پروژه مشترک H24EVO با همکاری تویوتا و میشن H24 مسیر تازه‌ای را در مسابقات استقامتی گشوده است. موتور هیدروژنی تویوتا با ترکیب یک پیشرانه 3.5 لیتری V6 و سامانه هیبریدی، دستیابی به توان هدف‌گذاری‌شده 871 اسب بخار را دنبال می‌کند. این طرح هدفمند به دنبال آن است که بدون افزودن سنگینی پکیج‌های ولتاژ بالا و باتری‌های حجیم، بازدهی بالا و حس رانندگی اصیل را در رقابت‌های لمان حفظ کند. مسئله کلیدی در این پروژه، ارزیابی پلتفرم‌های احتراقی در پذیرش سوخت‌های پاک بدون افت کارایی عملیاتی است.
در مسابقات 24 ساعته لمان، جرم کلی خودرو مستقیما روی استهلاک تایرها، نرخ شتاب‌گیری و عملکرد سیستم ترمزی در پیچ‌های سریع تاثیر می‌گذارد. سامانه‌های مبتنی بر سلول سوختی یا همان FCEV به دلیل داشتن مجموعه‌های متعدد سلول، مبدل‌های الکترونیکی، رادیاتورهای خنک‌کننده عریض و مخازن گاز تحت فشار، وزن خودرو را به شدت بالا می‌برند. میشن H24 پس از بررسی‌های عملیاتی متوجه شد که این جرم اضافی مانعی بزرگ برای رسیدن به سرعت‌های رقابتی در مستقیمی مولسان است. به همین دلیل، تغییر مسیر به سمت احتراق مستقیم هیدروژن مایع راهکاری برای کاهش وزن خودرو تا محدوده 1250 کیلوگرم محسوب می‌شود.
انتخاب موتور 3.5 لیتری V6 تویوتا به عنوان هسته اصلی پیشرانه، بهره‌گیری از معماری شناخته‌شده مهندسی را امکان‌پذیر کرده است. در این پیشرانه ساختار پایه شامل سیلندرها، پیستون‌ها، میل‌لنگ و مجاری ورودی هوا دست‌نخورده باقی می‌ماند و نیروی تولیدی از طریق گیربکس مکانیکی مسابقه‌ای به چرخ‌ها منتقل می‌شود. تحلیل فنی نشان می‌دهد که حفظ دوام موتور تویوتا در شرایط سخت پیست نیازمند مدیریت دقیق فشار حرارتی است. با این حال، دستیابی به سرعت هدف 320 تا 330 کیلومتر بر ساعت نیازمند پایداری قطعات در دورهای بالا تحت فشار مداوم خواهد بود.
چرا موتور هیدروژنی تویوتا جایگزین پیل سوختی شد؟
پیچیدگی‌های عملیاتی سلول سوختی در رقابت‌های طولانی چالش‌های فراوانی برای تیم‌های مسابقه‌ای ایجاد می‌کند. یک سیستم FCEV برای تولید برق پیوسته به جریان هوای فراوان و کنترل دقیق دما نیاز دارد. در شرایط سخت رقابتی، کنترل دمای سلول‌ها در محدوده بهینه بسیار دشوار است و هرگونه افزایش دما موجب افت ناگهانی توان خروجی می‌شود. علاوه بر این، وزن بالای پکیج‌های الکتریکی و تجهیزات خنک‌کننده باعث کاهش مانورپذیری خودرو در پیچ‌های پیست می‌شد.
تغییر رویکرد به سمت احتراق مستقیم هیدروژن، ساختار پیچیده انتقال انرژی الکتریکی را ساده‌تر می‌سازد. در این روش، هیدروژن مایع پس از تغییر فاز مستقیما در محفظه احتراق با اکسیژن مخلوط شده و می‌سوزد تا نیروی مکانیکی تولید کند. حذف موتورهای الکتریکی متصل به تمام چرخ‌ها و کاهش تجهیزات ولتاژ بالا، وزن خودرو را پایین می‌آورد. این کاهش وزن استهلاک تایرها را در مسابقات طولانی کنترل کرده و اجازه می‌دهد مرکز ثقل خودرو در ارتفاع پایین‌تری قرار گیرد.
خودروسازان ژاپنی دریافته‌اند که حفظ جذابیت‌های حرکتی و طنین صدای موتور برای تماشاگران و رانندگان اهمیت بالایی دارد. صدای حاصل از احتراق داخلی و تعویض دنده‌های مکانیکی بخشی از هویت مسابقات استقامتی است که در خودروهای برقی کامل یا پیل سوختی وجود ندارد. در حالی که توسعه خودروهای برقی تویوتا در بخش شهری پیگیری می‌شود، پیست مسابقه به بستری برای آزمون سوخت‌های پاک سوزان بدل شده است. این استراتژی اجازه می‌دهد بدون انتشار مستقیم آلاینده‌های کربنی از اگزوز، هیجان صوتی مسابقات حفظ شود.
