Em conversa: Jim Edwards

Mudando as escalas dos motores

O engenheiro-chefe da Helix, Jim Edwards, está utilizando tecnologia de automobilismo para reduzir o tamanho e o peso necessários para a eletrificação. Will Gray explora mais a fundo esse assunto

No mundo da eletrificação, a tecnologia de baterias é frequentemente apontada como a área com maior potencial de desenvolvimento. As melhorias nas últimas décadas são evidentes, com a autonomia dos veículos elétricos aumentando a cada ano – mas Jim Edwards acredita que a tecnologia dos motores também desempenha um papel igualmente importante, especialmente nos setores de alto desempenho e para cargas pesadas. Agora, após uma carreira que evoluiu gradualmente em direção à eletrificação, algumas de suas maiores conquistas podem estar bem próximas.

A eletrificação estava longe de ser algo comum quando Edwards iniciou sua carreira, mas ele já tinha um foco ambiental desde o início. Em 1994, ao assumir seu primeiro emprego na Ford, ele analisou os ciclos de condução para minimizar as emissões em condições reais nos motores turbo-diesel dos modelos Escort e Mondeo. Depois, ao se transferir para o Milbrook Proving Ground, trabalhou na otimização de uma linha de 20 veículos bicombustíveis a GNV e GLP para a Vauxhall, antes de ajudar no desenvolvimento do primeiro ônibus híbrido para Londres (Reino Unido), dando seus primeiros passos no campo dos veículos elétricos.

Aquele projeto começou em 2003, quando a prioridade da cidade mudou de reduzir as emissões de NOx para reduzir as emissões de CO2. O cliente havia desenvolvido originalmente um ônibus com turbina a gás – que era excelente para alcançar o primeiro objetivo, mas não tão eficaz no segundo. Portanto, em resposta à mudança de prioridade, eles procuraram Edwards e seus colegas com um projeto pronto para um veículo elétrico movido a bateria com alcance ampliado e solicitaram que otimizassem seu funcionamento.

“Eu participei da calibração do sistema híbrido, analisando a arquitetura do ônibus e o ciclo de funcionamento, além de identificar onde podíamos aprimorar seu desempenho para obter o melhor resultado em aplicações reais”, explica ele. “Criamos um modelo do ciclo de funcionamento dos ônibus da London Transport e, utilizando a inércia e a resistência do veículo, conseguimos prever as necessidades de potência do motor e determinar a melhor forma de operar o sistema de motor e bateria – regenerando energia, sem carregar completamente as baterias para permitir a regeneração em descidas, e garantindo que o motor fosse desligado sempre que possível para minimizar as emissões em marcha lenta. Era um sistema inédito, e conseguimos reduzir as emissões de CO2 em 30% em relação ao valor de referência para um ônibus equivalente por passageiro.”

Desenvolvimento do hidrogênio

O próximo projeto de Edwards em Millbrook foi outro ônibus, mas desta vez com células a combustível de hidrogênio. Seu trabalho envolveu a instalação de infraestrutura para abastecimento com hidrogênio e a operação do ônibus na Câmara de Emissões em Temperatura Variável (VTEC). Edwards lembra: “A câmara tinha uma pista rolante e um grande sistema de recirculação de ar, e conseguia acomodar até três ônibus de dois andares, operando-os entre -40 e +50 graus. O ônibus tinha vários tanques de hidrogênio com 3 m de comprimento no teto, e sabíamos que, se um dos válvulas de alívio de pressão vazasse em um espaço fechado, como a VTEC, isso poderia ser muito grave. Por isso, instalamos muitos sensores de hidrogênio e nos certificamos de que tudo fosse direcionado ao sistema de extração. As chances eram mínimas, mas não se pode correr esse risco.”

Aquela experiência com hidrogênio levou Edwards à Intelligent Energy, que na época estava envolvida em uma ampla gama de desenvolvimentos no campo das células a combustível, desde a instalação de stacks de célula a combustível resfriados a ar em scooters da Suzuki até a produção de um pequeno carregador de celular movel alimentado por hidrogênio de 5 W. “Aquele carregador era um equipamento interessante”, lembra Edwards. “Mas, infelizmente, não teve sucesso.” Devido à sua formação no setor automotivo, Edwards concentrou-se no desenvolvimento de sistemas de célula a combustível para carros de passeio.

