У розмові: Джим Едвардс
Зміна масштабів двигунів
Головний інженер Helix Джим Едвардс використовує технології автоспорту для зменшення розмірів та ваги, необхідних для електрифікації. Вілл Грей детальніше розглядає це питання
У світі електрифікації технології акумуляторів часто вважаються сферою з найбільшими можливостями для розвитку. Покращення за останні десятиліття є очевидними – запас ходу електромобілів зростає з кожним роком – але Джим Едвардс вважає, що технології двигунів відіграють не менш важливу роль, особливо у секторах високих характеристик та важкої промисловості. Тепер, після кар’єри, яка поступово спрямувалась до електрифікації, деякі з його найбільших досягнень можуть бути вже на порозі.
Коли Едвардс розпочинав свою кар’єру, електрифікація ще далеко не була популярною, проте він з самого початку зосереджувався на проблемах навколишнього середовища. У 1994 році, коли він отримав свою першу роботу у Ford, він аналізував цикли роботи двигунів, щоб мінімізувати викиди у реальних умовах для турбодизельних двигунів моделей Escort та Mondeo. Потім, перейшовши до тестового полігону Milbrook, він працював над оптимізацією 20 моделей автомобілів на біпаливній основі з використанням LPG та CNG для компанії Vauxhall, а згодом допоміг розробити перший гібридний автобус для Лондона (Великобританія), роблячи перші кроки у сфері електромобілів.
Цей проект розпочався у 2003 році, коли увага міста змінилась зі скорочення викидів NOx на скорочення викидів CO2. Клієнт спочатку розробив автобус на газовому турбінному двигуні – який чудово справлявся з першим завданням, але не настільки добре – з другим. Тож у відповідь на зміну пріоритетів вони звернулися до Едвардса та його колег із готовим дизайном електромобіля на акумуляторах із можливістю подовження дальності їзди та доручили їм оптимізувати його роботу.
«Я брав участь у налаштуванні гібридної системи, досліджував архітектуру автобуса та цикл роботи, а також визначав, де можна покращити її функціонування для досягнення найкращих результатів у реальних умовах», — пояснює він. «Ми створили модель циклу роботи автобусів лондонського транспорту, і, враховуючи інерцію та опір транспортного засобу, змогли спрогнозувати потреби двигуна у потужності та визначити найкращий спосіб роботи двигуна та акумуляторної системи – відновлення енергії, а не повне заряджання акумуляторів для можливості руху вниз по схилу, а також забезпечення максимально частого вимкнення двигуна для зменшення викидів під час простою. Це була унікальна система, і ми досягли рівня викидів CO2 на одного пасажира, який був на 30% нижчим за базовий показник для аналогічного автобуса», — каже він.
Розробка водню
Наступним проектом Едвардса в Millbrook був ще один автобус, але цього разу з водневими паливними елементами. Його робота полягала у встановленні інфраструктури для заправки воднем та пробних поїздках автобуса в камері змінної температури (VTEC). Едвардс згадує: «У камері була рухома дорога та потужна система циркуляції повітря; вона могла вмістити до трьох двоповерхових автобусів та працювати при температурах від мінус 40 до плюс 50 градусів. На даху автобуса було кілька резервуарів з воднем довжиною по 3 м, і ми розуміли, що якщо один з клапанів безпеки виведе газ у закритому просторі, такому як VTEC, це може мати дуже серйозні наслідки. Тож ми встановили багато датчиків водню та переконалися, що все буде спрямовуватися до системи відведення газів. Шанси були мізерними, але такий ризик неможливо було приймати».
Саме цей досвід роботи з воднем привернув Едвардса до компанії Intelligent Energy, яка на той час займалася широким спектром розробок у сфері паливних елементів — від встановлення повітряно-охолоджуваних паливних елементів у скутери марки Suzuki до створення крихітного зарядного пристрою для мобільних телефонів на водневих елементах потужністю 5 Вт. „Цей зарядний пристрій був чудовим пристроєм“, — згадує Едвардс. „Але, на жаль, він не набув популярності“. З огляду на його досвід у автомобільній галузі, увага Едвардса була спрямована на розробку систем паливних елементів для легкових автомобілів.
