مهندسی بی‌نهایت: معرفی ابرخودروی هیدروژنی تویوتا با ۸۷۱ اسب بخار بدون آلایندگی

در زمان جلوتر بروید و سال ۲۰۳۰ را تصور کنید. یک خودروی مسابقه‌ای GT3 با غرش مهیب موتور از مسیر مستقیم مولسان عبور می‌کند و صدایش تفاوتی با خودروهای بنزینی ندارد، اما سوخت مصرفی آن هیدروژن است. تویوتا می‌خواهد قدرتی نزدیک به ۸۷۰ اسب بخار را بدون قربانی‌کردن صدای هیجان‌انگیز موتور درون‌سوز ارائه کند و برای رسیدن به چنین آینده‌ای، به‌جای سلول سوختی سراغ احتراق مستقیم هیدروژن در یک موتور ۳٫۵ لیتری V6 رفته است.

به‌گزارش کارباز، موتور یادشده بخشی از پروژه‌ی مشترک H24EVO میان تویوتا و میشن H24 محسوب می‌شود و توان هدف‌گذاری‌شده‌ی آن به ۸۷۱ اسب بخار می‌رسد. تویوتا با سرمایه‌گذاری گسترده در پروژه می‌خواهد بفهمد آیا با تغییر سوخت ورودی، موتورهای درون‌سوز همچنان آینده‌ای قابل‌اتکا خواهند داشت یا خیر. پروژه‌ی H24EVO در ۲۶ سپتامبر ۲۰۲۶ اعلام شد و رونمایی رسمی آن برای اوایل سال ۲۰۲۸ برنامه‌ریزی شده است.

میشن H24 تا همین اواخر در برنامه‌ی H24EVO روی سلول‌های سوختی هیدروژنی آزمایش می‌کرد، اما سرانجام تصمیم گرفت طرح را به‌طور کامل کنار بگذارد و یک قوای محرکه‌ی واقعی با احتراق هیدروژن بسازد. کناررفتن سلول سوختی به‌معنای ناامیدی از هیدروژن نبود و فقط روش استفاده از عنصر هیدروژن تغییر کرد. خودروسازان دیگری نیز اخیرا از فناوری سلول سوختی فاصله گرفته‌اند که جنرال موتورز و پلتفرم HYDROTEC آن یکی از نمونه‌ها به‌شمار می‌روند.

در یک خودروی معمولی مجهز به سلول سوختی، هیدروژن با اکسیژن واکنش شیمیایی می‌دهد و برق تولید می‌کند. برق تولیدشده سپس موتورهای الکتریکی متصل به چرخ‌های محرک را به حرکت درمی‌آورد و تنها خروجی اگزوز بخار آب خواهد بود، بنابراین نگرانی درباره‌ی آلایندگی مستقیم خودرو عملا از میان می‌رود. حذف احتراق متعارف بنزین و بهره‌وری بیشتر نیز از مزیت‌های مهم چنین سامانه‌ای هستند.

الزامات مسابقات استقامتی شرایط را برای سلول سوختی به‌شدت تغییر می‌دهند. سامانه فقط از یک سلول تشکیل نمی‌شود و در عمل به مجموعه‌ای از سلول‌ها نیاز دارد که برای پاسخ‌گویی به مسابقه‌ی طولانی باید بزرگ‌تر شود؛ در نتیجه فضای بیشتری برای ذخیره‌ی هیدروژن نیز لازم خواهد بود. تامین حجم زیادی از هوا، خنک‌کاری بسیار کارآمد، تجهیزات الکترونیکی متعدد و سخت‌افزارهای ولتاژبالا همگی باید برای کار مداوم در شرایط پرفشار مسابقه به‌شکل گسترده‌ای بهینه شوند.

گزارش‌ها نشان می‌دهند میشن H24 به این نتیجه رسیده که سخت‌افزارهای کنونی سلول سوختی بدون افزایش بیش از اندازه‌ی وزن، توانایی تامین عملکرد موردنیاز در مسابقات استقامتی را ندارند. احتراق مستقیم هیدروژن در موتور درون‌سوز می‌تواند بخش بزرگی از چنین وزنی را حذف کند و میشن H24 نیز حداکثر وزن تقریبی H24EVO را حدود ۱۲۵۰ کیلوگرم هدف‌گذاری کرده است. هر مقدار جرم اضافه در یک خودروی مسابقه‌ای به شتاب‌گیری، عبور از پیچ‌ها، حداکثر سرعت و فشار واردشده بر تایرها لطمه می‌زند، بنابراین کاهش وزن اهمیتی حیاتی دارد.

