回顧全球首例液態(tài)氫發(fā)動機汽車歷時1年半的研發(fā)軌跡 第2輪比賽富士站

目錄

? “現(xiàn)在不開始，未來就不會改變”
? 精確到令人“難以理解”的豐田規(guī)格
? 全社總動員將半年的工期壓縮至3個月
? 車輛火災讓研發(fā)陷入中斷危機
? 不是“復原”而是“進化”
? 長達24小時的挑戰(zhàn) 不僅僅是汽車的進化…
? 朋友圈因挑戰(zhàn)而擴大

由豐田汽車研發(fā)制造的液態(tài)氫發(fā)動機汽車，于5月28日成功完跑了2023年ENEOS超級耐力賽第2輪比賽，即NAPAC富士SUPER TEC 24小時耐力賽。

液態(tài)氫燃料發(fā)動機汽車參加耐力賽以屬全球首例，況且首秀賽就要面對最為嚴酷的24小時耐力賽考驗，可謂挑戰(zhàn)性極強。所幸不負眾望，液態(tài)氫燃料發(fā)動機汽車完跑了位于日本靜岡縣小山町的富士國際賽車場358周，1634公里。

該車型從著手研發(fā)至完成參賽，用時僅1年半。之所以能夠實現(xiàn)這樣的超敏捷研發(fā)，完全仰仗于研發(fā)成員們不懈的努力。他們每日絲毫不敢松懈、夜以繼日地進行著試錯運行。

聚焦研發(fā)一線的豐田時報，本期將為各位帶來該項目研發(fā)軌跡的詳細報道。敬請垂閱！

“現(xiàn)在不開始，未來就不會改變”

一年前的2022年6月，GR車輛研發(fā)部的高橋智也部長（現(xiàn)任GAZOO Racing Company President）在富士24小時超級耐力賽上，就年初開始的液態(tài)氫燃料發(fā)動機汽車研發(fā)情況進行說明時，如此說道。

“現(xiàn)在我們還沒有正式進入行駛測試階段，研發(fā)之道雖長，但行將則至。所有研發(fā)成員都懷揣‘現(xiàn)在不開始，未來就不會改變’的想法，干勁十足?！?/p>

距離以氣態(tài)氫燃料發(fā)動機汽車參賽僅一年的時間，致力于實現(xiàn)零碳排的豐田，再次向汽車運動一線發(fā)起了挑戰(zhàn)，以全新的技術又邁出了堅實的一步。

使用液態(tài)氫燃料最大的優(yōu)勢在于續(xù)航里程的提高。

液態(tài)氫燃料的能量密度（單位體積內包含的能量）約為氣態(tài)氫的1.7倍，因此可以支持汽車行駛更長里程。

而且，因為不需要像氣態(tài)氫一樣進行高壓儲存，因此可以自由地設計儲氫罐形狀*，以便于更合理地安排后座空間。
*高壓儲存時因需要向罐內加壓，因此儲氫罐形狀只能設計成可均勻分散壓力的“圓筒形”。

然而液態(tài)氫燃料發(fā)動機的研發(fā)也存在技術難點，那便是如何控制溫度使液態(tài)氫保持在-253℃的超低溫環(huán)境中。

雖然現(xiàn)行汽車的發(fā)動機可以直接使用液態(tài)氫燃料，但也必須配套研發(fā)出一款能夠保證灌入液態(tài)氫后不會氣化，具有超高保溫性能的液態(tài)氫專用儲存罐。

此外，還需要研發(fā)如液態(tài)氫增壓泵、使液態(tài)氫氣化進行熱交換的化油器、根據(jù)駕駛者的油門控制，供給適量氫燃料的壓力室等，一系列全新結構零件。

車載液態(tài)氫發(fā)動機系統(tǒng)的結構。

由于液態(tài)氫發(fā)動機的研發(fā)一切都是從零開始，在很多零件都還沒有確定最終形狀的情況下，去年，研發(fā)組成員們向記者團公開了液態(tài)氫發(fā)動機系統(tǒng)的模型。

