Informacja prasowa Technologia @ Mazda 2009 Samochody Mazda zasilane wodorem: RX-8 Hydrogen RE, Premacy Hydrogen RE Hybrid Spis treści: 1. Mazda i samochody zasilane wodorem 2. Spalanie wodoru: jak to działa? 3. Mazda RX-8 Hydrogen RE 4. Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid 5. Załącznik: historia wodorowych pojazdów Mazda
1. Mazda i samochody zasilane wodorem Osiemnaście lat badań Mazdy nad pojazdami wodorowymi Prace rozwojowe Mazdy nad pojazdami wodorowymi trwają już od 18 lat: pierwszy prototyp HR-X został zaprezentowany na Tokyo Motor Show w 1991 r. Już wtedy ten koncepcyjny model miał silnik rotacyjny (z wirującym tłokiem) zasilany wodorem. Mazda jest silnie zaangażowana w rozważny rozwój i wiele uwagi poświęca nowym źródłom energii, tak by sprostać wymaganiom mobilności stawianym przez przyszłe pokolenia i jednocześnie dbać o środowisko. Celem Mazdy jest jednak pogodzenie tych celów bez szkody dla wartości Zoom-Zoom : dynamiki i przyjemności z jazdy. Dlatego zdecydowano się na zasilany wodorem silnik rotacyjny. Silnik RENESIS, wykorzystujący patent Wankla, jest głęboko zakorzeniony w tradycji Mazdy i były uzasadnione powody wybrania go jako źródła napędu spełniającego nowe wymagania ekologiczne. Prototypy pojazdów Mazda z zasilaniem wodorowym, powstałe w wyniku intensywnych prac rozwojowych, były prezentowane od początku ostatniej dekady ub. wieku, aż po pierwszy koncepcyjny samochód Mazda RX-8 Hydrogen RE przedstawiony na Tokyo Motor Show w 2003 r. W 2004 r. na jego bazie powstał prototyp dopuszczony do jazdy po drogach publicznych. Mazda RX-8 Hydrogen RE jeździ po drogach Japonii, a od tego roku także w Norwegii. Wyposażona w układ dwupaliwowy, może być zasilana zarówno wodorem, jak i benzyną, co ułatwia codzienną eksploatację. Od 2006 r. Mazdy RX-8 Hydrogen RE są użyczane w ramach leasingu japońskim firmom i władzom lokalnym; są to pierwsze na świecie samochody osobowe z silnikiem wewnętrznego spalania zasilanym wodorem. To unikalne przedsięwzięcie zapewniło Mazdzie cenne doświadczenie do przyszłego rozwoju jej pojazdów wodorowych. Ta wiedza zostanie wkrótce użyta do ekspansji wodorowych technologii środowiskowych Mazdy poza Japonię. W 2007 r. Mazda podpisała porozumienie o udostępnieniu RX-8 Hydrogen RE dla HyNor, narodowego projektu zmierzającego do utworzenia infrastruktury paliwa wodorowego w Norwegii. W 2008 r. pierwszy RX-8 Hydrogen RE został dostarczony do HyNor w celu wstępnej ewaluacji. W tym samym roku Mazda uzyskała zezwolenie rządu japońskiego na próby drogowe nowej Premacy (w Europie ten model nazywa się Mazda5) Hydrogen RE Hybrid. Sprzedaż tego pojazdu w Japonii rozpoczęła się w 2009 r., trwają też stałe dostawy RX-8 Hydrogen RE do HyNor w Norwegii. 2
Mazda i projekt HyNor Rok po tym, jak Mazda została pierwszym na świecie producentem, który wprowadził do normalnego użytku samochód z silnikiem rotacyjnym spalającym wodór (w 2006 r.), rozpoczął się następny etap wzmacniania pozycji paliwa wodorowego, podpisując porozumienie z projektem dotyczącym infrastruktury wodorowej w Norwegii, nazwanym HyNor. Na jego rzecz będą dostarczane samochody RX-8 Hydrogen RE po faceliftingu. Celem projektu HyNor Project jest promowanie wodoru jako alternatywnego paliwa w Norwegii. Ponad 50 norweskich partnerów, w tym instytucje publiczne, przemysłowe i handlowe, a także środowiska akademickie, pracuje wspólnie nad stworzeniem infrastruktury paliwa wodorowego w Norwegii. W maju 2009 r. porozumienie HyNor ogłosiło oficjalne otwarcie Norweskiej Autostrady Wodorowej. Od tej pory na trasie między Oslo a Stavanger, o długości blisko 600 km, można jechać samochodem wodorowym bez obawy o brak stacji tankowania tego paliwa. Różne strony technologii wodorowej W ostatnich kilku latach Mazda skoncentrowała się na wodorze jako paliwie alternatywnym do silników wewnętrznego spalania. Silnik wodorowy wytwarza moc spalając wodór w komorach spalania, podobnie jak obecne silniki benzynowe. W odróżnieniu od nich, spalinami