نقش تویوتا در برنامه به تامین موتور ۳٫۵ لیتری V6 برای آزمایش مربوط می‌شود و اگر نتایج رضایت‌بخش باشند، همان موتور در مسابقه نیز به کار خواهد رفت. موفقیت میشن H24 می‌تواند دامنه‌ی طراحی موتورهای آینده را به‌طور کلی تغییر دهد و احتراق مستقیم هیدروژن را به گزینه‌ای جدی تبدیل کند. در چنین شرایطی، تویوتا در صف نخست نوآوری‌های مرتبط با موتور هیدروژنی قرار می‌گیرد.

توان ۸۷۱ اسب بخار حتی در دنیای خودروهای مسابقه‌ای GT3 نیز رقم قابل‌احترامی به‌شمار می‌رود. نمونه‌ی آزمایشی موتور ۳٫۵ لیتری تویوتا که در اختیار میشن H24 قرار می‌گیرد، همراه یک سامانه‌ی هیبریدی کار خواهد کرد. میشن H24 به‌جای آنکه ابتدا امکان کارکرد موتور درون‌سوز با هیدروژن را بررسی کند، از همان آغاز دستیابی به قدرت ۸۷۱ اسب بخار را هدف قرار داده است.

جذاب‌ترین نکته به ثابت‌ماندن احتمالی اصول بنیادی کارکرد موتور مربوط می‌شود. موتور ۳٫۵ لیتری V6 تویوتا برای مصرف هیدروژن به تغییرات بسیار گسترده نیاز ندارد و اجزای اصلی مانند سیلندرها، پیستون‌ها، میل‌لنگ و ورودی هوا حفظ خواهند شد. معماری پایه برای بیشتر مهندسان آشنا خواهد بود و حتی انتقال نیرو نیز با یک گیربکس مکانیکی استاندارد انجام می‌شود؛ در مقابل، طرح قبلی سلول سوختی به تجهیزات بسیار تخصصی زیر کاپوت نیاز داشت و احتمالا از همان ابتدا بسیاری از مهندسان سنتی را با فضایی ناآشنا روبه‌رو می‌کرد.

اتصال موتور هیدروژنی ۳٫۵ لیتری V6 به یک سامانه‌ی هیبریدی استاندارد، بخش دیگری از فناوری آشنا را وارد پروژه می‌کند. مجموعه احتمالا مانند هیبریدهای معمولی رفتار خواهد کرد و قابلیت‌هایی نظیر بازیابی انرژی را می‌توان در پیست به کار گرفت. نیروی کمکی الکتریکی همچنین اجازه می‌دهد توان نهایی از مقداری که موتور V6 به‌تنهایی احتمالا تولید می‌کند، فراتر برود.

ذخیره‌سازی یکی از معایب بزرگ هیدروژن باقی می‌ماند، حتی اگر سوخت در یک موتور درون‌سوز متعارف مصرف شود. هیدروژن موردنیاز باید به‌شکل مایع نگهداری شود، بنابراین تحت فشار قرار می‌گیرد و برای حفظ حالت مایع به سرمایش مداوم احتیاج دارد. میشن H24 مخزن‌های برودتی ساخته‌شده به‌وسیله‌ی فورویـا را برای همین هدف تامین کرده، اما مشکلات دیگری همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند.

سوخت موتورهای هیدروژنی باید در دما و فشار بسیار دقیقی تحویل داده شود و حاشیه‌ی خطای سامانه به‌مراتب کمتر از یک موتور بنزینی خواهد بود. ساخت پمپ‌های بسیار تخصصی و قطعات موردنیاز برای انتقال پرفشار سوخت، چالشی جدی برای میشن H24 ایجاد کرده است. همه‌ی تجهیزات ویژه نیز باید سبک باقی بمانند، زیرا H24EVO در نهایت یک خودروی مسابقه‌ای خواهد بود.

بهره‌وری به‌تنهایی برای پیروزی در مسابقه کافی نیست و در رقابتی مانند لمان، خودرو باید بهترین ترکیب از سازه‌ی سبک، قدرت، قابلیت اطمینان و عملکرد تکرارپذیر را ارائه دهد. هدف وزنی بسیار پایین حدود ۱۲۵۰ کیلوگرم، تقریبا هیچ فضایی برای خطا در دیگر بخش‌های طراحی H24EVO باقی نمی‌گذارد. قوای محرکه هرقدر هم کارآمد باشد، در صورت نیاز به انبوه تجهیزات پشتیبان سنگین، برتری خود را در پیست از دست خواهد داد.

