hydrogen combustion engine หรือ hydrogen internal combustion engine (H2 ICE) คือเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เปลี่ยนระบบเชื้อเพลิง จากน้ำมันมาเป็นไฮโดรเจน คล้ายกับการนำก๊าซธรรมชาติเหลวไม่ว่าจะเป็น LPG หรือ CNG มาใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์
ไฮโดรเจน ที่นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ถูกเก็บไว้ในถังแรงดันสูง เมื่อเครื่องยนต์ถูกสตาร์ต ไฮโดรเจนจะไหลจากถังเข้าสู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ เพื่อทำการผสมเข้ากับอากาศ หลังจากนั้น ส่วนผสมจะถูกบีบอัดอยู่เหนือลูกสูบ ผลลัพธ์ก็คือ การระเบิดพลังงานออกมา ในปริมาณที่มากพอที่จะดันลูกสูบจากกระบวนการสันดาป เพื่อส่งพลังไปหมุนเพลา มันคือหลักการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงเบนซินหรือดีเซลนั่นเอง
...
เครื่องยนต์ไฮโดรเจนมีมลพิษต่ำ เนื่องจากกระบวนการเผาไหม้ มีของเหลือที่ได้จากการสันดาปนั้นคือ ไอน้ำ และ Nitrogen Oxides (NOx) ตามออกมาจาก การสันดาปในอุณหภูมิสูง แม้จะมี NOx ในปริมาณที่น้อยมากก็ตาม ไฮโดรเจน เป็นเชื้อเพลิงที่ไวไฟกว่าน้ำมันเบนซิน สามารถเผาไหม้ได้สะอาดและรวดเร็ว ทำให้เครื่องยนต์ต้องมีการออกแบบห้องเผาไหม้ใหม่เพื่อเพิ่มความคงทน มีการปรับแต่งระบบฉีดเชื้อเพลิง รวมถึงรูปแบบและจังหวะในการจุดระเบิดที่แตกต่างไปจากการใช้น้ำมัน ไฮโดรเจน ติดไฟได้ง่าย ทำให้ต้องคิดไปถึงเรื่องของการป้องกันและอุปกรณ์ด้านความปลอดภัย เพื่อให้การจัดเก็บเชื้อเพลิงมีความปลอดภัยสูงสุด
เครื่องยนต์สันดาปเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ต้องการระบบหล่อลื่นที่ดีกว่าเดิม เนื่องจากไฮโดรเจนมีความหนืดต่ำกว่าน้ำมันเชื้อเพลิง ทำให้วัสดุที่นำมาใช้ ต้องมีการปรับเปลี่ยนเพื่อรองรับการใช้งานในระยะยาว ต้องเป็น โลหะที่ไฮโดรเจนไม่สร้างความเสียหาย จุดที่ยากที่สุดก็คือ โครงสร้างพื้นฐานของสถานีเติม เพื่อรองรับการผลิตและจำหน่ายไฮโดรเจนซึ่งยังไม่แพร่หลายเท่าที่ควร
เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถใช้เป็นเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปในช่วงเวลาแห่งการเปลี่ยนผ่าน ช่วยให้รวมไฮโดรเจนเป็นแหล่งเชื้อเพลิงอย่างค่อยเป็นค่อยไป ในขณะที่ใช้ประโยชน์จากยานพาหนะที่มีอยู่ การลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐาน ปัจจุบัน เหลือผู้ผลิตเพียงไม่กี่รายที่ยังคงพัฒนาบนเทคโนโลยีนี้อยู่ นั่นคือ Toyota
นับตั้งแต่ GR Corolla H2 เข้าสู่การแข่งขันในปี 2021 เครื่องยนต์ไฮโดรเจนก็ได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆ จากเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนที่ไม่ก่อให้เกิดคาร์บอน เหมาะสมกับการใช้งานในอนาคต สำหรับการแข่งขัน ทีมวิศวกรของ ROOKIE RACING เริ่มทดลองเทคโนโลยีใหม่สำหรับดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในขณะที่รถขับเคลื่อน ความลับอยู่ที่ตัวกรองสองตัวและของเหลวที่ติดตั้งไว้ใต้ฝากระโปรงรถ GR Corolla H2 ตัวกรองเหล่านี้ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเซรามิก ใช้ในท่อไอเสียเคลือบด้วยสารดูดซับ CO2 ที่พัฒนาโดย Kawasaki Heavy Industries
...
