W rozmowie: Jim Edwards

Zmiana skal dla silników

Główny inżynier Helix, Jim Edwards, wykorzystuje technologię motorsportową, aby zmniejszyć rozmiar i wagę niezbędne w procesie elektryfikacji. Will Gray bada ten temat bardziej szczegółowo

W świecie elektryfikacji technologia baterii jest często wymieniana jako obszar o największych możliwościach rozwoju. Poprawy w ciągu ostatnich dekad są wyraźnie widoczne – zasięg pojazdów elektrycznych rośnie z roku na rok – ale Jim Edwards uważa, że technologia silników odgrywa równie ważną rolę, szczególnie w sektorach o wysokich wymaganiach wydajnościowych i ciężkich zastosowaniach. Teraz, po karierze stopniowo skupionej na elektryfikacji, niektóre z jego największych osiągnięć mogą być już w zasięgu ręki.

Gdy Edwards rozpoczynał swoją karierę, elektryfikacja była daleka od bycia standardem, ale on od samego początku skupiał się na kwestiach środowiskowych. W 1994 roku, gdy objął pierwszą pracę w Fordzie, analizował cykle jazdy w celu zminimalizowania emisji w rzeczywistych warunkach dla silników turbo-diesel w modelach Escort i Mondeo. Następnie, przenosząc się do placówki testowej Milbrook Proving Ground, pracował nad optymalizacją 20 modeli pojazdów na paliwo mieszane LPG i CNG dla Vauxhall, a potem pomagał w opracowaniu pierwszego autobusu hybrydowego dla Londynu (Wielka Brytania), robiąc pierwsze kroki w dziedzinie pojazdów elektrycznych.

Projekt ten rozpoczął się w 2003 roku, gdy priorytet miasta zmienił się z redukcji emisji NOx na redukcję emisji CO2. Klient pierwotnie opracował autobus z turbiną gazową – który doskonale radził sobie z pierwszym celem, ale nie tak dobrze z drugim. W odpowiedzi na tę zmianę priorytetów zwrócili się do Edwardsa i jego kolegów z gotowym projektem samochodu elektrycznego z baterią o zwiększonym zasięgu i poprosili ich o optymalizację jego funkcjonowania.

„Brałem udział w kalibracji tego hybrydowego systemu, analizując architekturę autobusu oraz cykl jazdy i określając, gdzie możemy udoskonalić jego funkcjonowanie, aby uzyskać maksymalne korzyści w rzeczywistych warunkach użytkowania” – wyjaśnia. „Stworzyliśmy model cyklu jazdy autobusów komunikacji miejskiej w Londynie i, wykorzystując bezwładność pojazdu oraz opór powietrza, mogliśmy przewidzieć wymagania mocy silnika oraz sprawdzić, w jaki sposób najlepiej zarządzać systemem silnika i baterii – regenerując energię, zamiast w pełni ładować baterie, aby można było to robić podczas zjazdów, a także dbając o to, by silnik był wyłączany tak często, jak to możliwe, aby zminimalizować emisje przy biegu jałowym. Był to system bezprecedensowy, a my udało nam się osiągnąć emisje CO2 o 30% niższe od wartości bazowej dla odpowiedniego autobusu na pasażera”.

Rozwój technologii wodorowych

Następnym projektem Edwardsa w Millbrook był kolejny autobus, tym razem wyposażony w ogniwa paliwowe na wodór. Jego praca polegała na instalacji infrastruktury do tankowania wodorem oraz testowaniu autobusu w komorze emisji o zmiennej temperaturze (VTEC). Edwards wspomina: „Komora miała tor jazdy oraz duży system recyrkulacji powietrza i mogła pomieścić do trzech autobusów dwupiętrowych, obsługując je w temperaturach od minus 40 do plus 50 stopni. Na dachu autobusu znajdowało się kilka zbiorników na wodór o długości 3 m, i wiedzieliśmy, że jeśli jeden z zaworów bezpieczeństwa otworzy się w zamkniętym przestrzeni, takiej jak VTEC, może to mieć poważne konsekwencje. Dlatego zainstalowaliśmy wiele czujników wodoru i upewniliśmy się, że całe powietrze jest odprowadzane do systemu wyciągu. Szanse były minimalne, ale nie można podejmować takiego ryzyka.”