چالش‌های مهندسی و فنی احتراق مستقیم هیدروژن مایع
سوزاندن هیدروژن در یک موتور درون‌سوز چالش‌های فیزیکی و شیمیایی متفاوتی ایجاد می‌کند. سرعت احتراق هیدروژن بسیار بالاتر از بنزین است و دمای شعله آن نیز در سطح بالاتری قرار دارد. این ویژگی می‌تواند به پدیده پیش‌رسانی سوخت یا داغ شدن بیش از حد شمع‌ها و سوپاپ‌ها منجر شود. مهندسان باید سیستم تزریق مستقیم سوخت و زمان‌بندی جرقه‌زنی را با دقت بسیار بالا تنظیم کنند تا از احتراق ناخواسته و آسیب به پیستون‌ها جلوگیری شود.
ذخیره‌سازی هیدروژن مایع نیازمند زیرساخت‌های برودتی پیشرفته است. هیدروژن برای ماندن در حالت مایع باید در دمای بسیار پایین نگهداری شود. مخازن برودتی ویژه که توسط شرکت فورویا توسعه یافته‌اند، وظیفه نگهداری هیدروژن مایع را تحت فشار مشخص بر عهده دارند. انتقال سوخت از این مخازن به انژکتورهای موتور نیازمند پمپ‌های پرفشار با دقت بالا است تا در تکان‌های شدید پیست، جریان سوخت‌رسانی دچار افت فشار نشود. کوچک‌ترین نوسان در جریان سوخت می‌تواند باعث خاموشی پیشرانه یا افت ناگهانی قدرت گردد.
یکی دیگر از مسائل فنی در احتراق هیدروژن، احتمال شکل‌گیری اکسیدهای نیتروژن یا NOx در دماهای بسیار بالای محفظه احتراق است. گرچه سوخت هیدروژن فاقد کربن است و دی‌اکسید کربن تولید نمی‌کند، اما ترکیب نیتروژن و اکسیژن هوا در دماهای بالا آلاینده NOx ایجاد می‌کند. برای کنترل این آلاینده، مهندسان ناچارند از سیستم‌های بازچرخانی گازهای اگزوز یا تنظیم نسبت سوخت به هوا استفاده کنند. این اقدامات ممکن است بر حداکثر توان خروجی تاثیر بگذارد، بنابراین یافتن نقطه تعادل میان قدرت و آلایندگی از مراحل کلیدی توسعه است.
سامانه هیبریدی مکمل در این خودرو نقش مهمی در جبران ضعف گشتاور در دورهای پایین ایفا می‌کند. انرژی حاصل از ترمزگیری در پیست توسط این سامانه بازیابی شده و در شتاب‌گیری خروجی پیچ‌ها به عنوان توان کمکی وارد مدار می‌شود. گرچه تویوتا هنوز سهم دقیق موتور 3.5 لیتری V6 و بخش الکتریکی را از مجموع قدرت هدف‌گذاری شده 871 اسب بخار اعلام نکرده است، اما ترکیب این دو بخش فشار کاری پیشرانه احتراقی را کاهش داده و پایداری قطعات را در طول مسابقه افزایش می‌دهد.
چشم‌انداز و موانع توسعه فناوری هیدروژن در مسابقات و جاده
انتقال فناوری موتورهای هیدروژنی از پیست مسابقه به خودروهای جاده‌ای تولید انبوه با موانع تجاری و زیرساختی روبرو است. بزرگ‌ترین مانع، نبود جایگاه‌های سوخت‌گیری هیدروژن مایع و هزینه بالای تولید و حمل این سوخت است. مخازن برودتی نگهداری هیدروژن مایع به دلیل نیاز به عایق‌کاری پیشرفته و سیستم‌های ایمنی پیچیده، حجم زیادی از فضای شاسی خودروهای شهری را اشغال می‌کنند و هزینه تمام‌شده محصول را به میزان زیادی افزایش می‌دهند.
از نظر استهلاک و دوام طولانی‌مدت، قطعات مجاور با سوخت هیدروژن مانند پمپ‌ها، انژکتورها و واشرها در معرض پدیده تردشوندگی هیدروژنی قرار دارند. این پدیده فیزیکی باعث می‌شود فلزات در طول زمان شکننده شده و دچار ترک‌های ریز شوند. برای استفاده روزمره شهری، قطعات باید طوری طراحی شوند که سال‌ها بدون افت کیفیت کار کنند. این مسئله نیازمند بهره‌گیری از آلیاژهای ویژه و پوشش‌های سرامیکی گران‌قیمت است که تجاری‌سازی آن را دشوار می‌سازد.
برنامه‌ریزی پروژه H24EVO که در 26 شهریور 1405 (26 سپتامبر 2026) اعلام شد، رونمایی از نسخه اولیه را در اوایل سال 1407 (2028) و ورود به مسابقات لمان را در سال 1409 (2030) هدف قرار داده است. موفقیت این پروژه در پیست مسابقه معیاری واقعی برای ارزیابی ایمنی و کارایی سوخت هیدروژن مایع در سخت‌ترین شرایط خواهد بود. اکنون این سوال مطرح است که آیا فدراسیون بین‌المللی اتومبیل‌رانی با تدوین قوانین کلاس‌های هیدروژنی و ایجاد زیرساخت‌های سوخت‌گیری سریع در پیت‌لاین، مسیر را برای ورود این فناوری به کلاس‌های GT3 و خودروهای اسپرت آینده هموار خواهد کرد یا خیر.