«У нас було 100 кВт та дві стопки паливних елементів, які охолоджувалися за допомогою евапораційного методу з використанням пропрієтарної технології», — пояснює він. «Система подавала рідку воду у вигляді дрібної туманності, яка випаровувалася, поглинала тепло та виводила відпрацьовані гази. Це забезпечувало значну користь у плані щільності потужності, і ми встановили цю систему у автомобіль від провідного європейського автовиробника. Приблизно в той самий час ми також експлуатували п’ять водневих таксі під час Олімпійських ігор у Лондоні у 2012 році, які перевозили VIP-гостей до Олімпійського селища».
З того часу компанія досягла успіху у розробці систем охолодження повітрям для дронів, проте Едвардс все ще бачить великий потенціал для використання водню у енергетичному комплексі автомобільної промисловості. „Наразі немає достатньо запасів палива, щоб зробити його справді дешевим, а елементи паливних елементів вимагають дорогоцінних металів, тому вони зазвичай є дорогими. Але в місцях, де є багато відновлюваних джерел енергії, які потрібно якимось чином зберігати, водень є дуже хорошим способом цього зробити“, — каже він. „Тож я думаю, що водень знайде застосування в нішевих сферах, де він ефективно працює – у закритих флотах, самоскидах, поїздах; у будь-яких місцях, де є чіткий цикл руху та можна створити інфраструктуру, яка підходить для цього. У таких випадках це дуже гарна альтернатива з нульовим викидом вуглецю“.
До електричних автомобілів
Кар’єрний шлях Едвардса продовжився у сфері акумуляторних електромобілів, коли у 2015 році він приєднався до свого нинішнього роботодавця Helix. Він обійняв посаду головного інженера, яка охоплювала багато функцій: спілкування з клієнтами, технічне обслуговування, аналіз циклів роботи двигуна та керування багатофункціональною командою інженерів з електроніки, електрики та механіки, науковців та техніків. „Це була посада, яка підходила для фахівців з широким спектром навичок“, — каже він, пояснюючи, як зміг обійняти таку посаду попри мінімальний досвід у технологіях акумуляторних електромобілів.
Його перша керівна посада стосувалась розробки невеликого електричного підсилювача потужності – електричного надпідживлювача. „Зазвичай це електродвигун, приєднаний до компресора турбонаддуву, що працює зі швидкістю близько 100 000 об/хв“, — пояснює він. „Проблема полягає у тому, що для легкового автомобіля потрібно до 10 кВт“.
Щоб його привести в рух, виникають дві проблеми – двигун перегрівається, оскільки важко позбутися у ньому втрат, а якщо він не перегрівається, то акумулятор розряджається, тому що не має достатньої ємності для задоволення цих вимог більше 5–10 хвилин.
«Щоб подолати це, ми зробили дуже розумний крок. Ми розробили стартер-генератор, який дозволяє приводити в рух та генерувати електроенергію за допомогою приводу переднього аксесуара. Потім ми розробили двигун, який приводить у рух колесо компресора, вбудували до нього епіциклічну передачу та під’єднали інший елемент до шківа приводу переднього аксесуара. Це означало, що двигун мусив виконувати лише частину роботи, оскільки інша потужність надходила безпосередньо від приводу переднього аксесуара. В результаті двигун виконує менше роботи.
«Ще однією перевагою є те, що оскільки там також є генератор, можна виробляти електроенергію безпосередньо на місці та передавати її безпосередньо до колеса з іншого боку, тож немає потреби передавати її до акумуляторної батареї. Її можна генерувати в режимі реального часу, а компресор можна вимкнути, змінивши швидкість, адже він є частиною епіциклічної коробки передач. Це було чудове рішення, і ми працювали з Magna Power над його масовим впровадженням – але воно стало можливим лише тоді, коли автомобільна промисловість вирішила відмовитися від двигунів внутрішнього згоряння!»
Зупинка проекту e-booster неминуче спрямувала Едвардса до проектів, повністю заснованих на акумуляторних електромоторах; першим з них було постачання двигунів для електричних гоночних серій – хоча він досі не може розкрити, для якої саме. Використовуючи вже існуючий дизайн, який пройшов процес розробки, Едвардсу доручили керувати виробництвом та постачанням. Після завершення цього проекту він перейшов до, мабуть, одного з найвідоміших своїх продуктів – Aston Martin Valkyrie. Цей гіперкар з двигуном V12 потужністю 1000 к.с., розроблений Адріаном Ньюї, коли той ще працював у Red Bull, був створений для максимально точного відтворення характеристик автомобіля Формули-1 – але без Едвардса він буквально ніколи не почав би свого існування.