jest para wodna. W silniku rotacyjnym obrotowy tłok wiruje na skutek rozprężania gazów spowodowanego spalaniem, napędzając samochód. To prawda, że napęd ogniwem paliwowym jest bardziej sprawny niż spalanie wodoru, ale w obu przypadkach emisja jest zerowa, a wodorowy silnik rotacyjny Mazdy ma dodatkową zaletę: pod względem budowy jest identyczny jak benzynowy silnik rotacyjny. Oznacza to, że jest bardziej niezawodny i tańszy w produkcji. Dodatkowo, kierowca może przełączać między zasilaniem wodorem i benzyną, w zależności od dostępu do wodoru. Z tych powodów, w odróżnieniu od pojazdów z ogniwami paliwowymi, rotacyjny silnik wodorowy z zasilaniem dwupaliwowym może stać się ważnym krokiem w kierunku społeczeństwa przyszłości, wykorzystującego wodór. W połączeniu z rotacyjnym silnikiem wodorowym Mazda opracowała także układ hybrydowy wykorzystany w Premacy Hydrogen RE Hybrid. Połączono w nim zalety wodorowego silnika rotacyjnego z napędem elektrycznym, by poprawić osiągi i zwiększyć zasięg przy zasilaniu wodorem. Silnik wodorowy emituje tylko wodę. Nie jest tak sprawny jak ogniwo paliwowe, ale strukturalnie wykorzystuje silnik benzynowy, ograniczając koszt produkcji i problemy trwałości. W porównaniu z ogniwami paliwowymi, silniki wodorowe z zasilaniem dwupaliwowym mają większe szanse odegrania znaczącej roli w pierwszej fazie tworzenia społeczeństwa wykorzystującego energię zawartą w wodorze. Dlatego obecnie Mazda koncentruje się na rozwoju dwupaliwowych silników wodorowych. W normalnych warunkach, pojazd wodorowy jest napędzany gazowym wodorem w celu zmniejszenia szkodliwości dla środowiska. A jeśli pojazd wodorowy może być również zasilany benzyną? To może oznaczać większą wygodę, ponieważ kierowca nie musi martwić się, że zabraknie mu wodoru ani omijać rejonów, w których nie ma stacji tankowania wodoru. Mazda opracowała taki układ, nazywając go dwupaliwowym. Ta wysoce innowacyjna funkcja nie jest dostępna w ogniwach paliwowych podsumowuje Akihiro Kashiwagi, Program Manager Mazdy odpowiedzialny za rozwój wodorowego silnika rotacyjnego 3
2. Spalanie wodoru: jak to działa? Wodór: czyste i odnawialne paliwo Wodór jest jednym z najpowszechniej dostępnych paliw: tworzy 75% materii wszechświata. Można go znaleźć w ogromnych ilościach w gwiazdach i wielkich planetach gazowych. Na Ziemi jednak rzadko występuje w stanie wolnym: na skutek małej masy jest słabo utrzymywany przez siły grawitacji. Występuje jednak w wodzie słodkiej i morskiej. Aby go uwolnić, potrzebna jest elektroliza wody, proces, w którym cząsteczka wody H 2 0 jest rozbijana na dwie części. Powstaje tlen dwuatomowy (0 2 ) i wodór dwuatomowy (H 2 ). Do elektrolizy jest potrzebny prąd, który może być wytwarzany na wiele sposobów przyjaznych dla środowiska (w elektrowniach wodnych, słonecznych, wiatrowych itp.). Wodór można uzyskać także z organicznych paliw kopalnych (węgla, ropy naftowej, gazu naturalnego); jest on także produktem ubocznym wielu procesów przemysłowych (chemicznych, spawania itp.). Spalanie wodoru następuje wg najprostszej reakcji chemicznej: dwie cząstki H 2 łączą się z jedną 0 2 tworząc dwie cząsteczki H 2 0 w postaci pary wodnej, wyzwalając przy tym bardzo dużą ilość energii. Przy tej reakcji powstaje bardzo mało tlenków azotu NO x, emisja CO 2 (gazu cieplarnianego ) jest zerowa. Wodór jest znacznie bardziej palny niż benzyna. Zapala się pod wpływem niewielkiego impulsu energii, a czoło rozprzestrzenia się znacznie szybciej (ok. 265 cm/s przy mieszance stechiometrycznej, w porównaniu z 40 cm/s benzyny). Wodór ma jednak znacznie mniej energii w jednostce objętości. To paliwo jest szeroko stosowane w rakietach, łącznie z wahadłowcami kosmicznymi, i może być stosowane w silnikach wewnętrznego spalania, jak w RX-8 Hydrogen RE. W odróżnieniu od paliw kopalnych, wodór jest częścią świetnie zrównoważonego cyklu: uwolniony z wody pod wpływem elektrolizy, po spaleniu zamienia się w parę wodną, która wraca do środowiska. Przy spalaniu paliw kopalnych, powstający CO 2 przekracza ilość pochłanianą przez rośliny w naturalnym cyklu przyrody. Spalanie wodoru nie jest jedynym sposobem na uzyskanie energii do napędzania pojazdu: może on być użyty także w ogniwie paliwowym, w którym reaguje z tlenem tworząc prąd elektryczny. Choć ogniwa paliwowe mają zalety (duża energia, zerowa emisja tlenków azotu), są także złożone i drogie w produkcji. Wymagają również całkowitej zmiany konstrukcji układu przeniesienia napędu i jego rozmieszczenia w samochodzie. Ta technologia jeszcze nie jest dopracowana do powszechnego zastosowania. 4