ตัวกรองตัวแรกติดตั้งอยู่ที่ทางเข้าของเครื่องฟอกอากาศ ทำหน้าที่ดักจับ CO2 จากอากาศภายนอกด้วยปริมาตร 60 ลิตร ที่ถูกดูดเข้าไปทุกๆ วินาที ตัวกรองอีกตัวหนึ่ง ติดตั้งอยู่ที่ด้านหน้าสุดของเครื่องยนต์ ตามแนวที่น้ำมันเครื่องไหลหมุนเวียนและหล่อลื่นเครื่องยนต์ นั่นคือจุดที่มีอุณหภูมิสูง คุณสมบัติหนึ่งของสารดูดซับที่ถูกคิดค้นโดย Kawasaki ก็คือ มันจะปล่อย CO2 เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงกว่า 60°C ซึ่งหมายความว่า ความร้อนจากน้ำมันเครื่อง จะทำให้ CO2 แยกตัว ดังนั้น CO2 ที่ปล่อยออกมาจะถูกส่งผ่านของเหลวสำหรับการกำจัด โดยจะเดือดเป็นฟองในขณะที่กำลังละลาย Mr. Naoaki Ito ผู้จัดการทั่วไปโครงการ GR Vehicle Development Division ซึ่งรับผิดชอบการปรับแต่งเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน อธิบายถึงความสำคัญของการจัดการกับเทคโนโลยีนี้ว่า
...
“โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์ดักจับ CO2 จากบรรยากาศ จะใช้พัดลมดูดอากาศและความร้อน เพื่อแยก CO2 ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องใช้แหล่งพลังงาน จุดสำคัญเกี่ยวกับระบบของ GR Corolla H2 ก็คือ ใช้ช่องรับอากาศเข้าและความร้อนที่มีอยู่ภายในเครื่องยนต์” นั่นคือสิ่งที่ทำให้เทคโนโลยีนี้กลายเป็นการปฏิวัติวงการอุตสาหกรรมยานยนต์ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานใหม่ในการดักจับ CO2 สามารถติดตั้งเข้ากับยานพาหนะทุกคันที่ยังคงใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน แน่นอนว่ายังมีข้อบกพร่องอีกมากซึ่งต้องได้รับการปรับปรุงแก้ไข ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดักจับได้ ยังคงน้อยเกินไป รวมได้เพียงแค่ 20 กรัม ในการแข่งขัน Fuji Speedway 20 รอบ (4.563 กม. ต่อรอบ) และจะต้องเปลี่ยนไส้กรองด้วยมือทุกจุดพักเติมเชื้อเพลิง ในอนาคต ช่างของทีมแข่ง ROOKIE RACING จะพยายามเพิ่มปริมาณการดักจับ CO2 และปรับการเปลี่ยนตัวกรองด้วยระบบอัตโนมัติ เพื่อให้ได้ระบบที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น และ ต้องการการแทรกแซงหรือช่วยเหลือจากมนุษย์น้อยที่สุด
...