تصمیم میشن H24 برای عبور مستقیم هیدروژن از یک موتور استاندارد، بسیاری از پیچیدگی‌های فناوری سلول سوختی را حذف می‌کند. تویوتا و میشن H24 در نتیجه می‌توانند بر سبک‌ترکردن موتور ۳٫۵ لیتری V6 و افزایش توانایی آن برای کار در دورهای بالا تمرکز کنند. مکانیک‌های حاضر در مسابقه نیز امکان کار روی قوای محرکه‌ای آشنا را خواهند داشت و برای تعمیر یا تنظیم آن با مجموعه‌ای کاملا بیگانه روبه‌رو نمی‌شوند.

تفاوت ویژگی‌های احتراق هیدروژن و بنزین همچنان مشکلاتی ایجاد می‌کند و موتور ناچار است با هر سوخت کمی متفاوت کار کند. هنوز مشخص نیست میشن H24 و تویوتا دقیقا چه تغییراتی در فرایند احتراق موتور ۳٫۵ لیتری V6 ایجاد خواهند کرد تا با نیازهای هیدروژن مایع سازگار شود. محصول نهایی از نظر مشخصات عملیاتی، نسخه‌ی کاملا مشابه یک موتور بنزینی نخواهد بود.

پس از حل مشکلات، البته اگر راه‌حلی برای آن‌ها پیدا شود، مرحله‌ی آزمایش واقعی H24EVO آغاز خواهد شد. میشن H24 دستیابی به حداکثر سرعت تقریبی ۳۲۰ تا ۳۳۰ کیلومتربرساعت را دنبال می‌کند و خودرو برای رقابت‌پذیری در مسیر مستقیم مولسان بی‌تردید باید به چنین سرعتی برسد. موتوری که با نهایت توان در چنین سرعتی کار می‌کند، برای تکرار ایمن و پایدار حرکت‌های طولانی به مهندسی بسیار دقیق نیاز خواهد داشت.

موفقیت H24EVO در پیست می‌تواند راه استفاده از موتورهای درون‌سوز هیدروژنی در خودروهای جاده‌ای را باز کند. چنین دستاوردی وابستگی کامل احتراق داخلی به سوخت‌های فسیلی را از میان می‌برد و با حفظ اجزای پایه‌ی یک موتور عادی، هیدروژن جای بنزین را می‌گیرد. رویکرد یادشده نیاز به توسعه‌ی پیچیده‌ی سلول سوختی را حذف می‌کند، هرچند مشکل ذخیره‌سازی هیدروژن همچنان باید به روشی مناسب برای تولید انبوه حل شود.

برنامه‌ی فعلی پروژه، نمایش رسمی H24EVO در لمان طی سال ۲۰۲۸ و ورود امیدوارانه به مسابقات رسمی در سال ۲۰۳۰ را هدف قرار داده است؛ فاصله‌ی رسیدن به نخستین هدف کمتر از چهار سال خواهد بود. میشن H24 و تویوتا تا آن زمان احتمالا سخت مشغول یافتن راهی برای ذخیره‌ی هیدروژن مایع خواهند بود که هم ایمن و هم سبک باشد. صدای هیولایی موتور در کنار سوخت پاک، نقطه‌ی تمایز رؤیایی پروژه‌ای محسوب می‌شود که می‌خواهد هیجان احتراق داخلی را در آینده‌ای کم‌آلاینده حفظ کند.

برنامه‌ی مشترک تویوتا در مقطع کنونی یکی از مهم‌ترین پروژه‌ها در نوع خود به‌شمار می‌رود، هرچند ممکن است برندهای دیگری نیز به‌مرور وارد حوزه‌ی احتراق هیدروژن شوند. ادامه‌ی پیشرفت مثبت H24EVO می‌تواند غول‌های دیگر صنعت خودرو را به توسعه‌ی موتورهای درون‌سوز هیدروژنی ترغیب کند. موفقیت کامل پروژه در نهایت شاید ثابت کند که لازم نیست خود موتور کنار گذاشته شود و می‌توان تنها بنزین را با هیدروژن جایگزین کرد. منابع اصلی گزارش شامل تویوتا، میشن اچ‌۲۴، گراند نیوز، فدراسیون بین‌المللی اتومبیل‌رانی، جی‌پی موتوراسپورت و کارباز هستند.

نظر شما درباره‌ی آینده‌ی موتورهای هیدروژنی و حضورشان در مسابقات چیست؟