Silnik rotacyjny, idealny do paliwa wodorowego Decyzja Mazdy o zastosowaniu silnika rotacyjnego, a nie silnika o ruchu posuwisto-zwrotnym w jej pojeździe wodorowym nie wynikała tylko z unikalnych doświadczeń firmy z tym źródłem napędu. Silnik rotacyjny jest szczególnie przydatny do spalania paliwa wodorowego. Jak wspomniano, wodór jest łatwopalny, co może powodować problemy w komorze spalania silnika posuwisto-zwrotnego. W tradycyjnym silniku mieszanina paliwowo-powietrzna jest podawana do gorącej komory spalania, zamykanej przez bardzo gorące zawory wylotowe. Nie są to sprzyjające warunki i dlatego wodór nie jest w takim przypadku atrakcyjnym paliwem. W silniku rotacyjnym są osobne komory dolotu, spalania i wydechu spalin. Wodór jest wtryskiwany przy niższej temperaturze i dopiero w ostatnim momencie spotyka się z wyższą temperaturą w komorze spalania. Inną cechą charakterystyczną wodoru jest mniejsza wartość energetyczna przy spalaniu, ponieważ ma on mniejszą gęstość niż benzyna. Mała gęstość wodoru, wtryskiwanego w stanie gazowym, powoduje, że przy ilości potrzebnej spalania zająłby on 29,5% objętości komory spalania, w porównaniu z jedynie 1,7% dla benzyny. To zmniejsza ilość zasysanego powietrza, powodując niekompletne spalanie i zmniejszenie osiągów. Lepszym rozwiązaniem jest zatem bezpośredni wtrysk do komory spalania, by zapobiec temu zjawisku. Łatwiej umieścić dodatkowy wtryskiwacz w komorze dolotowej silnika rotacyjnego niż z boku wąskiej głowicy cylindrów tradycyjnego silnika. Silnik rotacyjny jest także korzystniejszy niż tradycyjny przy tworzeniu mieszanki wodorowopowietrznej ze względu na dłuższy cykl pracy. Powstaje bardziej jednorodna mieszanka, która lepiej się spala. 5
3. Mazda RX-8 Hydrogen RE Od prototypu na drogę w ciągu zaledwie 2,5 roku Silnik rotacyjny RENESIS, zdobywca czterech nagród International Engine of the Year w 2003 i 2004, został użyty jako podstawa do opracowania silnika wodorowego Mazdy. Na salonie w Tokio w październiku 2003 r. Mazda przedstawiła pierwszy prototyp silnika wodorowego RENESIS, który już wtedy był przystosowany do spalania zarówno wodoru, jak i benzyny. Wtryskiwacze benzyny były umieszczone w kolektorach dolotowych, tak jak w normalnym silniku RENESIS, dodano po dwa wtryskiwacze wodoru na wirnik. Założono, że ta całkowicie nowa technologia wejdzie na rynek w ciągu trzech lat. W 2004 r. prototypowa Mazda RX-8 Hydrogen RE uzyskała zezwolenie japońskiego ministerstwa infrastruktury i transportu na rozpoczęcie prób na drogach publicznych. Po uzyskaniu właściwych autoryzacji RX-8 Hydrogen RE przeszedł liczne badania, dzięki którym poznano osiągi samochodu, co umożliwiło udostępnienie go instytucjom rządowym i firmom. W marcu 2006 r. pierwszy klient flotowy otrzymał Mazdy RX-8 Hydrogen RE. Mazda RX-8 Hydrogen RE: zoptymalizowana tak, by jak najmniej szkodzić środowisku Poza swoim oznakowaniem, RX-8 Hydrogen RE jest dokładnie taki sam jak tradycyjny RX-8. Łatwo przeoczyć, że pojazd został zmodyfikowany tak, by zmniejszyć szkodliwe emisje do minimum na każdym etapie życia. Silnik wodorowy RENESIS został wyposażony w układ recyrkulacji spalin, umożliwiający połączenie wysokich osiągów i zmniejszenie emisji NOx przy spalaniu wodoru. Mazda RX-8 Hydrogen RE: zaprojektowana dla przyjemności z jazdy i lepszych osiągów Testy na drogach publicznych pierwszego prototypu RX-8 Hydrogen w 2004 r. umożliwiły zebranie