Pojazd z wodorowym silnikiem spalinowym (HICEV, ang. hydrogen internal combustion engine vehicle) to rodzaj pojazdu wodorowego, w którym wodór jest spalany bezpośrednio w silniku spalinowym (najczęściej tłokowym; rzadziej w innych odmianach, np. Wankla). Pojazdy z wodorowym silnikiem spalinowym różnią się od pojazdów z wodorowym ogniwem paliwowym, w których wodór wykorzystywany jest elektrochemicznie, a nie w procesie spalania. W praktyce wodorowy silnik spalinowy jest zmodyfikowaną odmianą zasilanego benzyną.
W praktyce wodorowe silniki spalinowe najczęściej są odmianą klasycznego silnika o zapłonie iskrowym (konstrukcyjnie zbliżonych do silników benzynowych), ponieważ zapłon samoczynny mieszaniny wodór–powietrze jest trudniejszy do uzyskania w typowej konfiguracji silnika Diesla. Wodór bywa jednak stosowany także w silnikach o zapłonie samoczynnym w układzie dwupaliwowym, gdzie jest współspalany z niewielką dawką pilotującą oleju napędowego inicjującą zapłon. Opisywano również przebudowy silników wysokoprężnych do pracy na wodór przez konwersję na zapłon iskrowy (m.in. przez dodanie układu zapłonowego i zmianę układu zasilania).
Czysty wodór nie zawiera węgla, więc w spalinach powstających przy spalaniu samego paliwa nie powstaje dwutlenek węgla (CO₂). Eliminuje to główną emisję gazu cieplarnianego typową dla spalania paliw ropopochodnych. Z tego samego powodu wkład samego paliwa w emisje związków węglowych, takich jak tlenek węgla (CO) czy niespalone węglowodory (HC), jest zerowy. W praktyce śladowe ilości CO lub HC mogą jednak pochodzić np. ze spalania oleju silnikowego (a nie z samego wodoru). Spalanie wodoru zachodzi jednak w atmosferze zawierającej azot i tlen, co może prowadzić do powstawania tlenków azotu (NOx). W tym zakresie proces spalania jest podobny do spalania innych paliw w wysokiej temperaturze (np. nafty, benzyny, oleju napędowego czy gazu ziemnego), dlatego silniki spalinowe zasilane wodorem nie są uznawane za „zeroemisyjne”.
Historia
W 1806 François Isaac de Rivaz skonstruował – jeden z pierwszych silników spalinowych – pracujący na mieszaninie wodoru i tlenu. Étienne Lenoir zbudował pojazd w 1863. W 1970 Paul Dieges uzyskał patent dotyczący modyfikacji silnika benzynowego umożliwiającej pracę w układzie wodorowo-tlenowym.
rozwija silniki spalinowe zasilane wodorem od 1970 roku. Opracowano m.in. autobus z wodorowym silnikiem spalinowym oraz samochód ciężarowy.
Mazda rozwijała silniki Wankla przystosowane do spalania wodoru. Zaletą wykorzystania silników spalinowych (tłokowych i Wankla) jest niższy koszt dostosowania produkcji w porównaniu z całkowicie nowymi układami napędowymi. Klasyczne technologie mogą też być wykorzystywane tam, gdzie ogniwa paliwowe – zwłaszcza PEMFC – wymagają dodatkowych strategii rozruchu i ochrony w temperaturach ujemnych (m.in. z powodu zamarzania wody produktowej w stosie, co może utrudniać rozruch i powodować degradację struktur porowatych).W 1990 elektryczny pojazd solarny przerobiono na napęd wodorowy z wykorzystaniem czterosuwowego silnika Honda GX110 o pojemności 107 cm³. Badania obejmowały straty w łańcuchu konwersji: słońce → energia elektryczna → elektroliza → magazynowanie → silnik → przeniesienie napędu → koła. W porównaniu z wersją akumulatorowo-elektryczną układ wodorowy miał niższą sprawność całego systemu (około 4× niższą przy jeździe ustalonej oraz około 10× niższą przy częściowym obciążeniu), ale przy tej samej masie magazynu energii (30 kg) zapewniał większy zasięg: 50–90 km dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych wobec 165 km dla 30 kg stalowych butli wodorowych (przy stałej prędkości ok. 45 km/h); w raporcie zastrzeżono jednak, że w realnym ruchu zasięgi mogły być zbliżone. Ponieważ wytwarzanie wodoru na pokładzie uznano za nierealistyczne, wodór produkowano w oddzielnej jednostce/„stacji napełniania” i magazynowano w butlach ciśnieniowych przewożonych w pojeździe.
