk takich jak przedwczesne zapłony, które mogą wpłynąć negatywnie zarówno na wydajność, jak i niezawodność.

Aby to osiągnąć, Bosch optymalizował strategię wtrysku paliwa, zarządzanie mieszanką oraz elektroniczną kontrolę silnika, dzięki czemu uzyskano stabilną pracę nawet przy wysokich obciążeniach typowych dla pojazdów wyścigowych.

Transformacja nie ogranicza się tylko do silnika

Ligier JS2 RH2 posiada specjalny system przechowywania składający się z trzech zbiorników z włókna węglowego, zdolnych do przechowywania wodoru przy ciśnieniu 700 barów.

Jeden z zbiorników znajduje się za kabiną, a dwa pozostałe są zintegrowane z bokami pojazdu w celu optymalizacji rozkładu masy i lepszego wykorzystania dostępnej przestrzeni.

Cały układ jest monitorowany przez Hydrogen Storage Control Unit (HSCU) – elektroniczną jednostkę opracowaną przez Bosch, która stale kontroluje takie parametry jak ciśnienie, temperatura oraz stan systemu.

W przypadku wykrycia jakiejkolwiek anomalii centrala może aktywować różne poziomy ochrony – od prostych ostrzeżeń kierowcy po izolację określonych obwodów lub całkowite odłączenie systemu. Ponadto pojazd wyposażony jest w specjalne czujniki do wykrywania możliwych wycieków, kanały wentylacyjne oraz liczne środki bezpieczeństwa mające na celu zapobieganie gromadzeniu się wodoru.

Zawody jako laboratorium dla drogi

Mimo że Ligier JS2 RH2 został zaprojektowany jako pojazd wyścigowy, Bosch uważa, że technologie opracowane w ramach tego projektu będą mogły zostać później zastosowane w pojazdach seryjnych.

Wyścigi wytrzymałościowe stanowią jedne z najtrudniejszych testów służących do weryfikacji rozwiązań związanych z wtryskiem paliwa, zarządzaniem elektronicznym, przechowywaniem wodoru oraz systemami bezpieczeństwa.

To rozwiązanie wpisuje się również w strategię multitechnologiczną Bosch, która polega na łączeniu różnych rozwiązań w celu dekarbonizacji transportu. Obok silników spalinowych zasilanych wodorem firma pracuje także nad systemami ogniw paliwowych dla pojazdów ciężarowych, technologiami elektrolizy oraz rozwiązaniami dla całego łańcucha wartości wodoru.

Dzięki temu prototypowi Bosch pokazuje, że silniki spalinowe wciąż mają możliwości dalszego rozwoju. Przystosowanie istniejących mechanizmów do pracy z wodorem umożliwia wykorzystanie dziesięcioleci rozwoju przemysłowego oraz dostarczenie alternatywy o wysokich osiągach, która oferuje duży potencjał redukcji emisji, nie rezygnując przy tym z cech charakterystycznych dla silników cieplnych.