การปรับปรุงแบบที่สองคือ นอกจากจะเป็นเจ้าภาพจัดการแข่งขันรอบสุดท้ายของฤดูกาลแล้ว สนามแข่งรถ Fuji Speedway ยังเป็นสถานที่สำหรับการแข่งขันเอนดูลานซ์ 24 ชั่วโมง ในเดือนพฤษภาคม ซึ่งเป็นสถานที่ที่ GR Corolla H2 เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวเปิดตัว การแข่งขันครั้งแรก Toyota GR Corolla H2 ทำได้สูงสุด 16 รอบ ต่อการเติมเชื้อเพลิงหนึ่งครั้ง หกเดือนต่อมา ตัวเลขนั้น เพิ่มขึ้น 25% เป็น 20 รอบต่อการเติมเชื้อเพลิงหนึ่งครั้ง
ในทางเทคนิค มีสามประเด็นสำคัญ ประการแรกคือ ความแม่นยำของเซนเซอร์ที่ใช้วัดปริมาณเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่เหลือในถังมีความแม่นยำมากขึ้นกว่าเดิม เซนเซอร์วัดระดับของเหลวที่พบในถังเชื้อเพลิงทั่วไป ใช้งานไม่ได้กับไฮโดรเจนเหลวที่เก็บในอุณหภูมิเย็นจัดถึงระดับ -253°C แต่การวัดความแตกต่างของประจุไฟฟ้าระหว่างของเหลวและก๊าซ คือกลไกในการตรวจจับปริมาณเชื้อเพลิงที่เหลืออยู่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะได้ค่าที่ไม่คงที่ หรือไม่ชัดเจน เชื้อเพลิงในถังจึงมักจะเหลือน้อยกว่าที่เซนเซอร์ตรวจวัดได้ เทคโนโลยีตรวจวัดระดับเชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ค่อยๆ ให้ภาพที่ชัดเจนยิ่งขึ้นของขอบเขตที่คลุมเครือดังกล่าว ซึ่งจะทำให้ถังบรรจุไฮโดรเจนเหลวได้มากขึ้น
ปัจจัยที่สองคือ ลดการถ่ายเทความร้อนเข้าสู่ถัง ถังไฮโดรเจนเหลวจะคงอุณหภูมิอยู่ที่ -253°C น่าเสียดายที่การเชื่อมต่อกับปั๊มและชิ้นส่วนอื่นๆ ขัดขวางชั้นสุญญากาศและนำมาซึ่งการแพร่ความร้อนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ทำให้เกิดไอไฮโดรเจนเดือดจำนวนหนึ่ง ซึ่งจะต้องระบายออกจากถัง อย่างไรก็ตาม แม้จะระเหยกลายเป็นไอ ไฮโดรเจนยังมีอุณหภูมิคงอยู่ที่ -200°C ในอุณหภูมิที่ต่ำ ทีมงานได้คิดค้นวิธีควบคุมก๊าซ โดยจัดเส้นทางไหลผ่านจุดที่ความร้อนเข้าสู่ถัง ช่วยลดกระบวนการเดือดจากการแพร่ความร้อนของระบบส่งกำลัง ทำให้มีไฮโดรเจนเหลวมากขึ้นสำหรับการแข่งขันระยะไกล
การเพิ่มประสิทธิภาพระบบฉีดเชื้อเพลิงระหว่างการขับขี่ ทีมงานปรับปรุงปริมาณเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปเมื่อเหยียบคันเร่งเพื่อปรับให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดของแรงบิด
Toyota GR Corolla H2 เครื่องยนต์ไฮโดรเจนเน้นการลดน้ำหนัก โดยลดน้ำหนักได้ถึง 50 กิโลกรัมนับตั้งแต่การแข่งขันที่สนาม Autopolis ในเมืองฮิตะ จังหวัดโออิตะเมื่อเดือนกรกฎาคม 2566 ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการออกแบบถังไฮโดรเจนเหลวใหม่หมด ใช้โครงสร้างฉนวนสุญญากาศสองชั้น เพื่อป้องกันความร้อน หลังจากยืนยันว่าการเปลี่ยนถังแบบใหม่จะไม่กระทบต่อความปลอดภัยในการแข่งขัน ทีมงานสามารถทำให้ถังเชื้อเพลิงบางลงได้อีก Toyota ร่วมกับซัพพลายเออร์พยายามลดน้ำหนักของรถ GR Corolla H2 ในตำแหน่งอื่น ซึ่งจะไม่ส่งผลต่อระบบความปลอดภัยหลักของถังและวาล์วแก๊สต้มที่พัฒนาโดย Aisin วาล์วแก๊สจะทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อระบายไฮโดรเจนในขณะที่ระเหยกลายเป็นไอตามธรรมชาติ ในทางกลับกัน วาล์วนิรภัยหลักได้รับการออกแบบให้ระบายออกทันที หากแรงดันภายในถังเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติ ซึ่งหมายความว่าวาล์วนิรภัยจะไม่ทำงานภายใต้สภาวะปกติ และจะทำงานทันทีที่เกิดการรั่วไหล