W 2004 r. w pojeździe BMW H2R z wodorowym silnikiem spalinowym uzyskano prędkość powyżej 300 km/h; BMW podawało m.in. wynik 300,175 km/h w próbie „flying-start kilometre”, a następnie informowało o oficjalnym potwierdzeniu rekordów przez FIA. W latach 2006–2007 BMW prowadziło program demonstracyjno-testowy z udziałem luksusowego samochodu z wodorowym silnikiem spalinowym; prędkość maksymalna tego modelu była elektronicznie ograniczona do 230 km/h (143 mph). Początkowo wyprodukowano niewielką serię 100 egzemplarzy, wykorzystywaną m.in. w programie jazd testowych prowadzonym od listopada 2006 r..Niezależnie od projektów samochodowych, wodór jako paliwo dla silników spalinowych prezentowano także w zastosowaniach przemysłowych. W wariancie HICEV, na targach CeMAT 2008 w Hanowerze firma Linde zaprezentowała koncepcyjny wózek widłowy z tłokowym silnikiem spalinowym z bezpośrednim wtryskiem wodoru, oparty na serii Linde 39X; w opisie demonstratora wskazano m.in. wymienny kartridż/zbiornik o pojemności ok. 26 l wodoru (układ 350 bar) oraz doładowany silnik tłokowy o pojemności 2,0 l i mocy 43 kW (Volkswagen Industrial Engines). W materiałach projektowych i branżowych wskazywano także na wodorowe wózki widłowe oparte na konwersji silników wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim.
Firma opracowała hybrydowy system zasilania umożliwiający pracę silnika spalinowego na benzynie i wodorze – oddzielnie lub jednocześnie. Technologię tę zastosowano w samochodzie Aston Martin Rapide S podczas wyścigu . Rapide S był pierwszym pojazdem, który ukończył wyścig z wykorzystaniem tej technologii wodorowej.
Rozwój wodorowych silników spalinowych zyskał większe zainteresowanie w latach 2021–2025, zwłaszcza w segmencie ciężkich pojazdów użytkowych, m.in. jako technologia przejściowa w kontekście celów redukcji emisji CO₂ oraz jako rozwiązanie bliższe istniejącym kompetencjom i zapleczu produkcyjnemu przemysłu motoryzacyjnego.
We wrześniu 2022 Kawasaki zaprezentowało prototypowy silnik spalinowy zasilany wodorem, opracowany na bazie silnika z ; według japońskiego Car Watch w jednostce zastosowano wodorowy wtryskiwacz (Denso) będący tym samym elementem, co w „wodorowej Corolli”.
17 maja 2023 Yamaha, Honda, Kawasaki i Suzuki poinformowały o uzyskaniu zgody japońskiego Ministerstwa Gospodarki, Handlu i Przemysłu (METI) na utworzenie technologicznego stowarzyszenia badawczego HySE (Hydrogen Small mobility & Engine technology) w celu rozwoju silników zasilanych wodorem dla tzw. „small mobility” (m.in. motocykli, japońskich mini-pojazdów, małych jednostek pływających, maszyn budowlanych oraz dronów). Rekordy i sporty motorowe mały|Toyota GR Yaris H2 Concept W 2000 roku samochód Shelby Cobra przerobiono na zasilanie wodorem w projekcie kierowanym przez Jamesa W. Heffela (wówczas głównego inżyniera University of California, Riverside CE-CERT). Celem była próba ustanowienia rekordu prędkości dla pojazdów napędzanych wodorem. Pojazd osiągnął 108,16 mph (174,07 km/h), tracąc do rekordu 0,1 mph.
W maju 2021 Toyota Corolla Sport z silnikiem wodorowym wystartowała w rundzie 3 serii (NAPAC Fuji Super TEC 24 Hours) i ukończyła wyścig 24-godzinny. Toyota zapowiadała wykorzystanie doświadczeń w zakresie bezpieczeństwa z rozwoju i komercjalizacji modelu Mirai.
W listopadzie 2021 pięciu producentów w Japonii (Kawasaki Heavy Industries, Subaru, Toyota, Mazda i Yamaha) ogłosiło wspólne działania na rzecz poszerzenia opcji paliwowych z wykorzystaniem silników spalinowych w kontekście neutralności węglowej, podczas rundy 6 (3-godzinnej) Super Taikyu na torze Okayama International Circuit. Według relacji medialnych wskazywano, że problemem są emisje, a nie same silniki spalinowe, oraz że potrzebny jest zestaw różnych rozwiązań. Podczas wydarzenia Yamaha pokazała 5,0-litrowy silnik V8 na wodór oparty na jednostce .