To doświadczenie z wodorem skłoniło Edwardsa do przyłączenia się do Intelligent Energy, która w tamtym czasie angażowała się w szeroki zakres prac nad ogniwami paliwowymi – od montażu chłodzonych powietrzem stacków ogniw paliwowych w skuterach marki Suzuki po produkcję małego ładowarki do telefonów komórkowych napędzanego wodorem o mocy 5 W. „Ta ładowarka była naprawdę fajnym urządzeniem” – wspomina Edwards. „Niestety jednak nie odniosła sukcesu”. Ze względu na jego doświadczenie w branży motoryzacyjnej, Edwards skupił się na rozwoju systemów ogniw paliwowych dla samochodów osobowych.

„Mieliśmy 100 kW, dwa zestawy komórek paliwowych, które chłodzono metodą parowania za pomocą własnej technologii” – wyjaśnia. „System wprowadzał wodę w stanie ciekłym jako drobną mgiełkę, która parowała, pochłaniając ciepło, a następnie wypuszczała spaliny w postaci gazu. Dzięki temu uzyskaliśmy znaczną korzyść pod względem gęstości mocy, a ten system zainstalowaliśmy w pojeździe od renomowanego europejskiego producenta samochodów. Mniej więcej w tym samym czasie prowadziliśmy również flotę pięciu taksówek na wodór podczas Igrzysk Olimpijskich w Londynie w 2012 roku, które dowoziły VIP-ów do wioski olimpijskiej.”

Firma odniosła później sukcesy w dziedzinie chłodzonych powietrzem systemów dla dronów, a Edwards wciąż widzi duży potencjał wodoru jako składnika mieszanki energetycznej w motoryzacji. „Obecnie nie ma zbyt dużo nadwyżki paliwa, która mogłaby sprawić, że stanie się ono naprawdę tanie, a ogniwa paliwowe wymagają metali szlachetnych, więc zazwyczaj są drogie. Ale w miejscach, gdzie istnieje dużo odnawialnych źródeł energii, które muszą być w jakiś sposób przechowywane, wodór jest doskonałym rozwiązaniem” – mówi. „Myślę więc, że znajdzie zastosowanie w niszach, gdzie sprawdzi się dobrze – flotach firmowych, ciężarówkach o zmiennym rozstawie osi, pociągach; wszędzie tam, gdzie istnieje określony cykl jazdy i można dostosować infrastrukturę do niego. W takich przypadkach jest to bardzo dobry sposób na eliminację emisji dwutlenku węgla.”

Przez to do energii elektrycznej

Kariera Edwardsa następnie przeniosła się w obszar pojazdów na baterie elektryczne, gdy w 2015 roku dołączył do obecnego pracodawcy, Helix. Objął stanowisko głównego inżyniera o szerokich kompetencjach, obejmujące wiele zadań, w tym współpracę z klientem, pełnienie funkcji łącznika technicznego, analizę cykli jazdy oraz kierowanie zespołem międzyfunkcyjnym składającym się z projektantów elektroniki, elektrotechniki i mechaniki, naukowców oraz techników warsztatowych. „To było stanowisko odpowiednie dla osób o umiejętnościach wszechstronnych”, mówi, wyjaśniając, jak doszedł na takie stanowisko pomimo niewielkiego doświadczenia w technologiach pojazdów na baterie elektryczne.