bogatych doświadczeń, które wykorzystano opracowując kolejne wersje. Ostatnia wersja HyNor różni się od poprzednika pod wieloma względami. Skrzynia biegów: RX-8 Hydrogen RE w Japonii został wyposażony w 4-biegową skrzynię automatyczną ze sterowaniem łopatkami przy kierownicy. Wersja użyczona do Norwegii została przystosowana do warunków europejskich, do ruchu prawostronnego, i ma 5-biegową skrzynię ręcznie sterowaną. Przełączanie rodzaju zasilania w czasie jazdy: przycisk na tablicy rozdzielczej umożliwia kierowcy przełączenie z wodoru na benzynę w czasie jazdy. Wskaźnik poziomu wodoru, lampka kontrolna rodzaju zasilania i lampki ostrzegawcze są umieszczone na tablicy przyrządów. Facelift nadwozia: wersja HyNor to RX-8 po zmianach, które objęły nową, większą atrapę wlotu powietrza, nowo zaprojektowane reflektory, przednie błotniki i tylne 6
światła LED. Dodatkowo zmodernizowana wersja ma nowy tylny zderzak, a we wnętrzu nową konsolę centralną i koło kierownicy. Mazda RX-8 Hydrogen RE: bezpieczeństwo bez kompromisów Dwa zbiorniki wodoru są umieszczone w bagażniku. Paliwo jest przechowywane pod ciśnieniem ok. 350 barów (35 MPa). Dla pełnego bezpieczeństwa, umieszczono czujniki wodoru w komorze silnika, bagażniku i kabinie pasażerskiej, by wykryć każdy ewentualny wyciek gazowego wodoru. Mazda RX-8 Hydrogen RE: zasilanie dwupaliwowe, by prowadzić spokojnie Dopóki nie zostanie utworzona specjalna sieć stacji tankowania wodoru (obecnie istniejąca w postaci zarodkowej ), trudno wyobrazić sobie eksploatację pojazdu zasilanego wyłącznie wodorem gdziekolwiek w Europie. Mazda RX-8 Hydrogen RE zapewnia rozwiązanie tego problemu: silnik RENESIS pracuje na benzynie lub wodorze. Przełączenia rodzaju zasilania dokonuje się przyciskiem przy kierownicy, nawet gdy samochód jest w ruchu. Po wyczerpaniu zapasu wodoru układ automatycznie przełączy się na zasilanie benzyną. Można przełączyć także z zasilania benzyną na wodór, wciskając przycisk, gdy samochód stoi. To dwupaliwowe zasilanie było możliwe dzięki użyciu standardowych wtryskiwaczy benzyny w kolektorach dolotowych, uzupełnionych o dwa wtryskiwacze wodoru: jeden jest umieszczony w obudowie wirnika i wtryskuje gaz bezpośrednio, dodatkowy znajduje się w kolektorze dolotowym. Układ sterujący silnika wybiera jedno lub drugie paliwo w zależności od położenia przełącznika zasilania lub poziomu wodoru w zbiorniku. Dane techniczne Mazdy RX-8 Hydrogen RE NyNor Pojazd Baza RX-8 dla Europy (5-biegowa skrzynia ręczna) Całkowita długość/szerokość/wysokość 4435/1770/1340 mm Rozstaw osi 2700 mm Masa własna 1450 kg Liczba pasażerów 4 dorosłych Silnik Rodzaj RENESIS Hydrogen RE (zasilanie dwupaliwowe) Pojemność skokowa 0,654 dm3 x 2 Maksymalna moc Na wodorze: 80 kw/109 KM Na benzynie: 80 kw/109 KM Maks. moment obrotowy Na wodorze: 140 Nm Na benzynie: 140 Nm Paliwo Rodzaj wodór/benzyna zbiorniki wodór: 105 dm3 przy 35 MPa (350 barów) Benzyna: 5 dm3 zasięg Zasięg przy stałej prędkości jazdy Na wodorze: 100 km Na benzynie: 45 km 7
4. Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid Osiemnastoletnie doświadczenia Mazdy z paliwami alternatywnymi osiągnęły kolejny etap po wprowadzeniu do sprzedaży nowej Premacy (Mazda5 w Europie) Hydrogen RE Hybrid w 2009. Jest to pierwszy na świecie samochód hybrydowy z silnikiem rotacyjnym, przystosowanym do spalania wodoru i benzyny. W pojeździe wykorzystano wiedzę Mazdy o wodorowych silnikach rotacyjnych i maszynach elektrycznych. Jest to wizytówka technologii środowiskowych i obok silnika wodorowego zawiera wiele ważnych zespołów elektrycznych: silnik elektryczny, akumulatory, elektroniczny układ sterujący. Premacy Hydrogen RE Hybrid ma szeregowy napęd hybrydowy, w którym połączono wodorowy silnik rotacyjny Mazdy i silnik elektryczny. Moc silnika jest przetwarzana na elektryczność, którą jest zasilany silnik elektryczny napędzający koła. W układzie, obejmującym silnik rotacyjny z prądnicą, przetwornicę, silnik elektryczny i akumulatory, można użyć energii zgromadzonej