Transport ciężarowy od lat przypomina kierowcę wciśniętego między ścianę a przepaść. Z jednej strony rosnące wymagania klimatyczne i konkretne terminy redukcji emisji, z drugiej realia firm przewozowych, które muszą zarabiać na każdym przejechanym kilometrze, a nie na ambitnych deklaracjach. Elektryczne napędy kuszą wizją bezemisyjnej jazdy, ale ich zasięg, masa własna i długi czas ładowania wciąż trudno pogodzić z realnym grafikiem pracy floty. Ogniwa paliwowe z kolei imponują technicznie, lecz zwalają z nóg kosztami i skomplikowaniem.
W tego typu krajobrazie coraz częściej pojawia się pytanie, czy naprawdę jesteśmy skazani na wybór między drogą i ciężką elektryfikacją a drogimi ogniwami paliwowymi? Odpowiedzi na to pytanie szuka się nie tylko w laboratoriach producentów ciężarówek, ale też w instytutach badawczych, które mogą sobie pozwolić na mniej oczywiste eksperymenty. Jedna z najbardziej intrygujących odpowiedzi napływa właśnie z Teksasu, gdzie inżynierowie z Southwest Research Institute (SwRI) zrobili coś, co jeszcze do niedawna brzmiało jak ciekawostka, a nie realna alternatywa dla diesla.
Silnik diesla bez kropli ropy. Zbudowali ciężarówkę na wodór, która zawstydza klasyczne silniki
Dane techniczne rozwiązania proponowanego przez specjalistów mówią same za siebie. W ich testach ciężki silnik spalinowy zasilany czystym wodorem nie tylko zadziałał, ale też osiągnął moment obrotowy na poziomie około 2386 Nm, co stanowi znaczący wzrost w porównaniu z początkowymi 2026 Nm. Równie imponująco prezentuje się też moc szczytowa jednostki, która wzrosła z 370 do 440 koni mechanicznych. Parametry te plasują wodorową jednostkę w bezpośredniej konkurencji z konwencjonalnymi silnikami diesla stosowanymi w typowych ciężarówkach, ale to nie koniec imponujących wyników.
Czytaj też: F1 w wersji kieszonkowej. W tym silniku spalinowym drzemie moc, w którą nie uwierzysz
Prawdziwym bohaterem okazała się sprawność termiczna wynosząca 44 procent, co akurat stanowi wynik dotąd niespotykany w silnikach z zapłonem iskrowym. Dla porównania typowe jednostki benzynowe osiągają 25-30 procent sprawności, podczas gdy diesle mieszczą się w przedziale 40-45 procent. Wodorowy silnik SwRI tym samym nie tylko dorównuje więc najlepszym konstrukcjom, ale przy tym praktycznie nie emituje dwutlenku węgla ani cząstek stałych.
Jak specjaliści rozwiązali kluczowe problemy w silniku spalinowym na wodór?
Wodorowe silniki spalinowe od dawna zmagały się z dwoma fundamentalnymi wyzwaniami. Pierwszym jest skłonność do samozapłonu wynikająca z niskiej temperatury zapłonu wodoru, a drugim emisja tlenków azotu powstających w wysokich temperaturach spalania. Zespół SwRI poradził sobie z tymi problemami dzięki mechanicznie napędzanej turbosprężarce połączonej z wałem korbowym poprzez zmienną przekładnię. To rozwiązanie umożliwia precyzyjne dostosowanie ciśnienia doładowania do aktualnych potrzeb silnika, szczególnie podczas dynamicznego przyspieszania, gdy tradycyjne turbosprężarki zwykle nie nadążają.
