В разговоре: Джим Эдвардс

Изменение характеристик двигателей

Главный инженер Helix Джим Эдвардс использует технологии автоспорта для сокращения размеров и веса компонентов, необходимых для электрификации. Уилл Грей рассматривает этот вопрос более подробно

В мире электрификации технологии аккумуляторов часто считаются областью с наибольшим потенциалом для развития. За последние десятилетия было заметно улучшение показателей — запас хода электромобилей растет с каждым годом — но Джим Эдвардс считает, что технологии двигателей играют не менее важную роль, особенно в сегментах высоких характеристик и тяжелых задач. Теперь, после карьеры, постепенно сосредоточенной на электрификации, некоторые из его самых значимых достижений могут оказаться совсем близко.

Когда Эдвардс начинал свою карьеру, электрификация была далека от того, чтобы стать общепринятой практикой, но с самого начала он сосредоточился на экологических аспектах. В 1994 году, когда он получил свою первую работу в Ford, он анализировал циклы работы двигателей с целью минимизации выбросов в реальных условиях для турбодизельных двигателей моделей Escort и Mondeo. Затем, перейдя в тестовый полигон Milbrook, он занимался оптимизацией 20 моделей автомобилей на смешанном топливе из СНГ и ПГ для Vauxhall, а позже помог разработать первый гибридный автобус для Лондона (Великобритания), тем самым сделав первые шаги в области электромобилей.

Этот проект начался в 2003 году, когда приоритеты города изменились с сокращения выбросов NOx на сокращение выбросов CO2. Изначально клиент разработал автобус на газотурбинном двигателе — он отлично справлялся с первой задачей, но плохо — со второй. Поэтому, в связи с изменением приоритетов, они обратились к Эдвардсу и его коллегам с готовым дизайном электромобиля на аккумуляторах с возможностью расширения дальности поездки и поручили им оптимизировать его работу.

«Я участвовал в настройке гибридной системы, изучал архитектуру автобуса и цикл его работы, а также определял, где можно улучшить её функционирование для достижения наилучших результатов в реальных условиях», — объясняет он. «Мы создали модель цикла работы автобусов лондонского транспорта, и, используя инерцию и сопротивление транспортного средства, смогли спрогнозировать потребности двигателя в мощности и определить оптимальный способ работы двигателя и аккумуляторной системы — регенерация энергии вместо полного зарядки аккумуляторов для возможности спуска с холмов, а также обеспечение максимально частого выключения двигателя с целью снижения уровня выбросов в холостом режиме. Это была уникальная по своему типу система, и нам удалось снизить уровень выбросов CO2 на 30% по сравнению с базовыми показателями для аналогичного автобуса на одного пассажира», — говорит он.

Разработка водородных технологий

Следующим проектом Эдвардса в Миллбруке был ещё один автобус, но на этот раз с водородными топливными элементами. Его задачей была установка инфраструктуры для заправки водородом и тестирование автобуса в камере для измерения выбросов при переменной температуре (VTEC). Эдвардс вспоминает: «В камере была движущаяся дорожка и большая система циркуляции воздуха; она могла вместить до трёх двухэтажных автобусов и работать при температурах от минус 40 до плюс 50 градусов. На крыше автобуса находились несколько водородных баков длиной 3 м, и мы понимали, что если один из клапанов сброса давления откроется в замкнутом пространстве, таком как VTEC, это может иметь очень серьёзные последствия. Поэтому мы установили множество датчиков водорода и убедились, что всё выводится в систему вытяжки. Шансы были крайне малы, но риска принимать нельзя».

Этот опыт работы с водородом привлёк Эдвардса к компании Intelligent Energy, которая в то время занималась множеством проектов в области топливных элементов — от установки кондиционируемых воздухом топливных элементов в скутеры Suzuki до создания крошечного зарядного устройства для мобильных телефонов на водороде мощностью 5 Вт. «Это зарядное устройство было отличным изделием», — вспоминает Эдвардс. «Но, к сожалению, оно не набрало популярности». Благодаря своему опыту в автомобильной промышленности Эдвардс сосредоточился на разработке топливных элементов для легковых автомобилей.