w akumulatorach do zwiększenia osiągów, zależnie od warunków jazdy, co zwiększa zasięg jazdy na wodorze do 200 km oraz moc nawet o 40%, do 110 kw. W rezultacie osiągnięto zerową emisję przy zasilaniu wodorem, a jednocześnie osiągi takie, jak w wersji benzynowej. Mimo zamontowania zbiornika z wodorem ten zielony pojazd ma miejsce dla 5 dorosłych osób i ich bagażu. Zastosowano w nim także wiele przyszłościowych technologii, łącznie z użyciem we wnętrzu opracowanych przez Mazdę biomateriałów pochodzenia roślinnego. Dzięki temu Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid jest idealnym samochodem wszędzie tam, gdzie zaczyna się tworzyć infrastruktura wodorowa. Mazda rozpoczęła użyczanie Premacy Hydrogen RE Hybrid W maju 2009 r. Mazda Motor Corporation zaczęła użyczać swoje Mazdy Premacy Hydrogen RE Hybrid w Japonii, dostarczając pierwszy egzemplarz do Iwatani Corporation, firmy z sektora energetycznego. To drugi pojazd wodorowy z silnikiem rotacyjnym dla Iwatani Corporation, po RX-8 Hydrogen RE udostępnionym w marcu 2006 r. Nowy pojazd będzie używany jako służbowy przez biura tej firmy w zachodniej Japonii, po czym zostanie przekazany do stacji wodorowej Lotniska Kansai w ramach programu JHFC (Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project Japoński Projekt Wodoru i Ogniw Paliwowych). Mazda użyje doświadczeń zebranych przez Iwatani w celu dalszej poprawy osiągów pojazdów z silnikami rotacyjnymi zasilanymi wodorem, ponieważ chcemy mieć swój wkład w budowę przyszłego społeczeństwa wykorzystującego energię z wodoru, powiedział Akihiro Kashiwagi, Program Manager Mazdy odpowiedzialny za rozwój wodorowego silnika rotacyjnego. 8
Zespoły układu napędowego Mazdy Premacy Hydrogen RE Hybrid Silnik elektryczny/prądnica: Mazda używa silnika synchronicznego ze stałym magnesem w hybrydowym układzie napędowym Premacy Hydrogen RE Hybrid. W silniku zastosowano technikę elektronicznego przełączania zasilania cewek, umożliwiającą sterowanie silnikiem tak, by rozwijał duży moment napędowy lub prędkość obrotową; jest to rodzaj elektronicznej przekładni. Dzieje się to nie na drodze mechanicznej, co wymagałoby wyłączania silnika za każdym razem w celu przełączenia cewek, lecz z wykorzystaniem nowoczesnej elektronicznej metody modulacji szerokości impulsu (Pulse Width Modulation - PWM) do sterowania silnikiem i uzyskania płynnej zmiany momentu, wygodnej dla kierowcy. Unikalne w silniku elektrycznym Premacy Hydrogen RE Hybrid są także magnesy. W większości silników magnesy są umieszczone tak, by uzyskać taki sam moment napędowy przy obrotach w obie strony. Ponieważ silnik w Premacy obraca się głównie w jedną stronę, magnesy rozmieszczono tak, by zwiększyć maksymalny moment przy jeździe do przodu. Dzięki temu skonstruowano zwarty silnik o dużym momencie przy małych prędkościach obrotowych i dużej sprawności przy większych prędkościach, co jest trudne do pogodzenia w wielu konwencjonalnych silnikach elektrycznych. Przetwornica (z elektronicznym przełączaniem cewek): Ten zespół zmienia prąd stały z akumulatora na prąd zmienny do zasilania silnika, i odwrotnie na drodze alternator-baterie. W Mazdzie Premacy Hydrogen RE Hybrid przetwornica jest w stanie precyzyjnie dobrać moc kierowaną do silnika, zapewniając sterowanie przyspieszeniem samochodu. Ma ona półprzewodnikowy układ przełączający, który umożliwia szybka zmianę zasilania cewek. W celu sterowania mocą kierowaną do silnika elektrycznego przetwornica wpływa także na prędkość obrotową silnika rotacyjnego, napędzającego prądnicę. Ponieważ prądnica i silnik są ze sobą bezpośrednio sprzęgnięte, przetwornica zarządza przepływem prądu tak, że prądnica działa jako rozrusznik silnika spalinowego. Baterie: Akumulatory Premacy Hydrogen RE Hybrid gromadzą energię dostarczaną przez prądnicę i odzyskowy układ hamulcowy, oddając ją do silnika elektrycznego w czasie przyspieszania i jazdy ze stałą prędkością. Akumulatory w Mazdzie są typu litowo-jonowego (Liion), o gęstości energetycznej 