Czytaj też: Ani skuter, ani motocykl. Italjet Roadster 400 łamie wszystkie zasady klasyfikacji jednośladów
Kluczowe w tych pracach nad silnikiem okazało się utrzymanie optymalnego przepływu powietrza, które bezpośrednio wpływa na eliminację samozapłonu i minimalizację emisji NOx. Zbyt uboga mieszanka prowadzi do wzrostu temperatur i zwiększonej produkcji tlenków azotu, natomiast zbyt bogata może wywołać przedwczesny zapłon. Mechaniczny napęd turbosprężarki zapewnia kontrolę niedostępną w konwencjonalnych układach, a to oznacza, że ten nowy silnik zachowuje się inaczej niż klasyczna jednostka z turbosprężarką, którą trzeba “rozbujać”, zanim zacznie ona dostarczać pełne ciśnienie doładowania. Mechaniczny napęd i zmienna przekładnia pozwalają traktować sprężarkę jak precyzyjne narzędzie, a nie tylko dodatki podnoszące moc. Inżynierowie mogą świadomie zdecydować, w jakim zakresie obrotów i przy jakim obciążeniu wodór ma być spalany w mieszance możliwie chłodnej i stabilnej, zamiast liczyć na to, że turbo “dogoni” potrzeby silnika.
To szczególnie ważne w ciężarówkach klasy 8, gdzie każdy gwałtowny skok obciążenia, a więc podjazd pod wzniesienie czy wyprzedzanie z pełnym ładunkiem generują ekstremalne warunki pracy jednostki napędowej. W klasycznych konstrukcjach margines błędu jest stosunkowo szeroki, bo olej napędowy jest paliwem znanym, a zachowanie diesla dobrze opisano przez dekady eksploatacji. W przypadku wodoru ten margines kurczy się dramatycznie i w efekcie niewłaściwa mieszanka, źle dobrane ciśnienie doładowania lub zbyt wysoka temperatura mogą w ułamku sekundy zamienić obiecującą konstrukcję w kosztowny eksperyment, który nigdy nie wyjedzie na drogę.
Dlatego właśnie największą wartością projektu SwRI nie są same liczby, ale pokazanie, że wodór można zapanować w istniejącej architekturze silnika spalinowego. Z punktu widzenia producentów oznacza to szansę wykorzystania istniejących bloków silników, linii montażowych, narzędzi i kompetencji załogi. Dla firm transportowych istotna jest z kolei znajomość technologii: mechanicy nie muszą uczyć się od podstaw obsługi całkowicie nowego układu napędowego, tylko adaptują się do zmodyfikowanej wersji czegoś, co znają od lat. Warto też zauważyć, że wodorowe silniki spalinowe mogą lepiej wpasować się w obecny sposób planowania pracy floty niż pojazdy elektryczne zasilane wyłącznie akumulatorami… o ile firmy zadbają o odpowiednią infrastrukturę.
Od prototypu do komercjalizacji. Wyzwania ciągle przed nami
Projekt wodorowego silnika spalinowego na SwRI rozpoczął się w 2022 roku od modyfikacji jednostki benzynowej. Dwa lata później zespół przeprowadził udaną demonstrację technologii, a obecnie silnik z ulepszoną turbosprężarką osiągnął gotowość do komercjalizacji. Demonstracyjny pojazd najcięższej klasy 8 (o masie całkowitej przekraczającej 15 ton) powstał w ramach konsorcjum H2-ICE i stanowi namacalny dowód, że wodorowe silniki spalinowe mogą stanowić realną alternatywę w transporcie dalekobieżnym.
Czytaj też: Rewolucyjny napęd elektryczny jak kartridż. Chwytasz, wyciągasz i wymieniasz w chwilę
Nawet najbardziej efektowny prototyp nie zmieni jednak branży, jeśli wokół niego nie powstanie spójny ekosystem. Wodorowy silnik spalinowy rozwiązuje część problemów, ale natychmiast odsłania kolejne: skąd wziąć tani i możliwie zielony wodór, jak go dostarczyć wzdłuż głównych korytarzy transportowych i jak zagwarantować przewoźnikom stabilne ceny paliwa w dłuższej perspektywie. Bez odpowiedzi na te pytania nawet najsprawniejsza jednostka pozostanie ciekawostką dla inżynierów i tematem prezentacji konferencyjnych.