“Tínhamos 100 kW, dois conjuntos de células a combustível, que eram resfriados por evaporação usando uma tecnologia proprietária”, explica ele. “O sistema introduzia água líquida na forma de uma névoa fina, que se evaporava, absorvia o calor e eliminava os gases como resíduo. Isso proporcionava uma significativa vantagem em termos de densidade de potência, e colocamos esse sistema em um veículo de um fabricante automotivo europeu de alto padrão. Mais ou menos na mesma época, também operamos uma frota de cinco táxis a hidrogênio para as Olimpíadas de Londres em 2012, levando VIPs até a vila olímpica.”

O negócio tem sido bem-sucedido desde então com sistemas resfriados a ar para drones, e Edwards ainda vê grande potencial para o hidrogênio se integrar à matriz energética automotiva. “Atualmente, não há muito combustível disponível para torná-lo realmente barato, e as pilhas de células a combustível exigem metais preciosos, por isso tendem a ser caras. Mas em locais onde há muita geração renovável, que precisa ser armazenada de alguma forma, o hidrogênio é uma ótima solução”, diz ele. “Portanto, acho que ele será utilizado em nichos onde funciona bem – frotas fechadas, caminhões articulados, trens; qualquer lugar onde haja um ciclo de uso definido e seja possível implantar a infraestrutura adequada. Para esses casos, é uma excelente alternativa com zero emissões de carbono.”

Para o elétrico

A trajetória profissional de Edwards seguiu para o setor de veículos totalmente elétricos quando ele se juntou à atual empresa, a Helix, em 2015. Ele assumiu o papel de engenheiro-chefe, com responsabilidades abrangentes que incluíam a interação com o cliente, a realização de atividades de ligação técnica, a análise dos ciclos de funcionamento e a gestão de uma equipe multidisciplinar formada por designers eletrônicos, elétricos e mecânicos, cientistas e técnicos de oficina. “Era um cargo adequado para profissionais generalistas”, diz ele, explicando como chegou a esse nível apesar da pouca experiência em tecnologias de veículos elétricos.

Sujo primeiro cargo de gestão envolveu o desenvolvimento de um pequeno e-booster – um supercharger elétrico. “Tradicionalmente, esses dispositivos contam com um motor elétrico acoplado a um compressor de turbocompressor, operando em cerca de 100.000 rotações por minuto”, explica ele. “A dificuldade é que, em um carro de passeio, é necessário até 10 kW

para acioná-lo, o que gera dois problemas – o motor superaquece, pois é difícil eliminar as perdas nele, e se não superaquecer, a bateria descarrega porque não tem capacidade para atender a essa demanda por mais de 5 ou 10 minutos.

“Para superar isso, fizemos algo muito inteligente. Projetamos um gerador de partida, para que fosse possível girá-lo e gerar eletricidade no acionamento dos acessórios na parte frontal. Em seguida, projetamos o motor que acionava a roda do compressor, incorporamos um engrenagem epicíclica nele e conectamos o outro elemento à roda de polia do acionamento dos acessórios na parte frontal, o que fez com que o motor precisasse realizar apenas parte do trabalho, já que a outra energia era fornecida diretamente pelo acionamento dos acessórios na parte frontal. Como resultado, o motor realiza menos trabalho.

“Outro ponto importante é que, como há também um gerador ali, é possível produzir eletricidade localmente e enviá‑la diretamente para a roda do outro lado, assim não é preciso levá‑la até um conjunto de baterias. É possível gerá‑la em tempo real, e o compressor pode ser desligado alterando a velocidade, já que faz parte de uma caixa de câmbio epicíclica. Foi uma solução excelente, e trabalhamos com a Magna Power para levá‑la à produção em larga escala – mas só se concretizou quando a indústria automotiva decidiu que não queria mais motores de combustão interna!”

O fracasso do projeto e-booster levou Edwards a se dedicar inevitavelmente a projetos totalmente elétricos, sendo o primeiro deles o fornecimento de motores para uma série de corridas elétricas – embora ele ainda não possa revelar qual delas. Utilizando um design já existente, que havia passado pelo processo de desenvolvimento, Edwards ficou encarregado de gerenciar a montagem e a entrega. Uma vez concluído isso, ele passou para um dos seus produtos mais importantes: o Aston Martin Valkyrie. Projetado por Adrian Newey, quando ainda trabalhava na Red Bull, esse hipercarro equipado com um motor V12 de 1000 cavalos de potência foi criado para imitar o desempenho de um carro de F1 da forma mais precisa possível – mas, sem Edwards, ele literalmente nunca teria sido desenvolvido.

