Раждането на напълно новия дизайн, ДВГ, електрическите мотори и управлението им
Нов шеф и съкратени срокове
През август 1995 година президент на Toyota е по-младият брат на Шоичиро Тойода – Тацуро. По това време той е сериозно болен, но точно тогава Китай прави сериозни постъпки за създаване на съвместна компания с Toyota. Преди много години Сакичи Тойода е построил завод за производство на автоматични тъкачни станове в Шанхай, а преди Втората световна война Киичиро Тойода е създал в Китай, компания, която произвежда камиони. В Toyota изпитват огромен респект към Китай и смятат, че правенето на бизнес в тази страна е не само важна цел, но и въпрос на чест. Същевременно в икономическите отношения между Япония и САЩ се появяват пробойни. Щатите обвиняват японците, че огромна част от търговския дисбаланс от 60 милиарда долара между двете държави се дължи на големия износ на японски автомобили. Разбира се, впоследствие страните ще се споразумеят по много от въпросите, а Toyota ще построи още един завод отвъд океана и ще започне да купува американски части. В този напрегнат момент обаче разклатеното здраве на Тацуро го принуждава да прехвърли работата си на нов директор. С встъпването си в длъжност новият шеф Хироши Окуда прави бързи и значителни промени в компанията и в нейната корпоративна организация, а освен това прокарва решения за започване на производство в Индия и Франция. Четири месеца след като е поел поста си, Окуда превръща проекта за създаване на Prius в приоритетен и измества планирания срок за започване на серийно производство от 1998 на 1997 година. Това на практика означава, че екипът на Учиамада трябва да приключи успешно развойната фаза в рамките на 24 месеца, което е с около една трета по-кратък срок от средния за компанията период на разработване на конвенционален автомобил с подобни размери.
Дизайнът: нещо коренно различно
В средата на деветдесетте години Toyota разполага с четири основни дизайнерските студия, разположени на четири места в света – в щабквартирата в Тойота Сити, дизайнерският център в Токио, студиото CALTY в Калифорния и Европейският офис в Брюксел. Компанията има установена политика по отношение на стилистиката на автомобилите си, съгласно която създава формите им сама и не ползва услугите на външни студия. По това време дизайнерите рисуват на ръка, а CAD програмите едва прохождат. След като отхвърля няколко предложения за дизайнерски решения на екипа от Токио като прекалено консервативни или прекалено футуристични, Учиамада решава да постъпи по изцяло нов начин, като организира конкурс между всички центрове, включително дизайнерите на някои доставчици и дори стилистичното подразделение на отдела за автоматични тъкачни станове. Той е готов да предложи участие и на някои европейски дизайнерски къщи – идеален начин да провери нагласите за създаване на подобен революционен автомобил и да получи визии за стилистиката му, но идеята е отхвърлена от шефовете заради опасност от изтичане на информация. В края на краищата Учиамада остава изненадан от разнопосочността на идеите на дизайнерите за бъдещия модел. Стилистите от Белгия например смятат, че настояването на техническия екип за триобемен дизайн е в противоречие с модните тенденции. Според тях в Европа клиентите предпочитат компактните хечбек каросерии и дори в средния клас се насочват към автомобили с пет врати, които не са класически седани. Впоследствие тази идея ще бъде реализирана при Prius II, но както ще видим, победителят в конкурса за първия Prius всъщност представя едно наистина оригинално решение. Каросерията, която предлага CALTY, сякаш е създадена от яйце, в краищата на което е приложена сила и веднага след като се е счупило, формата е фиксирана. По този начин шефът на отдела Лиуй успява да създаде усещане за триобемна форма на базата на еднообемен профил.
Напълно нов двигател с вътрешно горене
Първоначалната идея за използване на бензинов мотор с директно впръскване, която дори е реализирана при един от прототипите, впоследствие е отхвърлена. Хибридната система дава възможност да се избягнат определени неефективни режими на работа с ниски обороти, което позволява конструкторите да насочат вниманието си към процеса на Аткинсън. Принципно архитектурата на двигателя, работещ по този начин, не се отличава от класическия мотор на Ото. Със създаването на такава машина се заемат Тошифуми Такаока от отдела по проектиране на двигатели и Хироши Тада от отдела по силови трактове.