3 razy większej niż akumulatory kwasowe i 1,5 raza większej niż baterie niklowo-wodorkowe. W samochodzie zastosowano zestaw ogniw litowo-jonowych, sterownik akumulatora i skrzynkę podłączeniową (z przekaźnikami włączającymi i wyłączającymi obwody wysokiego napięcia) umieszczone we wspólnej obudowie. Użyto ogniw laminowanych, które mają większą pojemność i mniejszą skłonność do przegrzewania. Na elektrody zastosowano mangan, który jest bezpieczny i łatwo dostępny. Sterownik baterii współpracuje z układem kontrolnym pojazdu informując o stanie naładowania, wyrównując stopień naładowania poszczególnych ogniw oraz maksymalny pobór i wydatek mocy. Działanie układu Rozruch Energia z akumulatorów napędza silnik elektryczny. Moment jest przekazywany przez przekładnię do mechanizmu różnicowego, poruszając koła jezdne. Jeśli jest potrzebna dodatkowa moc, np. do nagłego przyspieszenia, włącza się silnik spalinowy. Normalna jazda Przy wzroście prędkości włącza się silnik spalinowy. Prądnica, połączona bezpośrednio z nim, przetwarza energię cieplną silnika na prąd i przez przetwornicę napędza silnik elektryczny. 9
Przyspieszanie Gdy jest potrzebny dodatkowy moment np. przy pokonywaniu wzniesienia lub przyspieszaniu, do zwiększenia mocy jest używana energia z akumulatorów. Hamowanie Silnik elektryczny działa jak prądnica, przetwarzając energię hamowania na prąd i ładując akumulatory. Na postoju Na ogół silnik powinien się wyłączyć. Jeśli jednak akumulatory są wyczerpane, silnik będzie pracował na biegu jałowym, by je doładować. Cechą tego układu jest bezpośrednie powiązanie ilości wytwarzanej energii elektrycznej z mocą silnika spalinowego. Ponieważ ta energia zasila silnik elektryczny, obie jednostki napędowe pracują jakby były ze sobą zsynchronizowane, zapewniając kierowcy pełne wrażenia z jazdy Zoom-Zoom. Interface kierowcy 1. Przełącznik rodzaju paliwa. Przełącznik jest umieszczony po prawej stronie tablicy przyrządów. Zmiana zasilania jest sygnalizowana dźwiękiem i przez lampkę kontrolną. 2. Tablica przyrządów. Lampki ostrzegawcze układu zasilania wodorowego i hybrydowego są umieszczone w dobrze widocznym miejscu pośrodku tablicy przyrządów, na wprost kierowcy. Wskaźniki poziomu wodoru i benzyny są po prawej stronie. W czasie jazdy świeci się lampka kontrolna benzyny lub wodoru, wskazując, które paliwo jest używane. 3. Wskaźnik przepływu energii. W Mazdzie Premacy Hydrogen RE Hybrid wodorowy silnik z tłokiem wirującym jest włączany i wyłączany automatycznie i albo doładowuje akumulator, albo wymaga dodatkowej energii do wspomożenia swej pracy, w zależności od stylu jazdy. Wskaźnik przepływu energii jest umieszczony w górnej części tablicy przyrządów i mogą go obserwować wszyscy pasażerowie. Na wskaźniku jest pokazane aktualnie włączone źródło napędu oraz przepływ energii przez silnik spalinowy, prądnice, silnik elektryczny i akumulator. 10
Szeregowy hybrydowy układ napędowy Mazdy Układy napędowe pojazdów hybrydowych można ogólnie podzielić na trzy kategorie, zależnie od sposobu użycia silnika spalinowego i elektrycznego: na równoległe, szeregowo-równoległe i szeregowe. W układzie równoległym oba silniki są używane jednocześnie do napędu kół. W układzie szeregowo-równoległym koła napędza silnik spalinowy lub elektryczny, lub oba. W układzie szeregowym moc silnika jest w całości przetwarzana na prąd, a koła są napędzane wyłącznie przez silnik elektryczny. Mazda wybrała szeregowy układ hybrydowy dla Mazdy Premacy Hydrogen RE Hybrid w celu uzyskania pełnych korzyści z zastosowania półprzewodnikowych układów przetwarzania prądu oraz silników elektrycznych o wysokich osiągach. W układzie szeregowym sprawność jest bardzo istotna, ponieważ moment silnika spalinowego jest początkowo przetwarzany na prąd, a później ponownie na napęd mechaniczny. Jak sprawność mechanicznej przekładni zębatej, tak i sprawność elektryczna prądnicy i silnika są bardzo ważne. W porównaniu z mechanicznym układem przeniesienia napędu, prądnica i silnik