“Eu projetei o motor que fica entre a embreagem e a caixa de câmbio e que dá partida no motor”, explica ele. “Ele também oferece a funcionalidade de ‘push-to-pass’; é um gerador, um alternador; fornece a capacidade de marcha ré – já que a caixa de câmbio do motor principal não possui marcha ré – e, por ser uma caixa de câmbio de transmissão direta, permite a correspondência entre as velocidades das marchas. Além disso, permite que o carro funcione em baixa velocidade – até cerca de 12 km/h – apenas com energia elétrica.”

O motor pesava apenas 20 kg, mas tinha 120 kW de potência e ficou instalado na extremidade do V12 durante toda a sua vida útil. Para um hypercar, foi uma solução excelente!”

O setor automotivo era uma parte importante do trabalho da Helix naquela época, mas, com o tempo, a base de clientes evoluiu do foco inicial em esportes motorizados e F1 para um escopo muito mais amplo, abrangendo desde aplicações militares até aquelas relacionadas ao setor marítimo. Na verdade, o setor automotivo perdeu importância desde o projeto Valkyrie, com cada vez mais fabricantes trazendo o desenvolvimento de veículos elétricos para dentro de suas próprias empresas, mas a Helix continua tão ocupada quanto sempre, aplicando aquela mentalidade de vanguarda, desenvolvida nos esportes motorizados, a diversos setores diferentes. Edwards tornou-se o engenheiro-chefe e se inspira na aceleração da tecnologia possibilitada pela experiência da empresa.

“Como estamos localizados no coração do triângulo dos esportes a motor e da F1, temos acesso a todos esses fabricantes com capacidades de usinagem incríveis e a habilidade de explorar cenários ‘e se…’, algo que mais ninguém faria”, explica ele. “Também contamos com muitas pessoas com experiência nos esportes a motor em nossa empresa – há um fluxo constante entre nós e as equipes da F1 – portanto, nosso DNA fundamental está no universo dos produtos de alto desempenho, e acho que isso é o nosso principal diferencial.”

“Houve realmente um esforço para acelerar o desenvolvimento da tecnologia por meio do automobilismo, com o objetivo de posteriormente aplicá-la em motores mais convencionais. O primeiro motor que desenvolvemos para as competições, logo no início da minha carreira, por exemplo, gerava cerca de 100 kW de potência contínua. Mas em dois anos, ao integrar parte da tecnologia do automobilismo, já tínhamos um motor capaz de gerar 200 kW de potência contínua no mesmo tamanho. Atualmente, nesse mesmo espaço físico, conseguimos alcançar 400 kW de potência contínua. Portanto, essa tecnologia avançou enormemente em um mercado que muitos consideram estagnado.”

Pequeno e leve

Os principais objetivos de desempenho da Edwards são exatamente os mesmos em todos os projetos: reduzir o tamanho e a massa – os dois fatores prioritários no automobilismo. “Nossa experiência vem de projetos críticos em termos de espaço e massa, então essa filosofia foi incorporada aos nossos motores”, continua ele. “Passar para algo como um trem é apenas uma questão de diminuir as temperaturas máximas desejadas, para aumentar a vida útil de alguns materiais isolantes; assim, temos um motor que é uma décima ou uma vigésima parte do tamanho de um motor convencional de trem.”

Os projetos verdadeiramente inovadores realizados na Helix estão sob a égide de sua “Divisão X” experimental, cujo trabalho Edwards descreve como “a busca pela arte do possível”. Isso se reflete na tecnologia central utilizada em setores como marítimo, off-road, defesa e aeroespacial – criando motores menores e mais potentes do que os anteriores. Por isso, Edwards e seus colegas buscam dar destaque ao desenvolvimento de motores, em uma indústria que muitas vezes se concentra apenas em novas tecnologias de baterias como única verdadeira fonte de oportunidades de avanço.

