Hybryda wodorowa H₂-H

Wydział Mechaniczny Politechniki Krakowskiej intensywnie pracuje nad praktycznym wykorzystaniem wodoru jako czystego paliwa. Prace badawcze prowadzone są ponad 40 lat. Najnowszym dokonaniem jest skonstruowanie przez studentów PK pojazdu z silnikiem spalinowym, przystosowanym do zasilania wodorem, współpracującym w układzie hybrydy równoległej z napędem elektrycznym. Efektownie wyglądający, a przy tym świetnie jeżdżący, wodorowy bolid powstał w Kole Naukowym „Silniki Spalinowe”, prowadzonym przez dr. inż. Łukasza Rodaka.

Na początku był pomysł członków Koła Naukowego „Silniki Spalinowe”, aby skonstruować pojazd z silnikiem spalinowym, zasilanym wodorem. Unikalne jest to, że w toku prac powstał hybrydowy układ napędowy. Punktem wyjściowym był silnik motocykla Suzuki GSX-R 1000 oraz stanowiąca bazę konstrukcji gotowa rama, która powstała w poprzednich latach w ramach projektów studenckich.

Pierwszym problemem do rozwiązania był brak biegu wstecznego. Pojawił się pomysł, żeby do jazdy do tyłu wykorzystać napęd elektryczny. Na podstawie dokonanych obliczeń trakcyjnych okazało się jednak, że mocno wysilony, motocyklowy silnik, którym dysponowano, ma charakterystykę przebiegu momentu obrotowego nieodpowiednią dla pojazdu cięższego od jednośladu. Pojawił się więc po­mysł na połączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym w układzie hybrydowym, aby poprawić własności trakcyjne pojazdu.

Michał Gawliczek, student czwartego roku kierunku pojaz­dy samochodowe, specjalność: diagnostyka i eksploatacja pojazdów samochodowych, opisuje historię projektu:

— Pomysł na budowę bolidu zrodził się pod koniec 2023 r. Początkowy plan zakładał wykorzystanie konwencjonalnego silnika spalinowego, zasilanego wodorem. Dysponowaliśmy silnikiem motocyklowym. Następnie powstała idea, by zrobić z tego hybrydę — ze względu na brak biegu wstecznego oraz niekorzystną do naszych zastosowań charakterystykę wysoko­obrotowego silnika spalinowego w zakresie niskich obrotów. Zastosowaliśmy silnik elektryczny, który wspomaga silnik spalinowy w tym przedziale. Dzięki tej współpracy znacznie poprawił się przebieg dostępnego momentu obrotowego w pełnym zakresie obrotów.

Silnik spalinowy został przystosowany do zasilania wo­dorem lub innym palnym gazem. Zachowano przy tym oryginalny układ zasilania benzyną i można w trakcie pracy silnika zmieniać rodzaj paliwa. Objętość centralnie umieszczonego zbiornika na wodór wynosi 50 dm³. Panuje w nim ciśnienie robocze 20 MPa.

W pojeździe zastosowano silnik elektryczny trójfazowy z komutacją elektroniczną. Jest zasilany za pomocą baterii litowo-jonowej o pojemności 50 Ah i napięciu znamionowym 72 V. Przepływ energii między baterią i silnikiem nadzorowany jest przez przeznaczony do takich celów ste­rownik. Układ sterowania pozwala na wspomaganie silnika spalinowego, jak i napęd pojazdu w trybie wyłącznie elektrycznym. Bateria może być ładowana energią z sieci elektrycznej 230 V oraz w trakcie hamowania, dzięki odzyskowi energii.

Zamocowanie baterii i silnika elektrycznego zostało tak zaprojektowane, aby zachować symetryczny rozkład masy pojazdu. Starano się tak poprowadzić drogi przepływu energii, by były możliwie krótkie, co obniża jej straty. Ważne było też zapewnienie odpowiedniego chłodzenia układu elektrycznego, sąsiadującego z jednostką spalinową.

Oba silniki (spalinowy i elektryczny) współpracują ze sobą w układzie hybrydowym równoległym. Napęd przekazywany jest do mechanizmu różnicowego za pomocą przekładni łańcuchowych. Półosie napędzające koła tylne wykonano, modyfikując fabryczne półosie jednego z modeli Opla.