elektryczny mają znacznie większy potencjał rozwojowy. Oczekuje się znacznego zwiększania sprawności napędów hybrydowych w przyszłości. W konwencjonalnych układach szeregowych silnik spalinowy jest używany w celu zwiększenia zasięgu pojazdu elektrycznego. Silnik nie ma połączenia z kołami, więc może pracować ze stałą, optymalną prędkością niezależnie od stylu jazdy. Mazda dba jednak, by każdy z jej samochodów miał w sobie Zoom-Zoom, więc w Premacy Hydrogen RE Hybrid silnik nie pracuje ze stałą prędkością. Po wciśnięciu pedału przyspiesznika prędkość obrotowa silnika i jego hałas zwiększają się lub maleją wraz ze zwiększaniem mocy pobieranej przez silnik elektryczny, dając naturalne odczucia jazdy. Szeregowy układ napędowy znacznie zwiększa wydajność pojazdu. RX-8 Hydrogen RE mógł przejechać 100 km (w japońskim cyklu pomiarowym 10-15) na jednym zbiorniku wodoru. Dzięki nowemu układowi hybrydowemu i większemu zbiornikowi do przechowywania wodoru pod ciśnieniem (powiększony ze 110 to 150 litrów) Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid może przejechać dwukrotnie dalej, 200 km, choć jej masa całkowita jest dwukrotnie większa. Dodatkowo, przy zasilaniu wodorem układ hybrydowy zwiększa moc napędu wodorowego o 40%. Materiały pochodzenia roślinnego Mazdy Biotworzywa sztuczne W Mazdzie Premacy Hydrogen RE Hybrid zastosowano pokrywę przy dźwigni sterowania skrzynią biegów, dolną część tablicy przyrządów, drzwiczki schowka na tablicy oraz osłonę zbiornika wodoru wykonane z biotworzyw Mazdy. Biotworzywa to materiał wykorzystujący surowce roślinne, neutralne z punku widzenia cyklu węgla w środowisku. Zastępując tworzywa produkowane z ropy naftowej biotworzywami, zmniejsza się zależność od ropy i bardziej różnicuje bazę surowcową. Dodatkowo, w produkcji biotworzyw, obejmującej fermentację skrobi i cukrów, zużywa się o 30% mniej energii niż w przypadku popularnych tworzyw ropopochodnych, jak polipropylen. By można je było wykorzystać we wnętrzach samochodów, biotworzywa muszą być wystarczająco mocne, zapewniając bezpieczeństwo pasażerów i niezawodność samochodu. Muszą mieć także właściwości umożliwiające formowanie wtryskowe, by uzyskać wygląd 11
wysokiej jakości. W porównaniu z powszechnie stosowanymi biotworzywami, te używane w pojazdach muszą mieć dużo większą udarność i wytrzymałość cieplną. Dzięki wspólnemu programowi* z udziałem władz lokalnych oraz uczelni i organizacji przemysłowych, Mazda opracowała nowy polikwas mlekowy (poliaktyd)** pochodzenia roślinnego, o zmienionej strukturze molekularnej zwiększającej jego temperaturę topnienia. Dzięki użyciu tego nowego kwasu jako substancji wspomagającej krystalizację, poprawia się odporność cieplną biotworzywa i można go kształtować przez wtrysk. Mazda ulepszyła także strukturę cząsteczkową dodatkiem zwiększającym elastyczność, co poprawia zdolność biotworzywa do absorbowania i rozpraszania energii zderzenia. W porównaniu z innymi biotworzywami, np. używanymi w urządzeniach elektrycznych, tworzywa opracowane przez Mazdę są 3-krotnie bardziej wytrzymałe (udarowo) i mają o 25% większą odporność cieplną, na poziomie zbliżonym do tworzyw uzyskiwanych z przerobu ropy naftowej, stosowanych we wnętrzach pojazdów. *W projekcie uczestniczyły: Uniwersytet w Hiroshimie, Nishikawa Rubber Co., Ltd., Instytut Badań Technicznych Prefektury Hiroshima Zachodnia, DaikyoNishikawa Corporation, Japan Steel Works Ltd., Wyższa Szkoła Techniczna Kinki, Państwowy Instytut Browarnictwa, Yasuhara Chemical Co. Ltd., MANAC Inc., Mazda Motor Corporation (w sumie 2 uczelnie wyższe, 6 korporacji i 2 instytuty naukowe) **Tworzywo uzyskane w wyniku połączenia dużej ilości cząsteczek kwasu mlekowego, produkowanego w wyniku fermentacji węglowodanów, np. cukrów roślinnych. Biotkaniny Cała tapicerka siedzeń i panele drzwi w Mazdzie Premacy Hydrogen RE Hybrid są wykonane z biotkanin Mazdy. Ten materiał jest zrobiony w 100% z włókien pochodzenia roślinnego i został opracowany wspólnie z Teijin Ltd. i Teijin