Jego pierwsze stanowisko kierownicze dotyczyło rozwoju małego e-boostera – elektrycznego superzasilacza. „Zazwyczaj chodzi o silnik elektryczny przymocowany do sprężarki turbosprężarki, pracujący z prędkością około 100 000 obrotów na minutę”, wyjaśnia. „Trudność polega na tym, że w samochodzie osobowym potrzeba mocy nawet do 10 kW

Aby je uruchomić, pojawiają się dwa problemy – silnik przegrzewa się, ponieważ trudno jest usunąć z niego straty energii, a jeśli się nie przegrzeje, bateria się rozładowuje, ponieważ nie ma wystarczającej pojemności na zaspokojenie takiego zapotrzebowania dłużej niż 5 lub 10 minut.

„Aby to obejść, zrobiliśmy coś bardzo mądrego. Zaprojektowaliśmy generator rozruchowy, dzięki któremu można było kręcić elementy i wytwarzać prąd za pomocą napędu akcesoriów z przodu pojazdu. Następnie zaprojektowaliśmy silnik napędzający koło sprężarki, wmontowaliśmy w niego przekładnię epicykliczną i połączyliśmy drugi element z korbą napędu akcesoriów z przodu, co oznaczało, że silnik musiał wykonywać tylko część pracy, ponieważ pozostała energia była dostarczana bezpośrednio z napędu akcesoriów. W rezultacie silnik wykonywał mniej pracy.

„Kolejną zaletą jest to, że dzięki obecności generatora można wytwarzać energię elektryczną lokalnie i przekazywać ją bezpośrednio do koła po drugiej stronie, więc nie trzeba jej przenosić do baterii. Można ją wytwarzać w czasie rzeczywistym, a także wyłączyć kompresor poprzez zmianę prędkości, ponieważ stanowi on część skrzyni biegów epicyklicznej. Było to doskonałe rozwiązanie, pracowaliśmy z Magna Power nad jego masową produkcją – ale udało się to tylko wtedy, gdy przemysł motoryzacyjny zdecydował, że nie chce silników spalinowych!”

Zakończenie projektu e-booster nieuchronnie skierowało Edwardsa na projekty wyłącznie elektryczne, z których pierwszym było dostarczanie silników do serii wyścigów elektrycznych – chociaż nadal nie może ujawnić, o którą dokładnie chodzi. Wykorzystując istniejący projekt, który już przeszedł proces projektowania, Edwards otrzymał zadanie nadzorowania jego budowy i dostawy. Gdy to zostało zakończone, przeszedł do jednego z najbardziej znanych produktów: Aston Martin Valkyrie. Ten hypercar napędzany silnikiem V12 o mocy 1000 koni mechanicznych, zaprojektowany przez Adriana Neweya, gdy ten jeszcze pracował w Red Bullu, został stworzony po to, by jak najdokładniej naśladować osiągi samochodu Formuły 1 – ale bez Edwardsa dosłownie nigdy nie doszłoby do jego powstania.

„Zbudowałem silnik umieszczony pomiędzy sprzęgłem a skrzynią biegów, który uruchamia silnik” – wyjaśnia. „Zapewnia on również funkcję przełączania biegów przy nacisku; jest to generator, alternator; umożliwia ruch w tył – ponieważ główna skrzynia biegów silnika nie ma biegu wstecznego – a ponieważ jest to skrzynia o prostym układzie, zapewnia dopasowanie prędkości biegów na kierownicy. Pozwala on również samochodowi poruszać się z niską prędkością – do około 12 km/h – wyłącznie na zasilanie elektryczne.”

Silnik ważył zaledwie 20 kg, ale miał moc 120 kW i przez cały swój okres użytkowania spokojnie znajdował się na końcu silnika V12. Dla hypercaru była to doskonała rozwiązanie!”

