Najwydajniejszy silnik świata to elektryk. Drukuje się go w 3D, ma 300 KM i waży tylko 10 kg

Kluczowe wyzwania, z którymi borykają się projektanci silników, to waga, wszelkiego typu opory wewnętrzne i wysoka temperatura. Specjaliści z brytyjskiej firmy Equipmake przekonują, że udało im się pokonać je wszystkie z pomocą rewolucyjnego silnika elektrycznego stworzonego w technologii druku 3D.

Jak udowodniły rodzinne tesle wyprzedzające superauta i BMW i3 szalejące po ulicach Warszawy, silniki elektryczne pozwoliły wejść samochodom na zupełnie nowy poziom osiągów. Dzięki swojej naturze pracy, nad tradycyjnymi jednostkami spalinowymi mają przewagę potężnej elastyczności (maksymalny – i do tego wysoki – moment obrotowy dostępny jest już od samego momentu ruszenia) przy zachowaniu znacznie bardziej kompaktowych wymiarów.

Firma Equipmake przekonuje, że obecny stan rozwoju silników elektrycznych to nie kres, a dopiero punkt wyjścia do kolejnych, jeszcze daleko bardziej wydajnych rozwiązań. Zapewnienia brytyjskich inżynierów brzmią wiarygodnie z dwóch powodów. Po pierwsze, to ona stworzyła akumulator energii kinetycznej do systemu KERS stosowanego przez zespół Williams w Formule 1.

Po drugie, zaprezentowała właśnie spełniający te obietnice wyjątkowo ciekawy silnik o nazwie Ampere. Obiecuje on gęstość mocy nieznaną wcześniej nie tylko w świecie napędów spalinowych, ale nawet i tych elektrycznych. Bardzo kompaktowa jednostka o wadze zaledwie 10 kilogramów generuje aż 300 KM. Oznacza to, że z każdego kilograma silnika udaje się uzyskać aż 30 KM. Dla porównania bardzo ceniony za swój stosunek mocy do masy nowoczesny silnik elektryczny stosowany w Jaguarze I-Pace generuje 200 KM przy wadze 40 kg.

Obecnie stosowane w samochodach silniki elektryczne kręcą się do około 10 tys. obr./min. Teoretycznie nie mają potrzeby, by wchodzić na wyższe prędkości obrotowe. Maksymalny moment obrotowy jest dostępny już od momentu ruszenia, a maksymalna moc osiągana jest w okolicach 5000 obr./min.

W praktyce silniki takie nie mogą wchodzić na wyższe prędkości obrotowe ze względu na ograniczenia w chłodzeniu. Praktyka pokazuje, że najszerzej stosowane dotychczas napędy elektryczne nie sprawdzają się za dobrze przy długotrwałej jeździe z wysoką prędkością, na przykład na autostradzie.

I tu właśnie zaczyna się "magia" Equipmake. Jej inżynierom wraz z ekspertami od chłodzenia z brytyjskiej firmy HiETA udało się stworzyć kompaktową jednostkę, która osiąga kilkukrotnie lepszy poziom wydajności chłodzenia niż znane dotychczas rozwiązania. Dokonano tego dzięki wykorzystaniu technologii wytwarzania przyrostowego. To obecnie najszybciej rozwijająca się metoda druku 3D, która podbija między innymi świat medycyny.

Jej unikatowość polega na tym, że pożądane kształty są wytwarzane nie metodami ubytkowymi (jak frezowanie), a poprzez nanoszenie materiału warstwa po warstwie poprzez przetapianie proszku metalowego z pomocą promienia lasera. Taka metoda pozwala tworzyć części o wręcz dowolnej geometrii, które skrawaniem można by osiągnąć tylko poprzez połączenie paru mniejszych komponentów, lub nie udałoby się osiągnąć w ogóle. Co więcej, poszczególne części nie muszą być stworzone z litych kawałków tworzywa, bo można z nich w dowolny sposób usuwać zbędny materiał.

Mówiąc prościej: dzięki wytwarzaniu przyrostowemu silnik elektryczny może być zbudowany z jednego bloku o optymalnym kształcie, w środku którego można zastosować dużo skuteczniejszy system kanałów chłodzenia. Efektem jest konstrukcja prostsza, wytrzymalsza, lżejsza, dużo wydajniej chłodzona i odznaczająca się dużo mniejszymi oporami wewnętrznymi. W porównaniu do dotychczas wykorzystywanych w motoryzacji silników elektrycznych osiąga ona kilkukrotnie wyższe prędkości obrotowe (30 tys. obr./min) i potrafi je utrzymać bez przegrzania przez znacznie dłuższy czas.

Oprócz tego brytyjscy konstruktorzy sięgnęli po jeszcze jedną innowację. Coraz częściej w samochodach elektrycznych zamiast silników indukcyjnych stosuje się alternatywę z magnesami trwałymi. Z tego rozwiązania korzysta na przykład Tesla Model 3. Silniki elektryczne z magnesami zagłębionymi w wirniku jeszcze przed debiutem w samochodach były cenione za wysoką sprawność w całej prędkości obrotowej i szeroki zakres dostępnych obrotów. W silniku Ampere dostrzeżono jeszcze jedną zaletę tego rozwiązania: ciecz chłodząca może znaleźć się bliżej magnesów, a przez to je skuteczniej schłodzić.

Gdyby zalet było mało, twórcy tego projektu wskazują na niskie koszty budowy. Nowa technologia druku pozwala zbudować silnik z mniejszej liczby podzespołów, a wydajniejsze chłodzenie dopuszcza zastosowanie tańszych, łatwiej dostępnych materiałów.

Sam jedyną przeszkodę widzę tylko w możliwości zastosowania wytwarzania przyrostowego do seryjnej, szybkiej produkcji silników na wielką skalę, co byłoby niezbędne, by silnik Ampere stał się dla przemysłu motoryzacyjnego prawdziwym przełomem. Firma Equipmake ma chyba rozwiązanie i na ten problem i powinniśmy je poznać w najbliższych miesiącach. Zapowiada bowiem wprowadzenie tej jednostki do produkcji wiosną 2021 roku.