«Я створив двигун, який розташований між клачаном та коробкою передач і запускає двигун», — пояснює він. «Він також забезпечує можливість руху вперед під тиском; це генератор, альтернатор; він забезпечує можливість руху назад — оскільки основна коробка передач двигуна не має заднього ходу — і оскільки це коробка прямого переключення, він забезпечує підбір швидкостей передач. Він також дозволяє автомобілю рухатися на низькій швидкості — до приблизно 12 км/год — виключно на електротязі».
Двигун важив лише 20 кг, але мав потужність 120 кВт та протягом усього свого життя ідеально функціонував на кінці V12. Для гіперкара це було чудове рішення!»
У той час автомобільна галузь була основною сферою діяльності Helix, але з часом спектр послуг клієнтам розширився від початкової уваги до автоспорту та Формули-1 на значно ширші сфери, що охоплюють все від оборонної промисловості до морських застосувань. Насправді, після проекту Valkyrie автомобільна галузь втратила своє значення, оскільки все більше виробників автомобілів почали самостійно розробляти електромобілі, проте Helix залишається таким же активним, застосовуючи свій передовий підхід, сформований під впливом автоспорту, у багатьох різних галузях. Едвардс став головним інженером та надихається прискоренням технологічного розвитку, яке стало можливим завдяки досвіду компанії.
«Оскільки ми знаходимося в самому серці спорту автогонок та тріангула Ф1, ми маємо доступ до всіх цих виробників із неймовірними можливостями обробки матеріалів та здатністю досліджувати різні варіанти, куди інші не наважуються», — пояснює він. «У нашій компанії також працює багато людей із досвідом у спорті автогонок – між нами та командами Ф1 існує постійний обмін ідеями, тож наша основна спеціалізація полягає у високопродуктивних рішеннях, і я вважаю, що це наша ключова перевага».
«Справді існувала тенденція до прискорення розвитку технологій за допомогою спорту на двигунах, а потім їх впровадження у більш звичайні двигуни. Перший двигун, який ми створили для серії гонок ще на початку моєї кар’єри, наприклад, давав приблизно 100 кВт постійної потужності. Але вже через два роки, завдяки інтеграції деяких технологій зі спорту на двигунах, у нас з’явився двигун такого ж розміру, але з потужністю 200 кВт постійно. Тепер у тому ж форматі ми досягаємо потужності 400 кВт постійно. Отже, ця технологія значно розвинулась на тому, що багато хто вважає статичним ринком».
Малі та легкі
Основні цілі продуктивності Edwards у кожному проекті залишаються абсолютно однаковими: зменшити розмір та вагу – це два ключові фактори, яким надається найвищий пріоритет у автоспорті. „Наш досвід пов’язаний із проектами, де критичними є обмеження щодо простору та ваги, тому ця філософія була вбудована у наші двигуни“, – продовжує він. „Перехід до застосування таких двигунів у поїздах полягає лише у зниженні максимальних температур, що дозволяє подовжити термін служби ізоляційних матеріалів, і тоді двигун стає у десять чи у двадцять разів меншим за розміром, ніж звичайний двигун поїзда“.
Справді „безтурботні“ проекти, які реалізуються в Helix, знаходяться під егідою її експериментального підрозділу „X Division“, роботу якого Едвардс описує як „пошук мистецтва можливого“. Це, у свою чергу, сприяє розвитку основних технологій у сферах морської промисловості, вантажного транспорту, оборони та аерокосміки – створюючи двигуни, які є меншими та потужнішими за попередні. Тому Едвардс та його колеги прагнуть привернути увагу до розробки двигунів у галузі, яка занадто часто фокусується лише на нових технологіях акумуляторів як на єдиному справжньому джерелі можливостей для прогресу.