Sektor motoryzacyjny stanowił w tamtym czasie istotną część działalności Helix, ale z biegiem czasu grupa klientów ewoluowała – od początkowego skupienia na motorsporcie i Formule 1 w kierunku znacznie szerszego zakresu działań, obejmującego wszystko od zbrojeniówki po zastosowania morskie. W rzeczywistości motoryzacja straciła na znaczeniu po projekcie Valkyrie, gdy coraz więcej producentów samochodów przenosiło rozwój pojazdów elektrycznych do własnych struktur, ale Helix pozostaje tak samo zajęty jak zawsze, stosując tę nowoczesną mentalność czerpaną z motorsportu w wielu różnych branżach. Edwards awansował na głównego inżyniera i jest inspirowany szybkim rozwojem technologii, który umożliwia doświadczenie firmy.

„Rzeczywiście istniało dążenie do przyspieszenia rozwoju technologii poprzez sport motorowy, a następnie przeniesienia jej do bardziej konwencjonalnych silników. Pierwszy silnik, który stworzyliśmy do serii wyścigów na początku mojej kariery, generował około 100 kW mocy ciągłej. Jednak już po dwóch latach, dzięki zintegrowaniu niektórych technologii ze sportu motorowego, mieliśmy silnik o mocy 200 kW w tym samym rozmiarze. Obecnie w tym samym formacie osiągamy już 400 kW mocy ciągłej. Zatem ta technologia znacznie się rozwinęła na tym, co wielu uważa za rynek stagnujący.”

Mali i leciwi

Główne cele wydajnościowe Edwardsa są identyczne we wszystkich projektach: zmniejszenie rozmiaru i masy – to dwa kluczowe czynniki, które mają najwyższy priorytet w motorsporcie. „Nasze doświadczenie pochodzi z projektów wymagających precyzyjnego kontrolowania objętości i masy, więc ta filozofia została włączona do naszych silników” – kontynuuje. „Przejście na zastosowanie w pociągach to po prostu kwestia obniżenia maksymalnych temperatur, aby przedłużyć żywotność niektórych materiałów izolacyjnych, i wtedy silnik staje się dziesiątą lub dwudziestą częścią rozmiaru tradycyjnego silnika pociągowego.”

Rzeczywiście „bezpieczne” projekty realizowane w Helix znajdują się pod opieką jej eksperymentalnej „Dywizji X”, której działalność Edwards opisuje jako „poszukiwanie sztuki tego, co możliwe”. To z kolei wpływa na rozwój kluczowych technologii w sektorach morskim, pojazdów terenowych, obronności i lotnictwa – prowadząc do tworzenia silników mniejszych i bardziej wydajnych niż te używane wcześniej. W związku z tym Edwards i jego koledzy dążą do wyróżnienia rozwoju silników jako kluczowego elementu w branży, która zbyt często skupia się wyłącznie na nowych technologiach baterii jako jedynym prawdziwym źródle możliwości postępu.

„Jeśli spojrzeć na to z perspektywy efektywności, chodzi tu wyłącznie o rozmiar i masę” – konkluduje. „Jeśli używasz przestrzeni na silniki, nie możesz jej wykorzystać na baterie ani ładunek – i dotyczy to każdego sektora. Tam, gdzie rozmiar i waga są ograniczone, możemy zaproponować lepsze rozwiązanie.”

„To jest szczególnie istotne w projektach morskich, które są nieco nietypowe. W samochodach stosunek mocy do masy jest wysoki, więc kierowcy chcą szybko przyspieszać. W środowisku morskim przyspieszenie jest stosunkowo wolne ze względu na duży opór spowodowany lepkością wody. Dlatego tam, gdzie w samochodzie drogowym można naciskać pedał gazu przez 10 sekund, a potem zmniejszyć obroty do około 10%, w środowisku morskim używa się pełnego obrotu i można tak siedzieć godzinami.”