彼時，擔任研發(fā)具體工作隸屬于GR車輛研發(fā)部的山本亮介主任，在采訪中如此說道。

“現(xiàn)在，已有許多供應商參與了項目研發(fā)，為我們提供了幫助。但在此，我們還是想為本項目做一下宣傳，進一步擴大朋友圈，眾擎易舉讓技術得到升華，使研發(fā)早日實現(xiàn)。希望能以今天的記者會為契機，讓更多志同道合的人了解我們在做什么，然后加入我們?！?/p>

精確到令人“難以理解”的豐田規(guī)格

話雖如此，但實際上尋找合作方卻并不簡單。

以往使用液態(tài)氫燃料的移動出行工具只有火箭，其他的領域幾乎沒有使用先例。

雖然能找到大型儲氫罐的制造商，但負責研發(fā)乘用車搭載的小型儲氫罐制造商卻幾乎一家都沒有。

以山本主任為首的研發(fā)團隊對日本各地進行了調查。他們想找的合作企業(yè)是，既擁有制造小型儲氫罐這一“研發(fā)關鍵所在”的技術力，又具備能滿足比賽時所需的敏捷研發(fā)力。

在這種前提下，經(jīng)熟人介紹研發(fā)團隊找到了位于日本山口縣宇部市的新光產(chǎn)業(yè)。

該公司是一家專門承接土木、建筑等大型工程的公司。之所以最后決定委托新光產(chǎn)業(yè)制造儲氫罐，主要是因為他們擁有非常優(yōu)秀的焊接匠人與焊接技術。

制作時要利用有限的空間，造出一個盡可能大的真空雙層液態(tài)氫儲存罐，并且還要再加裝一個氫燃料出入的噴嘴。而且，由于這種儲氫罐只制造一件，因此所有的焊接工作都要由手工作業(yè)完成。

即便是非常擅長焊接的新光工事*，面對如此具有挑戰(zhàn)性的工作也面露難色，河野啟史副部長如此說道。
*新光工事為新光產(chǎn)業(yè)的子公司，該公司還承擔了液態(tài)氫燃料發(fā)動機汽車化油器的研發(fā)與制造工作。

“在與豐田合作前，我們幾乎沒有與汽車制造商合作過。平時主要負責制造起重機，或土木工程所需的一些大型機械。這次與平時不同，并不是一次制造幾十個相同的東西，而是單獨成品的零件。對我們來說，豐田對規(guī)格的要求已經(jīng)到了‘難以理解’的精細程度?！?/p>

豐田對規(guī)格精度的要求達到了毫米級別。因此需要事先計算出焊接導致的形變，并打好提前量納入規(guī)格，這是一項極其困難的工作。

全社總動員將半年的工期壓縮至3個月

另外，制造儲氫罐時還有一個難點，那便是不能隨便更改設計方案。

若要實現(xiàn)從開始研發(fā)到參賽，僅用時1年左右的“超敏捷研發(fā)”，就必須同時研發(fā)各種零件。如果改變儲氫罐的設計方案，那么牽一發(fā)而動全身，勢必會對其他零件造成很大影響。

哪怕只是稍微改一下噴嘴的角度，也會影響到其他管線布局。

但既然是如此艱難的研發(fā)，為何新光產(chǎn)業(yè)還義無反顧地接受了呢。對此疑問，河野副部長回答道。

“因為我切身地感受到了豐田汽車面向未來努力的熱情。如果我們公司也能夠加入項目，為挑戰(zhàn)未來出一份力，那才是真正有意義的工作?！?/p>

“我們希望由新光產(chǎn)業(yè)制造的儲氫罐，搭載到汽車上后能夠正常行駛，能夠在眾人面前證明它的安全性。相信總有一天液態(tài)氫燃料發(fā)動機汽車會普及。為這一天的早日到來，我們公司甘愿全力以赴、鼎力相助。”

儲氫罐的結構零件，如法蘭凸緣盤（管端之間鏈接的部分）和噴嘴類零件，即便使用了符合JIS（日本工業(yè)標準）的材料，依然達不到豐田要求的規(guī)格。

為此，新光集團集全社之力從零開始制作相關結構零件。以超短的交貨期和高精度的品質，交出了滿分答卷。

在需要特殊技能輔助時，他們還特意找回了以退居一線的經(jīng)驗豐富的老前輩來幫忙。

除制造之外，新光集團還同步推進著設計、申報生產(chǎn)許可等工作，投入該項目的人員共計25名。在員工們采取輪休、周末加班等，“新光全體總動員”的努力下，最終將通常需要半年才能完成的工期，縮短至3個月。