Zawieszenie pojazdu zostało skonstruowane od podstaw. Wszystkie koła są zawieszone niezależnie na podwójnych wahaczach poprzecznych. Elementy zawieszenia, po dokonaniu obliczeń, zostały wykonane ze stalowych profili o przekroju okrągłym. Do łączenia wahaczy z ramą wykorzystano typowe tuleje metalowo-gumowe, używane w motoryzacji. Jako końcówki drążków kierowniczych i drążków reakcyjnych do regulacji zawieszenia wykorzystano ogólnie dostępne końcówki stosowane w pojazdach samochodowych. Zwrotnice oraz hamulce tarczowe zostały zapoży­czone z jednego z modeli Opla.

Aby zminimalizować masy nieresorowane przedniej osi, elementy sprężysto-tłumiące połączono z wahaczami poprzez układ popychaczy i dźwigni typu push-rod. Amortyzatory z zewnętrznymi zasobnikami oleju pozwalają na regulację siły tłumienia, co umożliwia dopasowanie cha­rakterystyki zawieszenia do rodzaju nawierzchni i obciążenia pojazdu. Jest to bardzo ważne, gdyż przy niewielkiej masie własnej dwuosobowego pojazdu jego obciążenie może znacznie się różnić w zależności od tego, czy jeździ z pasażerem czy bez niego. Trudno jednak oczekiwać, by tego typu pojazd miał podwozie nastawione na komfort. Duże koła, z szerokimi niskoprofilowymi oponami na 18-calowych felgach z lekkiego stopu, zmniejszają przemieszczenie boczne podczas jazdy na zakrętach, dają też bardzo efektowny wygląd.

Przestrzenna rurowa struktura ramy jest szkieletem, do którego zamocowano wszystkie główne podzespoły i wy­posażenie. Dużą pomocą podczas prac projektowych było przygotowanie skanów 3D ramy i przeniesienie ich do programów CAD. Uzyskano dokładne informacje w formie cyfrowej o geometrii ramy i możliwe było przygotowanie pasujących do niej elementów. Korzystano z oprogramowania Inventor i Catia, w których projektowano mocowania silnika i zawieszenia. Następnie elementy konstrukcyjne były laserowo wycinane i spawane.

Dzięki odpowiedniemu przestrzennemu ukształtowaniu rama stanowi także oparcie paneli nadwozia. Cyfrowy model ramy przydał się także podczas ich tworzenia. Wstępna wersja była przygotowana na ekranie komputera, a następnie została wycięta w kartonie do przymiarek w rzeczywistości. Arkusze musiały być dopasowane do skomplikowanej geometrii ramy przestrzennej, wykonanej z rur o przekroju koła. Na podstawie gotowych szablonów zaprojektowano modele docelowych paneli poszycia, wykorzystywane następnie do laserowego wycięcia. Jako materiał paneli pod uwagę brano m.in. laminaty, ale ostatecznie to arkusze blachy aluminiowej grubości 1,5 mm okazały się być najlepszym rozwiązaniem, uwzględniającym kompromis pomiędzy masą a kosztem.

Godne uwagi jest to, że realizacja ambitnego projektu zajęła jedynie cztery miesiące. Prowadzono ją w pomieszczeniach laboratoryjnych Katedry Pojazdów Samochodowych PK. W kwestiach koncepcyjnych i silnikowych zespołowi pomagał dr inż. Łukasz Rodak, natomiast w pracach dotyczących podwozia i układu przeniesienia napędu zespół wspierał dr inż. Krzysztof Weigel-Milleret. Wszyscy członkowie zespołu byli mocno zaangażowani w powstawanie bolidu, łącząc te obowiązki ze studiowaniem. Prace przy pojeździe trwały codziennie wiele godzin, niekiedy kilkanaście. Takie intensywne działania zdarzały się nawet po kilka dni pod rząd. Ze względu na jednostkowy charakter konstrukcji bardzo dużo elementów należało wykonać ręcz­nie. Wymagało to, oczywiście, dużego nakładu pracy. Praca ta nie tylko przyniosła efekt w postaci jeżdżącego pojazdu, ale co istotne, dała też ogromne doświadczenie inżynierskie oraz warsztatowe. Studenci musieli się zmierzyć z wieloma zadaniami konstrukcyjnymi i wykonawczymi.