«У нас было 100 кВт мощности, два блока топливных элементов, охлаждаемых методом испарения с использованием собственной технологии», — объясняет он. «Система вводила жидкую воду в виде тонкого тумана, который испарялся, поглощал тепло и выводил отработанные газы. Это обеспечивало значительное увеличение плотности мощности, и мы установили эту систему в автомобиль от премиального европейского производителя автомобилей. Примерно в то же время мы также эксплуатировали пять водородных такси для Олимпийских игр 2012 года в Лондоне, перевозя VIP-гостей в олимпийскую деревню».

С тех пор компания добилась успеха в разработке систем охлаждения дронов с использованием воздуха, однако Эдвардс по-прежнему видит большой потенциал для водорода в составе источников энергии автомобилестроения. «В настоящее время не так много избыточного топлива, чтобы сделать его по-настоящему дешевым, а стеки топливных элементов требуют драгоценных металлов, поэтому они обычно дороги. Но в местах, где большое количество энергии производится из возобновляемых источников, которую необходимо как-то хранить, водород является отличным способом для этого», — говорит он. «Поэтому я думаю, что он найдет применение в нишевых сферах, где будет эффективен — в закрытых парках транспортных средств, самосвалах, поездах; в любых местах, где есть определенный цикл движения и можно создать соответствующую инфраструктуру. В таких случаях это отличное решение для снижения углеродного следа».

К электротранспорту

Карьера Эдвардса затем перешла в сферу аккумуляторных электромобилей, когда в 2015 году он присоединился к своему нынешнему работодателю Helix. Он взял на себя ответственную роль старшего инженера, охватывающую множество функций: взаимодействие с клиентами, техническую связь, анализ циклов работы двигателя и управление межфункциональной командой из дизайнеров в области электроники, электрики и механики, ученых и техников на производстве. «Эта роль подходила специалистам с широким кругозором», — говорит он, объясняя, как смог занять такую позицию при минимальном опыте в области технологий аккумуляторных электромобилей.

Его первая роль руководителя связывалась с разработкой небольшого электрического усилителя мощности — электрического суперзарядного устройства. «Как правило, это устройства с электродвигателем, подключенным к компрессору турбонаддува, работающим с частотой около 100 000 об/мин», — объясняет он. «Проблема заключается в том, что для легкового автомобиля требуется мощность до 10 кВт»

Чтобы привести его в действие, возникают две проблемы: двигатель перегревается из-за трудностей с устранением потерь, а если он не перегревается, аккумулятор разряжается, поскольку у него недостаточно емкости для обеспечения такой нагрузки более 5–10 минут.

«Чтобы решить эту проблему, мы придумали очень умный способ. Мы разработали стартер-генератор, который позволяет приводить в движение и генерировать электроэнергию с помощью привода передних вспомогательных устройств. Затем мы спроектировали двигатель, приводящий в движение колесо компрессора, встроили в него эпициклическую передачу и соединили другой элемент с шкивом привода передних вспомогательных устройств. Это позволило двигателю выполнять лишь часть работы, поскольку дополнительная мощность поступала непосредственно от привода передних вспомогательных устройств. В результате двигатель выполняет меньше работ.

«Ещё одним преимуществом является то, что благодаря наличию генератора вы можете производить электроэнергию непосредственно на месте и подавать её прямо к колесу с другой стороны, так что нет необходимости транспортировать её к аккумуляторной батарее. Электроэнергию можно генерировать в реальном времени, а компрессор можно выключить путём изменения скорости, поскольку он является частью эпициклической коробки передач. Это было прекрасное решение, и мы сотрудничали с Magna Power, чтобы внедрить его в массовое производство — но оно смогло реализоваться только тогда, когда автомобильная промышленность решила отказаться от двигателей внутреннего сгорания!»