«Якщо дивитися з точки зору ефективності, усе зводиться до розміру та маси», — підсумовує він. «Якщо ви використовуєте простір під двигуни, ви не можете використовувати його під акумулятор чи вантаж – і це стосується кожної галузі. Там, де існують обмеження щодо розміру та ваги, ми можемо запропонувати краще рішення».
«Це особливо актуально для морських проектів, які є дещо незвичайними. У автомобілях співвідношення потужності до ваги досить високе, і коли люди натискають на газ, вони хочуть прискорюватися. У морській сфері прискорення є відносно повільним через значний опір, спричинений в’язкістю води. Тож там, де у дорожньому автомобілі можна тримати ногу на педалі протягом 10 секунд, а потім зменшити натиск до 10%, у морських суднах потрібно використовувати повний оберт газу, і можна сидіти так постійно протягом годин».
«Це зовсім інший цикл роботи двигуна, що вимагає трохи іншої конфігурації, тому в цій сфері є багато можливостей для оптимізації. Ми працювали над проектами E1 Racing та Magic Carpet E – чудовими гоночними суднами з вуглецевого волокна, які ми повністю електрифікували, щоб усунути необхідність використання генератора під час гонок. Ми постачаємо наші рішення виробникам екзостатних двигунів, двигунів заднього приводу, катамаранів, а також для принаймні трьох оборонних застосувань у морських операціях.»
«Те саме стосується багатьох інших застосувань, де використовуються традиційні системи, і користувачі або хочуть покращити продуктивність, або потребують тихішої роботи. Це ідеально підходить для електрифікації, але часто недостатньо місця для розміщення додаткового обладнання. Тож ми пропонуємо ці рішення клієнтам, яким потрібна така функціональність – і це наразі має вирішальне значення.»
«Ми створили чимало прототипів компонентів для гірничодобувних машин, де електрифікація приносить певні непрямі переваги, про які часто не думають – наприклад, зменшення кількості енергії, необхідної для подачі повітря в шахту, та усунення летких палив, які можуть спричинити вибухонебезпечну атмосферу. У свою чергу, у будівництві багато машин потребують хорошого огляду, і все, що заважає водієві бачити те, що знаходиться навколо коліс та ковша, є справді серйозною проблемою для оператора – тож, оскільки двигуни стають більшими та мають все більше додаткових систем обробки, ми можемо принести їм користь, встановивши дуже малий двигун».
«Ще є аерокосмічна галузь, де спостерігається великий інтерес до космічних ракет-носіїв через суворі обмеження щодо маси. Тут все зводиться до ефективності та скорочення маси, адже саме вона є корисним навантаженням. Вони можуть буквально встановлювати ціну за кілограм супутників, тож у них дуже чітке розуміння цього аспекту, оскільки їх оплачують за кілограм. Ми також співпрацюємо з виробниками реактивних двигунів, щоб покращити ефективність газотурбін шляхом використання електричної підтримки в деяких частинах їхньої роботи, щоб вони не мали обмежень у одній зоні, коли більша частина роботи виконується в іншій. Знову ж таки, усе зводиться до мінімізації маси для цих застосувань, і це дуже добре відповідає нашим основним сильним сторонам».
Очевидно, що в усіх галузях існує великий потенціал для розвитку електродвигунів – проте нещодавні зміни у ліцензуванні магнітів у Китаї створюють загрозу для цього розвитку. Проте, на думку Едвардса, це відкриває можливість переглянути припущення щодо проектування двигунів. „Це певною мірою змінить структури, тож майбутнє буде пов’язане з максимальним використанням магнітів із низьким або нульовим вмістом та різних матеріалів-магнетиків“, — підсумовує він. „Це, ймовірно, стане наступним впливом на двигуни.“
«Багато виробників автомобілів зовсім не використовують магніти, але це зазвичай призводить до більшого двигуна, і вони можуть це собі дозволити, оскільки витрати зменшуються та у них є простір. Автомобілі високої продуктивності та інші галузі, про які я згадував, не мають такої можливості. Тож я впевнений, що це неодмінно вплине на ці преміум-двигуни, але щодо того, як ми можемо це подолати, ми зрештою досягнемо тієї ж ефективності та покращимо потужність різними способами – у мене немає сумнівів!»
Натисніть тут, щоб прочитати останній випуск E-Mobility Engineering.