Były wśród nich zadania poważne, ale i takie, które choć mogą wydawać się banalne, to wymagały żmudnych prac projektowych i badawczych. Przykładem może być odpowiedni układ fotela oraz elementów sterujących. Ta część projektu wymagała nie tylko wiedzy technicznej, aby fotel skutecznie działał, ale także znajomości zasad ergonomii, aby prowadzenie było pewne i bezpieczne. W przypadku pojazdu o tak specyficznej sylwetce — bez drzwi, dodatkowym problemem było zapewnienie sprawnego wsiadania i wysiadania. Przy okazji takich czaso-i pracochłonnych działań, wymagających wielokrotnych prób i poprawek, studenci uczyli się pokory. Każdy, nawet najdrobniejszy, element konstrukcji nie mógł być zlekceważony — musiał być bardzo dobrze przemyślany, bo wpływał na działanie całości.

Opiekun koła dr inż. Łukasz Rodak podsumowuje efekty pracy nad projektem H₂-H: —

Ten projekt był dla członków zespołu wielkim wyzwaniem, któremu poświęcili bardzo dużo swojego wolnego czasu, ale postawiony cel osiągnęli. Jako opiekun jestem z nich bardzo dumny. Mam nadzieję, że zdobyta wiedza teoretyczna i praktyczna w trakcie realizacji projektu pozwoli studentom znaleźć dobrą pracę, która będzie im przynosiła satysfakcję i dobre wynagrodzenie.

Największą frajdę sprawiło pierwsze uruchomienie silnika i jazda. Kierowca Jakub Wagner, student czwartego roku, tak opisuje swoje wrażenia: — Bolid prowadzi się zupełnie inaczej niż zwykły samochód. Należy pamiętać, że nie dysponuje żadnymi systemami wspomagania kierowcy, nie tylko takimi elektronicznymi jak ABS czy ESP, ale także mechanicznymi. Nie ma wspomagania kierownicy czy hamulców. Prowadzenie wymaga więc sporej siły oraz umiejętności, głównie z uwagi na skupienie masy na tylnej osi. Jednak dzięki niskiemu położeniu środka ciężkości oraz ogromnej przyczepności na dobrych nawierzchniach świetnie się prowadzi. Problemy są na nierównościach i na śliskich podłożach — łatwo doprowadzić do poślizgu. Jeśli się to uwzględni, stosunkowo wysoka moc w lekkim pojeździe może dawać dużo radości. Można go porównać do gokarta, chociaż trzeba pamiętać o obsłudze sprzęgła i sekwencyjnej skrzyni biegów. W gokarcie są tylko dwa pedały — hamulca i gazu.

Szybkość maksymalna H₂-H jest ograniczona do 120 km/h przez dopuszczalną prędkość obrotową silnika elektrycznego, który jest stale połączony z osią napędową poprzez łańcu­chową przekładnię główną. Gdyby nie to ograniczenie, prędkość maksymalna wynosiłaby według obliczeń 180 km/h.

Obecny stan projektu to tzw. nośnik technologii, pozwala on na przejście do kolejnego etapu. Jest świetną bazą do badań i optymalizacji konstrukcji według różnych kryteriów. Optymalizacja będzie zapewne prowadzona w kierunku zwiększenia zasięgu. Aktualnie korzystającym wyłącznie z napędu spalinowego, zgromadzony w butli zapas wodoru pozwala na przejechanie około 30 km.

Zespół studentów Koła „Silniki Spalinowe” będzie prowadził na działającym już bezawaryjnie obiekcie liczne laboratoryjne badania, które pozwolą odpowiedzieć na pytanie, jakie jest rzeczywiste zużycie energii elektrycznej i energii zawartej w paliwie (benzyna i wodór). Trzeba bowiem pamiętać, że silniki spalinowe, zasilane wodorem, uzyskują około o 30 proc. mniejszą moc w stosunku do silników zasilanych benzyną — wynika to z małej gęstości wodoru. Dopiero na podstawie badań pojazdu z danym zbiornikiem gazowym paliwa oraz daną pojemnością baterii będzie można określić jego realny zasięg oraz zużycie energii — w trybie hybrydowym.

