Połączenie zasilania wodorem i energią elektryczną pozwala na radykalne zmniejszenie emisji toksycznych składników spalin. Hybrydowy układ napędowy, dzięki odzyskaniu części energii kinetycznej pojazdu w trakcie hamowania, pozwala na zwiększenie wykorzystania energii zawartej w paliwie zasilającym pojazd. Taka może być przyszłość motoryzacji w dobie energetycznej transformacji. W oficjalnej prezentacji nowego bolidu, która odbyła się 22 października 2024 r. udział wziął m.in. rektor Politechniki Krakowskiej prof. Andrzej Szarata. Miał okazję poprowadzić innowacyjny pojazd.

Od projektu nadwozia aż po ostateczny kształt bolidu w całości jest on dziełem 10-osobowego zespołu studentów z Koła Naukowego “Silniki Spalinowe”, działającego przy Katedrze Pojazdów Samochodowych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej. Nad konstrukcją pracowali: Dominik Gamoń (przewodniczący Koła), Rafał Włodarczyk, Łukasz Czaicki, Michał Gawliczek, Kamil Guśtak, Jakub Wagner, Mateusz Franczak, Paweł Wojdylak, Oliwia Smorąg, Hubert Curzydło.  Opiekunami Koła są dr inż. Łukasz Rodak, który pomagał zespołowi od strony koncepcyjnej i silnikowej oraz dr inż. Krzysztof Weigel-Milleret, odpowiedzialny za nadzór nad projektem od strony układu kierowniczego, hamulcowego, zawieszenia i przeniesienia napędu.

– Naszym studentom udało się stworzyć pojazd, który jest zasilany zarówno wodorem jak i klasycznie benzyną, a jednocześnie jest hybrydą. Nie jest to technologia, którą wzięto z gotowego samochodu. Studenci opracowali wszystko od zera, sami. Ich wiedza, kompetencje i umiejętności są na absolutnie światowym poziomie, dlatego, że takich samochodów po prostu nie ma – podkreślał podczas prezentacji prof. dr hab. inż. Andrzej Szarata, rektor PK. – Zespół pracował nad tym projektem w swoim czasie wolnym w ramach Koła Naukowego “Silniki Spalinowe”. Determinacja oraz czas poświęcony na zaprojektowanie i złożenie całej konstrukcji mógł być wykorzystany w dowolny inny sposób, a jednak studenci wybrali pracę w laboratorium, czasami po nocach. Bardzo mnie to cieszy i napawa dumą z naszej młodzieży.

Studencka konstrukcja wyrosła na gruncie wieloletnich prac badawczych naukowców Katedry Pojazdów Samochodowych Wydziału Mechanicznego PK, którzy jako pierwsi w Polsce prowadzili prace nad konwersją silników spalinowych na wodorowe. W tym roku zespół kierowany przez prof. Marka Brzeżańskiego zaprezentował publicznie silnik tłokowy przystosowany do zasilania wodorem. Rozwiązanie wzbudziło ogromne zainteresowanie, nie tylko w motoryzacyjnym świecie. A teraz stało się inspiracją dla studenckich innowatorów, którzy – korzystając z mentoringu ekspertów PK – przystosowali do zasilania wodorem silnik motocyklowy, a napęd innowacyjnego bolidu wzmocnili dodatkowo silnikiem elektrycznym.

– Połączenie dwóch silników – spalinowego, zasilanego wymiennie benzyną i wodorem oraz elektrycznego – daje nam nie tylko nowatorski wynalazek, ale też szczególne narzędzie badawcze, które będzie służyło kolejnym pokoleniom inżynierów przemysłu samochodowego do bardzo ważnych badań z zakresu chociażby emisji spalin – mówi prof. dr hab. inż. Jerzy Sładek, dziekan Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej, na którym powstała innowacyjna konstrukcja.

 

W dwóch silnikach wielka moc

Studencki zespół konstruktorów stworzył nowatorskie połączenie silnika spalinowego zasilanego wodorem i silnika elektrycznego w układzie hybrydowym. Wykorzystany w bolidzie silnik spalinowy pochodzi z motocykla. Ma moc 118 kW (160 KM), objętość skokową 988 cm3 i 6-biegową skrzynię sekwencyjną. Silnik elektryczny posiada moc maksymalną 44kW. Maksymalny moment obrotowy to 120Nm. Silnik zasilany jest baterią litowo-jonową o napięciu znamionowym 72V i pojemności 50Ah. Całkowita masa bolidu to 720 kg.

Skąd pomysł na połączenie silnika z motocykla, przerobionego na zasilanie wodorem, z silnikiem elektrycznym?