„To zupełnie inny cykl pracy silnika, który wymaga nieco innej konfiguracji, więc w tym obszarze istnieje wiele możliwości optymalizacji. Pracowaliśmy nad E1 Racing oraz Magic Carpet E – wspaniałym jachtem wyścigowym z włókna węglowego, który całkowicie zelektryfikowaliśmy, aby uniknąć użycia generatora podczas wyścigów. Dostarczamy nasze rozwiązania producentom silników zewnętrznych, urządzeń napędowych na rufie, katamaranów oraz co najmniej trzem zastosowaniom wojskowym w operacjach morskich.”

„To samo dotyczy wielu innych zastosowań, gdzie stosuje się konwencjonalne systemy, a użytkownicy chcą albo poprawić wydajność, albo uzyskać cichszą pracę. To doskonale nadaje się do zelektryfikacji, ale często brakuje miejsca na dodatkowe elementy. Dlatego dostarczamy takie rozwiązania klientom, którzy potrzebują tej funkcjonalności – a to jest obecnie niezwykle ważne.”

„Stworzyliśmy już sporo prototypowych elementów dla pojazdów górniczych, gdzie elektryfikacja przynosi pewne pośrednie korzyści, o których często się nie myśli – na przykład zmniejszenie ilości energii potrzebnej do napędzania przepływu powietrza w kopalni oraz eliminację paliw lotnych, które mogą powodować wybuchowe warunki. Z kolei w budownictwie wiele pojazdów wymaga dobrych linii widzenia, a cokolwiek przeszkadza kierowcy w obserwowaniu tego, co znajduje się wokół kół i łopaty, stanowi poważny problem dla operatora – dlatego w miarę jak silniki stają się większe i poddawane coraz bardziej zaawansowanym procesom obróbki, możemy przynieść im korzyść, zastosowując bardzo mały silnik.”

„Następnie mamy przemysł lotniczy i kosmiczny, gdzie obserwujemy duże zainteresowanie pojazdami startowymi kosmicznymi ze względu na silne ograniczenia dotyczące masy. Chodzi tu przede wszystkim o efektywność i redukcję masy, ponieważ to właśnie stanowi ładunek. Mogą dosłownie ustalać cenę za kilogram satelitów, więc są w tym temacie bardzo świadomi, ponieważ pobierają opłatę za kilogram. Pracujemy również z producentami silników odrzutowych nad poprawą efektywności turbin gazowych poprzez zastosowanie pomocy elektrycznej w niektórych obszarach ich działania, aby nie były one ograniczone w jednej dziedzinie, podczas gdy większość pracy odbywa się w innej. Również tutaj chodzi o minimalizację masy w tych zastosowaniach, co doskonale wpisuje się w nasze główne atuty.”

Jest więc oczywiste, że we wszystkich branżach istnieje duży potencjał dla rozwoju silników elektrycznych – jednak ostatnie zmiany w regulacjach dotyczących licencjonowania magnesów w Chinach zagrażają temu rozwojowi. Dla Edwardsa stanowi to jednak szansę na ponowne przemyślenie założeń dotyczących projektowania silników. „To w pewnym stopniu zmieni strukturę rynku, więc przyszłość będzie polegać na maksymalnym wykorzystaniu niskiej lub zerowej zawartości magnesów oraz różnych materiałów magnetycznych” – konkluduje. „To prawdopodobnie będzie kolejny wpływ na silniki.”

„Wiele producentów samochodów w ogóle nie używa magnesów, ale to zwykle skutkuje większym silnikiem, a oni mogą sobie na to pozwolić, ponieważ koszty spadają i mają wystarczająco dużo miejsca. Pojazdy o wysokich osiągach oraz inne branże, o których mówiłem, nie mają takiego luksusu. Dlatego uważam, że to z pewnością wpłynie na te wysokiej klasy silniki, ale jeśli chodzi o to, jak temu zaradzić, ostatecznie osiągniemy tę samą efektywność i poprawimy moc na różne sposoby – nie mam co do tego wątpliwości!”

Kliknij tutaj, aby przeczytać najnowszy numer E-Mobility Engineering.