Двигателят на Аткинсън позволява различни степени на сгъстяване и разширение (като втората е значително по-голяма, например 10:1 срещу 13:1). По този начин се усвоява по-пълноценно енергията на отработилите газове, а за да се получи този ефект, всмукателният клапан се оставя отворен по-дълго от обикновеното. След множество симулации екипът G21 решава да поръча на отдела по двигатели да разработи нова машина с работен обем от 1500 куб. см. По това време компанията разполага с мотори от подобен тип – агрегатите 4Е и 5Е, които, въпреки че се произвеждат до 1998 г., не се вписват в изискванията на проекта за напълно нови решения, тъй като от създаването им са изминали почти 20 години. Изцяло новият агрегат NZ се проектира под специалното наблюдение на заместник главния инженер на отдела за конструиране на автомобили с предно предаване, който е не кой да е, а Шунеи Тойода – трети син на почетния председател Ейджи Тойода. Моторът, предназначен да се използва и за други модели, е с модифициран разпределителен механизъм, който му позволява да работи по цикъла на Аткинсън, и притежава електронна дроселова клапа, защото управлението на работата му е далеч по-различно от това на конвенционалните мотори, които не са включени в хибридна архитектура. Така агрегатът за хибридния модел получава абревиатурата 1NZFXE.
На пръв поглед всичко изглежда ясно и лесно, но на практика се оказва, че изискванията към версията за хибрида значително се усложняват. Това е така, защото инженерите ограничават оборотните диапазони на агрегата в името на намаляването на емисиите и избягването на неблагоприятните режими на работа, но оптимизацията на останалата работна област е много труден процес с оглед необходимостта от прецизна работа на газоразпределителния механизъм и запазване на достатъчно висок въртящ момент при ниски обороти. Предвид постоянното спиране и стартиране на двигателя е особено важно процесите да протичат по-меко и гладко, отколкото при конвенционалните машини. С тази задача се заема един от инженерите, Канеи, който започва да търси начини да оптимизира стартирането. След множество опити той установява, че това се постига най-добре, като се ограничи количеството въздух в цилиндрите, което после трябва да се сгъсти при стартиране. Решението идва с използването на създадената наскоро система за променливо газоразпределение VVT-i. Канеи я модифицира така, че при спиране да затваря всмукателния клапан още по-късно. По този начин се освобождава обратно част от количеството въздух, като обемът му се регулира прецизно, така че той и респективно компресията да не намалеят до положение, при което стартирането става невъзможно. Типичното за днешните хибридни автомобили на Toyota неусетно преминаване от един към друг работен режим до голяма степен се дължи на упоритата работа на Канеи и изключително прецизната настройка на управлението на разпределителния механизъм.
Електромоторите – част от производствения цикъл
Както и в другите фирми, повечето от инженерите на Toyota мечтаят да работят в отдела за технологично проектиране, а не в отделя за производствено проектиране, занимаващ се с технологиите за производство на автомобилните компоненти. Всички искат да създават автомобили и най-вече – двигатели. Ако обаче в автомобилните компании изпълняваха това желание, те щяха да са едни проектни бази, но не и производители.
Цикълът е ясен – с проектираните от първия отдел автомобили се заема вторият, който трябва да създаде процесите за производство. Колкото и да звучи странно обаче, когато идва време за конструиране на електрическите машини за Prius, приоритетен става именно производственият отдел. За първи път двата отдела работят по един проект синхронно, а кооперирането им се превръща в нещо безпрецедентно до този момент. Причината е, че специалистите от производствения отдел вече имат уникален опит, натрупан в процеса на работа по електрическия RAV 4 EV. Този опит включва разработването на нови, подходящи за масовото производство машини и дори промени в конструкцията на двигателите.
THS използва два електрически мотор-генератора – и двата трифазни, променливотокови, с постоянни магнити и напрежение от 288 волта. Те са създадени от отдела за електрически и хибридни автомобили специално за Prius на базата на агрегатите, използвани от RAV 4 EV. Още при неговото разработване една група от инженерите се обявява за закупуване на готови агрегати от доставчици, а друга е за собствено производство. Първите смятат, че е най-добре да бъде използван асинхронен индукционен мотор, а вторите – синхронен с постоянни магнити. Чрез множество тестове втората група успява да създаде действащи прототипи на електромотори с изключително висока ефективност, а версията с 45 кВт е най-мощната от този тип на пазара. На базата на придобитите познания екипът започва да конструира значително по-компактни мотори, подходящи за Prius. Конструкторите хвърлят огромни усилия, за да създадат достатъчно компактни машини, пригодени за масово производство, тъй като до момента всички агрегати са били изработвани в малки серии на ръка. Когато е разработена новата конструкция, която трябва да бъде произвеждана с по-ниска себестойност, се оказва, че един от детайлите обърква аритметиката. Това е изключително скъпият електромагнитен набор от стоманени дискове, върху които се навиват намотките. Toyota го купува от Nippon Steel, който произвежда магнитопроводимата стомана с множество имплантирани микроелементи, които я оскъпяват. Налага се Nippon да направи стотици изчисления и опити, за да намери перфектния баланс между себестойност и ефективност. За навиване на намотките е купена нова машина, но тя също създава проблеми, тъй като не може да навива по предварително проектирания начин и се налага да бъде променена конструкцията на целия мотор.
(следва)
Текст: Георги Колев