เมื่อพิจารณาถึงความคล่องตัวของระบบไฮโดรเจนเหลว ชิ้นส่วนต่างๆ มีการออกแบบให้เหมาะสมในขั้นตอนแรก ก่อนที่จะสรุปรูปร่างของถังเชื้อเพลิงและปริมาณแรงดันที่เกิดจากการทำงาน ดังนั้น จึงมีการกำหนดขอบเขตความปลอดภัยให้ครอบคลุม ไปจนถึงสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด อย่างไรก็ตาม ในขณะที่การพัฒนาดำเนินต่อไป วิศวกรของ Toyota พบว่าโครงสร้างส่วนประกอบและความหนาของถังไฮโดรเจน สามารถลดลงได้อีกเพื่อลดน้ำหนัก ในขณะที่ยังคงรับประกันด้านความปลอดภัย มีการปรับปรุงวาล์วแก๊ส และวาล์วนิรภัยหลัก รวมถึงจุดอื่นๆ ช่วยลดน้ำหนักของรถลงอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ Corolla H2 มีน้ำหนักเบากว่าช่วงเปิดฤดูกาลประมาณ 100 กิโลกรัม
เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ได้รับการอัปเกรดใหม่ในกรณีของการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จะเชื่อมโยงโดยตรงกับประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มเชื้อเพลิง การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องทำให้ปั๊มสามารถส่งเชื้อเพลิงแรงดันสูงได้อย่างสม่ำเสมอ ในการแข่งขันรอบสุดท้าย กำลังของเครื่องยนต์แซงหน้าก๊าซไฮโดรเจนไปแล้ว ความก้าวหน้านี้ ทำให้ประสิทธิภาพของเชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถทัดเทียมกับสมรรถนะของเครื่องยนต์เบนซิน
หลังจากขับ Corolla H2 ที่ได้รับการอัปเกรดใหม่ ประธาน Akio Toyoda (หรือที่รู้จักในชื่อ Morizo) ได้กล่าวถึงขอบเขตของการปรับปรุงเหล่านี้ว่า "เมื่อเปรียบเทียบกับการแข่งขัน Fuji 24 ชั่วโมงในปีนี้ เวลาเข้ารอบคัดเลือกล่าสุดของผมก็เร็วขึ้นกว่าสองวินาทีต่อรอบ แม้ว่าทักษะการควบคุมรถของผมจะก้าวหน้าไปบ้าง แต่ก็แสดงให้เห็นว่ารถ Corolla H2 มีการพัฒนาไปไกลมากขนาดไหน”
ก่อนการแข่งขัน IDEMITSU Super Endurance 600 ซึ่งเป็นสนามสุดท้ายของฤดูกาลนี้ที่สนามช้าง เมื่อวันที่ 10 พฤศจิกายน 2566 Toyota ประกาศว่า ได้เริ่มการประเมินผลดังกล่าว ด้วยการทดลองใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในรถ Toyota HiAce บนถนนสาธารณะในประเทศออสเตรเลีย นั่นเป็นสัญญาณว่า เครื่องยนต์ไฮโดรเจนที่ Toyota ปรับแต่งผ่านกีฬามอเตอร์สปอร์ตกำลังเริ่มทดสอบการใช้งานจริงในชีวิตประจำวัน รวมถึงการขับใช้งานทางธุรกิจขนส่ง นอกเหนือจากการใช้งานสนามแข่ง
สำหรับ Toyota HiAce เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ความท้าทายก็คือการบรรลุถึงรูปแบบการวางตำแหน่งถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ในรูปแบบเดียวกับ HiAce ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน โดยรักษาขนาดพื้นที่บรรทุกและความจุผู้โดยสาร ในขณะที่มีระยะการเดินทางประมาณ 200 กม.