“當?shù)谝淮慰吹匠善窌r非常感動，甚至感覺成品比自己的設計還要完美。在手工作業(yè)難以保持精度的情況下，新光產(chǎn)業(yè)能夠最大限度地滿足我們的制造需求，真的太感謝了?！?/p>

車輛火災讓研發(fā)陷入中斷危機

2022年10月，新光產(chǎn)業(yè)制造的儲氫罐首次實裝于汽車。液態(tài)氫系統(tǒng)也通過了多次的機能與安全評價，并在當月，車輛達到了可行駛的狀態(tài)。

接著，在第二年11月，于富士國際賽車場成功完成首次行駛。彼時，豐田將參賽的目標定為了2023年3月的鈴鹿站（首站）。

未知的挑戰(zhàn)總是伴隨著失敗。即使之前沒有任何問題，一旦條件改變，車輛便有可能突然無法啟動。這種情況并不罕見，且現(xiàn)場也發(fā)生了很多出現(xiàn)故障卻很難找到原因的情況。

面對每天可能出現(xiàn)的問題，研發(fā)團隊總是準備充足，做到一線解決問題，踏踏實實地推進。

但是，在出道戰(zhàn)10天后，即3月8日，事故突發(fā)。

在賽道的測試跑中，出現(xiàn)了發(fā)動機艙起火的事故。萬幸的是，駕駛員和相關人員沒有受傷。但由于車輛受損，不得不放棄參加開幕賽。

幸虧事故造成的后果只是退賽的程度。氫燃料發(fā)動機項目總監(jiān)伊東直昭主查說：“這樣巨大的挑戰(zhàn)，不是輕易就能做到的。撞了墻就先停下來，這是常有的事”。

若是“火災”給公眾留下過深的負面印象，項目很可能會被中止。研發(fā)團隊成員的腦海中紛紛浮現(xiàn)出了這樣的不安。

但是，研發(fā)并沒有因此停止。1周后，豐田章男會長和佐藤恒治社長一同出席了比賽缺席的發(fā)表會，并表明了研發(fā)將繼續(xù)下去的意愿。

“這輛車報名的是ST-Q組別比賽。該組別設立的目的，就是為了研發(fā)有助于實現(xiàn)未來移動出行社會的技術，并發(fā)現(xiàn)目前存在的問題。我認為重要的是及時解決出現(xiàn)的問題，并將經(jīng)驗運用到接下來的工作中。我希望大家不要放緩改善的腳步，要持續(xù)推進研發(fā)?！保ㄗ籼偕玳L）

“這是為了實現(xiàn)氫能社會而開始的活動，從一開始我們就強調了‘懷揣斗志與熱情，一起通過行動創(chuàng)造未來’。盡管工程師們說‘不可能做到那樣的事情’，但我們仍然堅持迅速研發(fā)、認真競爭，在周圍人們的注視下推進研發(fā)工作。因為我自己是車手，我希望能將‘危險’的印象轉變?yōu)椤磥砀小！保ㄘS田會長）

在經(jīng)營高層的助推下，研發(fā)團隊以參加24小時耐力賽為目標，這也是2021年氣態(tài)氫COROLLA首秀舞臺，大力推進研發(fā)。

不是“復原”而是“進化”

話雖如此，使用的每一個零件都是獨一無二的。從“白色車身”——沒有發(fā)動機和坐席等的框架狀態(tài)，到零部件等，均需要重新下單，重新制作車輛將耗時2個半月。