Провал проекта e-booster неизбежно привел Эдвардса к разработке полностью электрических проектов, первым из которых стало обеспечение гоночными двигателями электрической гоночной серии — хотя он до сих пор не может раскрыть, речь идет о какой именно серии. Используя уже существующий дизайн, прошедший предварительную стадию разработки, Эдвардсу была поручена задача контролировать процесс производства и поставки. После завершения этой работы он перешел к, пожалуй, одному из своих самых примечательных проектов — автомобилю Aston Martin Valkyrie. Спроектированный Адрианом Ньюи во время его работы в Red Bull, этот гиперкар с двигателем V12 мощностью 1000 л.с. был создан с целью максимально точного воспроизведения характеристик гоночных автомобилей F1 — но без участия Эдвардса он буквально никогда бы не увидел свет.

«Я разработал двигатель, который расположен между сцеплением и коробкой передач и запускает двигатель», — объясняет он. «Он также обеспечивает функцию пробега на ходу; это генератор, альтернатор; он позволяет использовать задний ход — поскольку основная коробка передач двигателя не имеет заднего хода — и, поскольку это коробка с прямыми передачами, он обеспечивает соответствие скоростей передач на рычаге переключения. Он также позволяет автомобилю двигаться на низкой скорости — до примерно 12 км/ч — исключительно на электротяге».

Двигатель весил всего 20 кг, но его мощность составляла 120 кВт, и он на протяжении всего срока службы удобно располагался в конце двигателя V12. Для гиперкара это было отличное решение!»

В то время автомобильная отрасль составляла значительную часть деятельности Helix, но со временем спектр клиентов изменился: если раньше компания сосредотачивалась на автогонках и Формуле-1, то теперь она занимается гораздо более широким кругом задач, включая оборонную промышленность и морские технологии. Фактически, после проекта Valkyrie автомобильная сфера потеряла свою значимость, поскольку всё больше производителей начали самостоятельно разрабатывать электромобили, однако Helix по-прежнему активна и применяет свой передовой подход, разработанный в автоспорте, во многих других отраслях. Эдвардс стал главным инженером и вдохновляется быстрым развитием технологий, возможным благодаря опыту компании.

«Поскольку мы находимся в самом центре треугольника автоспорта и Формулы-1, у нас есть доступ ко всем этим производителям с потрясающими возможностями механической обработки, а также способность рассматривать варианты, к которым никто другой не прибегнет», — объясняет он. «В нашей компании также много сотрудников с опытом работы в автоспорте — между нами и командами Формулы-1 существует постоянный обмен информацией, — поэтому наша основная специализация лежит в сфере высокопроизводительных решений, и я считаю, что это наше главное преимущество».

«Действительно существовала тенденция к ускорению развития технологий через автоспорт, а затем их применению в более традиционных двигателях. Первый двигатель, который мы создали для гоночных серий сразу при моем начале работы, выдавал примерно 100 кВт мощности непрерывно. Но уже через два года, благодаря интеграции некоторых технологий автоспорта, у нас появился двигатель такого же размера, но с мощностью 200 кВт непрерывно. Сейчас в том же формате мы достигли мощности 400 кВт непрерывно. Таким образом, эта технология совершила огромный прорыв на том, что многие считают стагнирующим рынком».

Маленький и легкий

Основные цели по производительности у Edwards одинаковы во всех проектах: сокращение размера и уменьшение веса — два ключевых фактора, которым отдается наивысший приоритет в автоспорте. «У нас есть опыт работы над проектами, критичными с точки зрения объема и массы, поэтому эта философия заложена в наши двигатели», — продолжает он. «Переход к таким устройствам, как поезда, заключается лишь в снижении максимальных температур, что позволяет увеличить срок службы некоторых изоляционных материалов, и тогда у вас получается двигатель размером в десятую или двадцатую часть от обычного поездного двигателя».

Поистине «беззаботные» проекты, реализуемые в Helix, находятся в ведении её экспериментального подразделения «X Division»; работу этого подразделения Эдвардс описывает как «поиск искусства возможного». Эти усилия способствуют развитию основных технологий в таких сферах, как морское дело, транспортные средства внедорожного назначения, оборона и аэрокосмос, что приводит к созданию двигателей, меньших по размеру и более мощных, чем предыдущие модели. В результате Эдвардс и его коллеги стремятся выделить разработку двигателей в центр внимания в отрасли, которая слишком часто сосредотачивается исключительно на новых технологиях аккумуляторов как на единственном реальном источнике возможностей для прогресса.