– Przeanalizowaliśmy dane techniczne silnika motocyklowego i okazało się, że silnik ten nie do końca nadaje się do napędu bolidu. Silnik motocyklowy jest przewidziany do napędu jednostek o znacznie mniejszej masie, dodatkowo układ nie posiada wstecznego biegu. Zastosowanie silnika elektrycznego w układzie hybrydowym rozwiązuje te problemy, ponieważ silnik elektryczny ma maksymalny moment obrotowy w zakresie małych prędkości obrotowych. Dodatkowo realizacja kierunku obrotu wału silnika elektrycznego jest prosta do wysterowania. Daje to możliwość jazdy do przodu i do tyłu – wyjaśnia Michał Gawliczek, student IV roku kierunku pojazdy samochodowe (specjalność diagnostyka i eksploatacja pojazdów samochodowych) na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej, członek Koła Naukowego “Silniki Spalinowe”.

Studenci, pod opieką mentorów z uczelni, stworzyli więc hybrydowy napęd wodorowo-elektryczny.

– W tym przypadku jest to układ hybrydowy równoległy, w którym silnik elektryczny ma możliwość odzysku energii w trakcie jazdy. Wodór to paliwo przyszłości w świecie motoryzacji, stąd jego wybór, ale bolid można tankować także benzyną. Studenci osiągnęli to poprzez równoczesne podłączenie układu zasilania benzyną oraz układu zasilania wodorem. Używane w trakcie jazdy paliwo można w każdej chwili zmienić - nie musimy w tym celu pojazdu gasić, opróżniać zbiornika i tankować ponownie. To rozwiązanie pozwala zbadać jakie jest stężenie toksycznych składników spalin przy zasilaniu benzyną, a jakie przy wodorze w danym punkcie pracy silnika, przy danej prędkości jazdy, prędkości obrotowej czy danym obciążeniu. To wszystko możemy zmierzyć w czasie rzeczywistym – mówi dr inż. Łukasz Rodak z Katedry Pojazdów Samochodowych Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej, opiekun Koła Naukowego “Silniki Spalinowe”.

Obliczeniowa prędkość maksymalna pojazdu to 180 km/h. – Obliczenia zostały dokonane dla zaproponowanego hybrydowego układu napędowego. Na podstawie przeprowadzonych przez nas wyliczeń pojazd powinien mieć zasięg 50 km przy w pełni naładowanej butli z wodorem i baterii trakcyjnej – mówi Michał Gawliczek.

Większość elementów konstrukcyjnych pojazdu takich jak: elementy układu zawieszenia, układu kierowniczego, układu paliwowego, układu napędowego zostały zaprojektowane i wykonane we własnym zakresie przez członków Koła Naukowego “Silniki Spalinowe”. Mowa tu o m.in. o konstrukcji zawieszenia, projekcie mocowania silników, wycinaniu czy spawaniu elementów pojazdu. Studenci wykonali też projekt 3D ramy bolidu, na podstawie którego powstał pierwszy model karoserii z aluminium.

– To o wiele tańszy materiał od laminatu czy włókna węglowego, a różnica w wadze końcowej pojazdu jest niewielka. Aspekt ekonomiczny studenckiego projektu był bardzo istotny. Studenci rozrysowali elementy karoserii, które zostały laserowo wycięte, a następnie przymocowane do ramy. W pewnym sensie była to także nauka całego procesu uzyskania gotowego nadwozia pojazdu – od projektu do efektu końcowego – mówi dr inż. Łukasz Rodak.

Całkowity koszt konstrukcji bolidu „H2H” zespół ocenia na od 60 do 80 tysięcy złotych.

Mocno skomplikowany gokart

Największą różnicą w sposobie jazdy pomiędzy bolidem „H2H” a zwykłym samochodem jest to, że bolid nie ma systemów wspomagania kierowania. Żeby dobrze nim skręcić trzeba włożyć w manewr trochę siły. Bolid nie ma też systemów korekcji jazdy przy zagrożeniu poślizgiem (ESP) ani ABS (zapobiegania blokowaniu kół). Hamowanie na nawierzchni bez przyczepności opiera się głównie na umiejętnościach kierowcy.

– To zupełnie inne wrażenie z jazdy. Wspomagania nie ma żadnego, aczkolwiek pojazd jest dość nisko położony. Niski środek ciężkości sprawia, że prowadzi się go bardzo dobrze, ale z racji umiejscowienia silników duża część masy znajduje się na tyle pojazdu, przez co trzeba być bardzo czujnym w niesprzyjających warunkach drogowych – mówi Jakub Wagner, jeden z konstruktorów i kierowca bolidu H2H, także student IV roku na kierunku pojazdy samochodowe. – Samochód jest dość lekki i ma szacunkowo wysoką moc. Podczas jazdy przypomina gokart, ale oczywiście jest dużo bardziej skomplikowany ze względu na dwa silniki, przełożenia na silniku spalinowym i sprzęgło, których w gokartach brak.