การแข่งรถเป็นสภาพแวดล้อมที่มีความท้าทายอย่างมาก ต้องอาศัยกำลังเครื่องยนต์สูงและช่วงรอบต่อนาทีที่สูงอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม หากต้องการใช้ในรถยนต์ไฮโดรเจนในเชิงพาณิชย์ จำเป็นต้องมีสมรรถนะที่แตกต่างออกไป นอกเหนือจากการหยุดและสตาร์ตบ่อยครั้งแล้ว น้ำหนักของรถยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากเมื่อพื้นที่ว่างด้านหลังเต็มไปด้วยสัมภาระหนักๆ การทดสอบในออสเตรเลีย ครอบคลุมสภาพถนนที่หลากหลายถึง 80% โดยจะมีการรวบรวมข้อมูลเพื่อปรับแต่งเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนไฮโดรเจนเพิ่มเติม ข้อกำหนดสำหรับการขับขี่บนถนนสาธารณะ คือ การปฏิบัติตามกฎระเบียบของการปล่อยไอเสีย แม้ว่าการเผาไหม้ไฮโดรเจนจะไม่ปล่อย CO2 แต่จะปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ออกมา เพื่อลดการปล่อยมลพิษ รถทดสอบจึงติดตั้งระบบบำบัด NOx ด้วยสารละลายยูเรียแบบเดียวกับที่ใช้ในเครื่องยนต์ดีเซล ผลลัพธ์ที่ได้ เป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยไอเสียรถยนต์ยูโร 6 ของสหภาพยุโรป
หลังจากบรรลุถึงเป้าหมายความเป็นมิตรต่อผู้ใช้และสิ่งแวดล้อม เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ทั่วไปแล้ว รถยนต์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Toyota HiAce จะต้องตอบสนองต่อความคาดหวัง สำหรับระยะการขับเคลื่อนที่ไกลมากยิ่งขึ้น ในการตอบคำถามจากสื่อมวลชนในระหว่างการสัมภาษณ์ รองประธานบริหาร Hiroki Nakajima กล่าวถึงศักยภาพของรูปทรงถังแบบใหม่ ซึ่งมาแทนที่ถังที่ใช้ในปัจจุบัน และการผสมข้ามพันธุ์เป็นโซลูชันทางเทคนิคเพื่อทำให้ระยะการขับใช้งานไกลขึ้น
นอกจากนี้ Hiroki Nakajima ยังเน้นย้ำว่า "ปริมาณการผลิตและความแพร่หลายของสถานีเติมไฮโดรเจนจะเป็นกุญแจสำคัญ ในการลดต้นทุนของรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน "เริ่มต้นด้วยรถยนต์เพื่อการพาณิชย์ เราต้องการสร้างโครงสร้างพื้นฐาน ที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เหมาะสำหรับรถยนต์โดยสารเพื่อขับเคลื่อน ตามด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มีมลพิษต่ำ"
ด้วยเทคโนโลยีใหม่หลายอย่างที่ได้รับการทดสอบควบคู่กัน ความพยายามกับการลงไปต่อสู้ในรายการ Super Taikyu และ IDEMITSU Super Endurance 600 ของ Toyota Motor ยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง การพัฒนาระบบขับเคลื่อนพลังงานไฮโดรเจนด้วยกีฬามอเตอร์สปอร์ตของ Toyota อย่างไม่หยุดยั้งเพื่อสร้างรถยนต์ที่ดีกว่าสำหรับการใช้งานในอนาคต
Super Taikyu และ IDEMITSU Super Endurance 600 มอบข้อมูลสำคัญให้กับความพยายามในการพัฒนายานยนต์ของ Toyota เพื่อสร้างรถยนต์ที่ดียิ่งขึ้น ผ่านกีฬามอเตอร์สปอร์ต ครั้งแล้ว ครั้งเล่า การแข่งขันแต่ละสนาม ถือเป็นการเก็บรวบรวมข้อมูลที่มีความสำคัญ ปรับปรุงเครื่องจักรกลและพัฒนาศักยภาพของบุคลากรภายใต้แบรนด์สามห่วงอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความท้าทายในด้านการพัฒนาเครื่องยนต์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ Toyota เริ่มดำเนินการในปี 2564 จนมาถึงจุดเปลี่ยนสำคัญ นอกจากเทคโนโลยีใหม่ที่ดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในขณะที่ขับเคลื่อนแล้ว Toyota ยังประกาศว่ารถตู้ HiAce เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงก๊าซไฮโดรเจน ได้เริ่มต้นวงจรการทดสอบบนถนนสาธารณะในออสเตรเลีย โดยมีการนำเสนอข้อมูลอัปเดตเกี่ยวกับความก้าวหน้าต่างๆ ของเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน ซึ่งเป็นแนวทางที่จะนำไปสู่การใช้งานจริงเชิงพาณิชย์ต่อไปในอนาคตอันใกล้นี้ ....