«Если смотреть с точки зрения эффективности, всё сводится к размеру и массе», — заключает он. «Если пространство используется для двигателей, его нельзя использовать для аккумуляторов или полезной нагрузки — и это касается всех сфер. Там, где ограничены размер и вес, мы можем предложить лучшее решение».

«Это особенно актуально для морских проектов, которые имеют свои особенности. В автомобилях соотношение мощности к весу высокое, и когда водители нажимают на газ, они хотят ускоряться. В морских судах ускорение относительно медленное из-за сильного сопротивления, обусловленного вязкостью воды. Поэтому там, где в легковом автомобиле можно держать ногу на педали газа 10 секунд, а затем снизить нагрузку до 10%, в морских судах достаточно полностью нажать на газ, и можно оставаться в таком режиме часами».

«Это совершенно иной цикл работы двигателя, который требует немного иной конфигурации, поэтому в этой области существует множество возможностей для оптимизации. Мы работали над проектами E1 Racing и Magic Carpet E — замечательными гоночными судами из углеродного волокна, которые мы полностью электрифицировали, чтобы исключить использование генератора во время гонок. Мы поставляем наши решения производителям внешних двигателей, двигателей сзади корпуса, катамаранов, а также для как минимум трех оборонных проектов, связанных с морскими операциями».

«То же самое касается ряда других приложений, где используется традиционная система, и владельцы хотят либо улучшить производительность, либо сделать работу двигателя более тихой. Это отлично подходит для электрификации, но часто не хватает места для установки дополнительного оборудования. Поэтому мы предоставляем такие решения клиентам, которым нужна эта функциональность — и это сейчас крайне важно».

«Мы разработали довольно много прототипных компонентов для горнодобывающей техники, где электрификация приносит некоторые косвенные преимущества, о которых часто не думают — например, сокращение энергозатрат на прокачку воздуха в шахте и устранение легковоспламеняющихся топлив, способных создавать взрывоопасную атмосферу. В то же время в строительстве многим машинам необходим хороший обзор, и любое препятствие для водителя, мешающее видеть то, что находится вокруг колес и ковша, представляет серьезную угрозу для оператора — поэтому, по мере увеличения размеров двигателей и внедрения всё более сложных систем обработки, мы можем принести им пользу, установив очень маленький двигатель».

«Ещё есть аэрокосмическая отрасль, где наблюдается большой интерес к ракетам-носителям, поскольку на них сильно влияет ограничение по массе. Здесь речь идёт прежде всего об эффективности и снижении массы, ведь именно она определяет грузоподъёмность. На спутники можно буквально назначить цену за килограмм, поэтому здесь всё чётко просчитано — оплата производится за килограмм. Мы также сотрудничаем с производителями реактивных двигателей, чтобы повысить эффективность газотурбин путём использования электрической поддержки в некоторых участках их работы, чтобы не было ограничений в одной области, когда основная часть полёта происходит в другой. Опять же, речь идёт о минимизации массы для таких приложений, что отлично соответствует нашим основным сильным сторонам».

Очевидно, что во всех отраслях существует большой потенциал для развития электродвигателей – однако недавние изменения в лицензировании магнитов в Китае угрожают оказать давление на это развитие. Тем не менее, по мнению Эдвардса, это открывает возможность пересмотреть принятые предположения относительно проектирования двигателей. «Это в определенной степени изменит существующие структуры, поэтому в будущем будет акцент на максимальном использовании магнитов с низким или нулевым содержанием и различных материалов магнитов», — заключает он. «Вероятно, именно это станет следующим фактором, влияющим на двигатели».

«Многие производители автомобилей вообще не используют магниты, но это обычно приводит к более крупному двигателю, с чем они могут справиться, поскольку затраты снижаются и у них есть место. Автомобили высокой производительности и другие отрасли, о которых я упоминал, не могут позволить себе такую роскошь. Поэтому я уверен, что это определённо повлияет на двигатели премиум-класса, но что касается способов преодоления этой проблемы, мы в конечном итоге добьёмся той же эффективности и улучшения мощности разными способами — в этом у меня нет никаких сомнений!»

Нажмите здесь, чтобы прочитать последний номер E-Mobility Engineering.