一般情況下，日程上完全不可能。但是研發(fā)團隊面對得之不易的全新機會，舉全力重新制作了新的汽車。

而且，他們做到的，不是讓車輛“恢復”到原來的狀態(tài)，而是“進化”。

為了不再引發(fā)火災，在將氫的配管遠離發(fā)動機的高溫區(qū)域的同時，為防止接頭松動，實施了機械性的對策。

此外，即使萬一氫泄漏，還加裝了確保氫傳輸給檢測儀的保護罩，可以說是做到了雙重、三重的安全對策，力求萬無一失。

另外，氣態(tài)氫時增加了300kg左右的車重，液態(tài)氫時，以儲氫罐為中心，成功減重了50kg。

在富士國際賽車場上測試的圈速也超過了氣態(tài)氫汽車第一次參賽時的記錄。

Morizo兼豐田會長在乘坐輕量化后的車后，點著頭說：“感覺比第一次好多了。看來輕量化取得了重大突破，實現(xiàn)了與車輛的對話?！?/p>

長達24小時的挑戰(zhàn) 不僅僅是汽車的進化…

從研發(fā)的評價階段到正式比賽，最令研發(fā)團隊頭疼的就是從儲氫罐輸送出液態(tài)氫的泵。

伊東主查表示“液態(tài)氫技術中當下最難的一點”，是在-253℃的超低溫環(huán)境下，難以保證24小時作用的零件的強度和可信賴性。

因此，在本次比賽中，為了確保安全行駛，團隊計劃在晚上和早上兩次更換泵，即在出現(xiàn)故障之前就進行更換。

但，這是一個相當繁瑣的作業(yè)。首先，要將氫排出，換成安全的氮氣，更換新的泵。然后，將氮氣排出，注入氣態(tài)氫，最后注入液態(tài)氫。

第一次完成替換作業(yè)花了整整4個小時。

第二天清晨，在進行第二次更換泵前，Morizo車手來到了研發(fā)團隊處。他與伊東主查進行了交談，聽聞第一次替換作業(yè)花費了4個小時，笑著說：“那（下一次）就是3個小時了?！?/p>

伊東主查說到“是否可以以折中案考慮，設定為3.5小時”，于是被Morizo激勵地說“我們絕不能自行決定界限在哪兒！”

實際上，3.5小時并不是隨隨便便就定下的時間。這是機械師、工程師反復練習后估計的極限值。

但是，成員們因Morizo的這一“激勵”徹底打開了開關似的，發(fā)揮了最大的集中力。居然把時間控制在了3個小時以內，當發(fā)動機再次發(fā)動時，熱烈的掌聲在維修區(qū)響起，經(jīng)久不息。

更換泵的不是專業(yè)的賽車機械師，而是在研發(fā)一線工作的豐田員工們。在24小時耐力賽這一嚴酷的一線，不僅是汽車，人也得到了鍛煉，實現(xiàn)了前所未有的進化。

朋友圈因挑戰(zhàn)而擴大

汽車也好，人也好，都在24小時耐力賽得到了鍛煉。比賽過程中無任何因大故障而進入維修區(qū)的情況，順利跑完358圈，全長1634km。

神奇的是，這次成績與氣態(tài)氫車首次挑戰(zhàn)24小時耐力賽時相同，完跑了完全相同的圈數(shù)?？梢哉f，是在發(fā)現(xiàn)氫的新的可能性后，又再次站在起點上。這種機緣巧合，亦是這場比賽帶給我們的。

結束了24小時的挑戰(zhàn)后，山本主任表達了謝意：“最初，用泵一滴也沒法輸送液態(tài)氫，通過和各種各樣的公司合作，終于讓車能跑起來了。雖然也經(jīng)歷了各種各樣的挫折，但總算走到了今天?！?/p>

豐田會長在比賽前的早會上，對團隊成員說道。

“當下，要關注碳中和。我們要憑借斗志昂揚的熱情和行動，擴寬未來的選項，搭載氫燃料發(fā)動機的GR COROLLA今年也將參戰(zhàn)。每次在面向超級耐力賽推進研發(fā)時，都有新的伙伴加入。這次，由于燃料變成液態(tài)，增加了更多的伙伴。希望大家團結一心，努力奮斗。哪怕是為了讓汽車能多跑1圈、快跑1秒，憑大家的力量進一步拓寬通往未來的大門吧！”

此次比賽還宣布，將與京都大學、東京大學、早稻田大學共同研究液態(tài)氫泵專用的超導電動機技術。

超導是指導體在超低溫環(huán)境下電阻變?yōu)?的現(xiàn)象。如果能應用于輸送-253℃液態(tài)氫的泵，則有可能實現(xiàn)讓泵或驅動泵的電動機小型、輕量化。

通過發(fā)起新的挑戰(zhàn)，不斷增加新的伙伴。而伴隨著新的伙伴增加，甚至不曾預見的新未來也會在我們眼前展開。憑著意志和熱情去行動，這行動的“車輪”必會掀起巨大的風浪。