“Se olharmos do ponto de vista da eficiência, tudo se resume ao tamanho e à massa”, conclui ele. “Se você está usando espaço para motores, não pode usá-lo para baterias ou carga útil – e isso vale para todos os setores. Onde quer que o tamanho e o peso sejam limitantes, podemos oferecer uma solução melhor.”

“Isso é especialmente relevante para projetos marítimos, que são um pouco incomuns. Em carros, há uma boa relação entre potência e peso, e quando as pessoas pisam no acelerador, querem acelerar. Em veículos marítimos, a aceleração é relativamente suave devido à enorme resistência causada pela viscosidade da água. Portanto, enquanto em um carro de estrada você pode manter o pé no acelerador por 10 segundos e depois reduzir para talvez 10% da potência, em veículos marítimos você vai até o acelerador máximo e pode permanecer assim por horas a fio.”

“Trata-se de um ciclo de operação completamente diferente, que exige uma configuração ligeiramente distinta, portanto há muitas oportunidades de otimização nessa área. Trabalhamos com o E1 Racing e o Magic Carpet E, um maravilhoso veleiro de fibra de carbono que eletrificamos completamente para eliminar o uso de gerador durante as regatas. Fornecemos nossos produtos a fabricantes de motores externos, fabricantes de propulsores traseiros, catamarãs e pelo menos três aplicações militares para operações marítimas.”

“O mesmo acontece com várias outras aplicações em que existe um sistema convencional e os usuários querem melhorar o desempenho ou obter um funcionamento mais silencioso. Isso se presta muito bem à eletrificação, mas muitas vezes não há espaço suficiente para instalar os componentes adicionais. Por isso, oferecemos essas soluções aos clientes que precisam dessa funcionalidade – e isso é extremamente importante no momento atual.”

“Já desenvolvemos vários componentes protótipos para veículos de mineração, por exemplo, onde a eletrificação traz alguns benefícios indiretos dos quais as pessoas muitas vezes não se dão conta – como a redução da energia necessária para mover o ar pela mina e a eliminação de combustíveis voláteis que podem causar atmosferas explosivas. Enquanto isso, na construção civil, muitos veículos precisam de boas linhas de visão, e qualquer coisa que impeça o motorista de ver o que está ao redor das rodas e do balde é algo realmente ruim para o operador – portanto, à medida que os motores ficam maiores e passam por cada vez mais tratamentos pós-processamento, podemos oferecer vantagens a eles instalando um motor muito pequeno.”

“Depois há a indústria aeroespacial, onde observamos grande interesse por veículos de lançamento espacial, pois eles são muito limitados em termos de massa. Trata-se basicamente de eficiência e redução de massa, já que essa é a carga útil. Eles podem literalmente estabelecer um preço por quilo nos satélites, então são muito claros a respeito disso, pois são cobrados por quilo. Também estamos trabalhando com fabricantes de motores a jato para melhorar a eficiência das turbinas a gás, utilizando suporte elétrico em algumas áreas de suas operações, para que não haja restrições em uma área quando a maior parte do voo é realizada em outra. Mais uma vez, tudo se resume à minimização da massa para essas aplicações, o que se encaixa perfeitamente em nossos pontos fortes principais.”

Está claro, portanto, que há grande espaço para o desenvolvimento de motores elétricos em todos os setores – no entanto, mudanças recentes nas licenças de ímãs na China ameaçam pressionar esse desenvolvimento. Para Edwards, isso representa uma oportunidade para reavaliar as premissas relacionadas ao design dos motores. “Isso mudará as estruturas até certo ponto, então o futuro será focado em aproveitar ao máximo ímãs de baixo ou zero teor e diferentes materiais magnéticos”, conclui ele. “Provavelmente esse será o próximo impacto nos motores.”

“Muitos fabricantes automotivos não utilizam ímãs de forma alguma, mas isso tende a resultar em motores maiores, e eles conseguem lidar com isso porque o custo é reduzido e eles têm espaço disponível. Veículos de alto desempenho e as outras indústrias que mencionei não têm esse luxo. Portanto, acredito que isso certamente afetará esses motores de alta qualidade, mas, em termos de como superarmos isso, acabaremos alcançando a mesma eficiência e melhorando a potência de maneiras diferentes – não tenho dúvidas disso!”

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