Pojazd nie będzie służył do wyścigów i nie będzie podlegał homologacji. Ma status tzw. “nośnika technologii”, a więc będzie używany do prowadzenia zajęć dydaktycznych i badań naukowych. – Między innymi do porównania emisji spalin na paliwie alternatywnym, w tym wypadku wodorze, z emisją silnika napędzanego benzyną. Będzie też służyć do badania hybrydowego układu napędowego w ramach zajęć dydaktycznych ze studentami. Nasi młodsi koledzy będą np. badać pobór energii z baterii oraz jej odzysk podczas hamowania – mówi Paweł Wojdylak, student PK z grupy konstruktorów.

Krótka historia projektu o wielkim znaczeniu

Prace konstrukcyjne nad pojazdem trwały wprawdzie tylko cztery, ale za to intensywne miesiące. Studenci spędzali kilkanaście godzin dziennie w laboratorium Katedry Pojazdów Samochodowych, aby mieć pewność, że wszystkie wyliczenia zostały sprawdzone, wszystkie elementy zainstalowane poprawnie. W tej chwili bolid jest gotowym projektem, ale studenci zaznaczają, że ich  konstrukcja daje też przestrzeń do dalszego rozwoju i poprawek. Można optymalizować zasięg bolidu, zużycie wodoru, odzysk energii elektrycznej czy komfort jazdy – wymieniają konstruktorzy.

Jak twierdzą, najtrudniejsze podczas prac na pojazdem wcale nie były rozwiązania techniczne, a... połączenie obowiązków studenckich z pracą nad bolidem. Ale były za to nagrody: – Największą frajdę sprawił nam pierwszy wyjazd z laboratorium, pierwsze uruchomienie bolidu na silniku spalinowym, które było dla nas dużym, pozytywnym impulsem i kopem naprzód – mówi Michał Gawliczek.

Projekt dał studentom szansę, by przełożyć wiedzę teoretyczną, zdobytą podczas studiów do inżynierskiej praktyki. – Dowiedzieliśmy się jak od początku do końca działają wszystkie układy w samochodzie oraz jak je zaprojektować i umiejscowić. To była bardzo ciężka praca, często okazywało się, że nie ma prostych rozwiązań. Nawet takie kwestie jak umiejscowienie foteli czy pedałów gazu i hamulca to były długie godziny wyliczeń, rozważań różnych wariantów. Na koniec jednak to co wszyscy teraz czujemy patrząc na nasz bolid, to po prostu wielka satysfakcja – mówi Paweł Wojdylak.

Prezentacja z rektorem w roli kierowcy

Oficjalna prezentacja  bolidu H2H odbyła się we wtorek 22 października na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej. Wzięli w niej udział studenci-konstruktorzy wraz z opiekunami naukowymi, dziennikarze, a także władze uczelni, wydziału i katedry: rektor PK prof. Andrzej Szarata, dziekan Wydziału Mechanicznego PK prof. Jerzy Sładek oraz kierownik Katedry Pojazdów Samochodowych prof. Marek Brzeżański. Po krótkim instruktażu etatowego kierowcy bolida Jakuba Wagnera próbną jazdę w roli kierowcy odbył rektor PK.  – Niesamowite wrażenia – mówił wysiadając z bolidu,  który imponuje solidnym przyśpieszeniem...

Wydział Mechaniczny Politechniki Krakowskiej to pionierska jednostka w skali Polski, jeśli chodzi o stosowanie wodoru jako paliwa w transporcie i przemyśle. W styczniu tego roku zespół naukowców z Katedry Pojazdów Samochodowych pod kierownictwem prof. dr hab. inż. Marka Brzeżańskiego zaprezentował publicznie tłokowy silnik spalinowy, który został przystosowany do zasilania wodorem. Wcześniej naukowcy Katedry opracowali i wdrożyli autorskie rozwiązanie oparte na wykorzystaniu odpadowego wodoru do praktyki  przemysłowej.

– Cieszę się, że studenci podchwycili ideę stosowania wodoru jako nośnika w transporcie. Wpadli na innowacyjne rozwiązanie i wprowadzili je w życie. Mamy tutaj odzysk z energii hamowania, a jednocześnie, jeżeli tej energii brakuje, to zasilamy wtedy cały układ napędowy czystym ekologicznie paliwem. Wybraliśmy jako Katedra Pojazdów Samochodowych akurat taką specjalizację - wodór jako paliwo przyszłości - bo żyjemy w czasach pilnej potrzeby nowego, czystego źródła energii. Mam nadzieję, że koncepcje oparte o wodór będą odpowiedzią na to zapotrzebowanie – mówi prof. Marek Brzeżański.