Fibers Ltd. Tkanina nie zawiera składników pochodzących z przetwarzania ropy naftowej, ma odpowiednio wysoką jakość i wytrzymałość do zastosowania we wnętrzach samochodów. W biotkaninach Mazdy użyto nowego polikwasu mlekowego, uzyskanego w czasie prac nad biotworzywami Mazdy, jako czynnika krystalizującego do sterowania strukturą cząsteczkową w celu uzyskania stereokompleksu***. Tej technologii użyto do poprawy wytrzymałości włókna, aż tkanina uzyskała zadowalającą odporność na zużycie i starzenie w codziennym użytku na pokryciach siedzeń. Inne właściwości kluczowe dla tego zastosowania, jak odporność na płomień, zostały uzyskane dzięki doświadczeniom Mazdy z obróbką powierzchniową zdobyte przez lata wspólnych projektów z wieloma firmami. 12
Wprowadzono także ulepszenia w strukturze włókna i procesie barwienia, by poprawić wrażenie w dotyku i jakość materiału. Wychodząc naprzód, Mazda planuje badania i rozwój biomateriałów produkowanych z biomasy pochodzącej z roślin niejadalnych, tak jak odpadki roślinne i tartaczne, by nie zmniejszać zasobów żywności. ***Mocna struktura krystaliczna uzyskiwana w wyniku polimeryzacji L- i D-aktydów. Dane techniczne Mazdy Premacy Hydrogen RE Hybrid Pojazd Baza Mazda Premacy Całkowita 4565/1745/1620 mm długość/szerokość/wysokość Masa własna 1760 kg Liczba pasażerów 5 dorosłych Silnik Typ RENESIS wodorowy z tłokiem wirującym (zasilanie dwupaliwowe) Pojemność skokowa 0,654 dm3x 2 Moc 80 kw Silnik elektryczny Typ Silnik synchroniczny prądu zmiennego Moc maks. 110 kw Maks. moment obrotowy 350 Nm Prądnica Typ Alternator synchroniczny Baterie Typ Litowo-jonowe Moc 40 kw Paliwo Rodzaj Wodór/Benzyna Zbiorniki paliwa Wodór: 150 l (pod ciśnieniem 35 MPa) Benzyna: 25 l Zasięg Na wodorze: 200 km Na benzynie: ok. 400 km 13
5. Dodatek: historia pojazdów wodorowych Mazda 1991 Mazda HR-X Pierwszy pojazd z wodorowym silnikiem rotacyjnym. 1992 wózek golfowy Mazdy pierwszy prototyp Mazdy z ogniwem paliwowym 1993 Mazda HR-X2 Drugi pojazd z wodorowym silnikiem rotacyjnym. 1993 Mazda MX-5 Prototyp Mazdy MX-5 z wodorowym silnikiem rotacyjnym. 1995 Mazda Capella Cargo Pierwszy test pojazdu z rotacyjnym silnikiem wodorowym na drogach Japonii. 1997 Mazda Demio FC-EV Prototyp kompaktowego pojazdu z ogniwem paliwowym. 2001 Mazda Premacy FC-EV Kompaktowy minivan z ogniwem paliwowym przetwarzającym metanol. Pełne badania drogowe w Japonii. 2003 Mazda RX-8 Hydrogen RE Pierwszy prototyp RX-8 z rotacyjnym silnikiem wodorowym. 2004 Mazda RX-8 Hydrogen RE Pierwsze badania drogowe zasilanego wodorem RX-8 z układem dwupaliwowym, umożliwiającym jazdę na wodorze lub benzynie zgodnie z życzeniem kierowcy. 2005 Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid Mazda przedstawiła Premacy Hydrogen RE Hybrid na salonie samochodowym w Tokio. Jest to przednionapędowy minivan z dwupaliwowym silnikiem rotacyjnym (benzynowowodorowym), silnikiem elektrycznym i układem start-stop. 2006 Mazda RX-8 Hydrogen RE Mazda Motor Corporation dostarcza samochody RX-8 Hydrogen RE do pierwszych klientów: po raz pierwszy na świecie udostępniono samochody osobowe z silnikami wewnętrznego spalania, które mogą używać zarówno wodoru, jak benzyny jako paliwa. 2007 Mazda RX-8 Hydrogen RE Mazda Motor Corporation podpisuje porozumienie na dostawę RX-8 Hydrogen RE dla HyNor, narodowego projektu tworzenia infrastruktury wodorowej w Norwegii. 2008, październik: Mazda RX-8 Hydrogen RE Mazda Motor Corporation dostarcza pojazd RX-8 Hydrogen RE dla HyNor do wstępnej oceny. 14
2008, czerwiec: Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid Mazda Motor Corporation otrzymuje rządową zgodę na rozpoczęcie prób swojego zielonego minivana na drogach publicznych w Japonii. 2009, marzec: Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid Mazda Motor Corporation rozpoczyna sprzedaż na zasadach komercyjnych wodorowego minivana hybrydowego. 2009 Mazda RX-8 Hydrogen RE Mazda Motor Corporation rozpoczyna dostawy kolejnych RX-8 Hydrogen RE dla HyNor w Norwegii. 15