Bolid H2-H będzie także używany w dydaktyce, na co jest zapotrzebowanie. Będzie wykorzystywany jako obiekt dydaktyczny w ramach zajęć laboratoryjnych. Będzie można pokazać przepływ energii z baterii do silnika elektrycznego oraz odzysk w trakcie hamowania. Badane będzie rzeczywiste zużycie wodoru w trakcie jazdy ze stałym obciążeniem i prędkością, jak również w trakcie przyspieszania.

Badania mogą dotyczyć emisji spalin. Ponieważ zachowano układ zasilania paliwem ciekłym, możliwe są porównania z zasilaniem paliwem gazowym — nie tylko wodorem, ale np. metanem. Silnik do zmiany paliwa nie wymaga żadnych dodatkowych zabiegów, przełączenie rodzaju paliwa może odbyć się nawet w trakcie jego pracy. Dzięki temu wszelkie badania dotyczące emisji szkodliwych składników spalin są znacznie ułatwione, gdyż podczas zmiany paliwa nie zmie­nia się stan silnika, np. jego temperatura.

Inny temat badań dotyczy wydajności układu hybrydowego. Studenci będą mierzyć pobór energii w trakcie napędu oraz poziom odzyskiwanej w czasie hamowania rekuperacyjnego. Odzysk energii z maszyny elektrycznej do baterii wiąże się też ze zwiększeniem momentu obrotowego wirnika maszyny elektrycznej. Może być to wykorzystane jako dodatkowy moment hamujący pojazd, wspierający hamulce zasadnicze. Wartość tego momentu zależy od różnych czynników i dzięki temu może być regulowana, stosownie do potrzeb.

Wszyscy członkowie KN „Silniki Spalinowe” już wykorzystują doświadczenie zdobyte podczas budowy bolidu H₂-H w swoich pracach dyplomowych, a niektóre z zastosowanych nowatorskich rozwiązań mają nawet szansę na ochronę patentową.

BOLID H₂-H — DANE TECHNICZNO-EKSPLOATACYJNE
Wymiary	3225 / 1885 / 1145 mm
Rozstaw osi	2620 mm
Rozstaw kół (przód / tył)	1630 / 1560 mm
Masa własna	720 kg
Konstrukcja	Rama przestrzenna, wykonana z rur stalowych, panele poszycia nadwozia wykonane z blachy aluminiowej
Zawieszenie (przód / tył)	Podwójne wahacze poprzeczne z modułami sprężysto-tłumiącymi, typ push-rod / podwójne wahacze poprzeczne z modułami sprężysto-tłumiącymi
Opony	Rozmiar 225 / 40 R18
Obręcze kół	Ze stopów lekkich, rozmiar 18″
Układ hamulcowy	Hydrauliczny, dwuobwodowy, hamulce tarczowe wszystkich kół
Układ kierowniczy	Przekładnia listwowa
Silnik spalinowy	Model Suzuki GSX-R 1000, 4-cylindrowy w układzie rzędowym, zapłon iskrowy, zasilanie benzyną — wtrysk pośredni, zasilanie paliwem gazowym — wtrysk w fazie lotnej, chłodzenie cieczą, pojemność skokowa: 988 cm³, moc maksymalna: 116,8 kW przy 9500 obr./min (na benzynie), maksymalny moment obrotowy 117 Nm przy 8600 obr./min (na benzynie)
Silnik elektryczny	Trójfazowy z komutacją elektroniczną, moc szczytowa: 44 kW, moc ciągła: 13 kW, mak­symalny moment obrotowy: 120 Nm
Zasilanie silnika spalinowego	Zbiornik ciśnieniowy wodoru o pojemności 50 l, ciśnienie robocze: 20 MPa, zbiornik pa­liwa płynnego
Zasilanie silnika elektrycznego	Bateria ogniw litowo-jonowych o pojemności 50 Ah, napięcie robocze: 72 V
Skrzynia biegów	Sekwencyjna, 6-biegowa (tylko do przodu), przekładnia główna łańcuchowa, przy silniku elektrycznym — przekładnia główna łańcuchowa, silnik elektryczny realizuje jazdę do tyłu
Osiągi	Prędkość maksymalna obliczeniowa — 180 km/h (ograniczona do 120 km/h)