W czerwcu 2022 Toyota informowała o postępach w Super Taikyu Series, m.in. o poprawie zasięgu, mocy i momentu obrotowego oraz usprawnieniach w logistyce dostaw wodoru.
W lipcu 2022 Isuzu, Denso, Toyota, Hino Motors i CJPT ogłosiły rozpoczęcie planowania i badań podstawowych nad wodorowymi silnikami dla ciężkich pojazdów użytkowych.
W sierpniu 2022 Toyota przeprowadziła pokazowy przejazd GR Yaris H2 podczas rundy 9 WRC w Ypres.
W maju 2023 Corolla Sport z silnikiem na ciekły wodór wystartowała w rundzie 2 Super Taikyu (NAPAC Fuji SUPER TEC 24 Hours Race) i ukończyła wyścig; wskazywano, że był to pierwszy start samochodu na ciekły wodór w wyścigu.
W czerwcu 2023 Toyota zaprezentowała wyścigowy koncept GR H2 Racing Concept przygotowany dla 24 Hours of Le Mans.
Sprawność Sprawność cieplna idealnego cyklu Otta zależy od stopnia sprężania i rośnie (w ujęciu idealnym) przy jego zwiększaniu. W silnikach praktycznych osiąga się część sprawności idealnej; w literaturze wskazuje się także limity wynikające z założeń konstrukcyjnych i ekonomicznych.
W jednym z opracowań omawiających termodynamikę ogniw paliwowych wskazano, że (dla wodoru, przy wykorzystaniu dolnej wartości opałowej) maksymalna sprawność ogniwa paliwowego może sięgać ok. 94,5%, a sprawność wodorowego silnika spalinowego może być zbliżona do sprawności klasycznych silników spalinowych; przy optymalizacji możliwe są niewielkie wzrosty. W analizach porównawczych zestawia się charakterystyki sprawnościowe silnika spalinowego i ogniwa paliwowego (m.in. zależność od obciążenia).
Dla małych silników spalinowych sprawność może istotnie spadać. Przykładowo, silnik czterosuwowy 67 ml po konwersji na wodór, badany na hamowni w najlepszym punkcie pracy, osiągnął 21% sprawności. W badaniach drogowych lekkiego pojazdu z silnikiem 107 ml (Honda GX110) uzyskano obliczeniowo 3,5%–5,9% sprawności średniej i 7,5% szczytowej; raportowano także zużycie wodoru w funkcji prędkości.
Emisje zanieczyszczeń mały|Widok silnika HICEV w pojeździe koncepcyjnym Iveco Spalanie wodoru z tlenem prowadzi do powstania pary wodnej: 2H2 + O2 → 2H2O
Ponieważ powietrze zawiera azot, spalanie wodoru w powietrzu może wytwarzać tlenki azotu (NOx), podobnie jak spalanie innych paliw w wysokiej temperaturze. Z tego powodu silniki spalinowe na wodór nie są uznawane za „zeroemisyjne”.
Pod koniec 2021 roku niemal 96% światowej produkcji wodoru pochodziło z paliw kopalnych (głównie z gazu ziemnego, węgla i ropy), a ok. 4% z elektrolizy. Oznacza to, że choć emisje związane z samym wykorzystaniem wodoru mogą być niskie, łączne emisje gazów cieplarnianych zależą przede wszystkim od tego, w jaki sposób wodór został wytworzony.
Nowsze dane IEA wskazują, że w 2023 globalna produkcja wodoru osiągnęła 97 Mt, a wodór niskoemisyjny stanowił mniej niż 1% produkcji; niemal dwie trzecie wodoru wytwarzano z „unabated”Bez zastosowanych środków redukcji emisji CO₂ przy źródle. gazu ziemnego, a ok. 20% z „unabated” węgla.
Emisje związane z wykorzystaniem wodoru mogą być niskie w zakresie CO₂ z paliwa, ale łączne emisje gazów cieplarnianych w całym „cyklu życia” wodoru zależą przede wszystkim od metody jego wytwarzania; IEA podaje m.in., że wodór z „unabated” gazu ziemnego wiąże się typowo z emisjami rzędu 10–12 kg CO₂-eq/kg H₂, a z „unabated” węgla 22–26 kg CO₂-eq/kg H₂, natomiast w przypadku elektrolizy emisje zależą od emisyjności wykorzystanej energii elektrycznej.
Wodór ma szeroki zakres palności (ok. 3%–70% H2 w powietrzu), co umożliwia pracę silnika w szerokim zakresie składów mieszanek, w tym na mieszankach ubogich, co może obniżać temperaturę spalania i emisje NOx. Normy emisji (m.in. europejskie) obejmują pomiar emisji CO, węglowodorów, NOx, cząstek stałych oraz liczby cząstek.