Дороги всех городов Земли заполнены автомобилями. С каждым годом растет их количество и число модификаций. Неизменным остается лишь одно — двигатель под капотом. И это кажется странным, так как двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — а именно о нем идет речь — далеко не идеален. Он может, конечно, иметь КПД в 70 проц., но лишь теоретически, так как на практике КПД лучших типов бензиновых моторов составляет 35 проц., а дизельных — около 40 проц. Неудивительно, что желающих придумать замену такому “несовершенству” было множество.
И, надо сказать, до середины 1920-х годов спокойной жизни у ДВС не было, так как его по всем статьям превосходил двигатель паровой. В США, например, в 1899 году только 22 проц. всех механических транспортных средств составляли “бензиномобили”, 38 проц. — электромобили и 40 проц. — “паромобили”. Одним из главных козырей паровика являлась экологичность. Топливо в его котле горит спокойно и поэтому сгорает полностью, без образования вредных примесей. Да и шустрость у движка была хорошей: к 1930 году серийный Stanely Steamer разгонялся до 100 км/ч за 12 секунд, был бесшумен и расходовал 12 л керосина на 100 км пути. Тем не менее развитие двигателя внутреннего сгорания вытеснило паровые автомобили.
Многие из двигателей, изобретенных в эпоху автомобилизма, казались очень достойными, но — в основном — так и остались на бумаге или в виде единственного прототипа. Вот краткий перечень таких двигателей:
● Винтовой двигатель. Похож на турбину, но лишен ее недостатков. Воздух сжимается компрессором, затем подается в камеру сгорания, куда форсункой впрыскивается топливо. Смесь поджигается свечой, а образовавшиеся газы, расширяясь, вращают ротор.
● Двигатель Курочкина. Это гибрид турбины и мотора Ванкеля, о котором речь пойдет ниже. Внутри вращается восьмигранный цилиндр. В нем на параллельной оси установлен подвижный ротор с восемью лопатками. Они совершают возвратно-поступательное движение под действием расширяющихся газов.
● Двигатель Скрипова. Этот мотор похож на двухтактный, но у него есть еще один поршень. Он жестко связан с рабочим поршнем, отвечающим за впуск смеси в мотор и ее сжатие. В нужный момент открываются клапаны, подавая смесь в рабочий цилиндр и выпуская выхлопные газы.
● Двигатель RCV. Английская компания усовершенствовала двухтактный двигатель, сделав головку его цилиндра вращающейся. В головке имеются каналы, по которым подается топливно-воздушная смесь и отводятся выхлопные газы. Этот двигатель не имеет клапанной системы.
● Пятитактный двигатель. Здесь топливо сгорает не в цилиндре, а в специальной камере сгорания. Ее объем постоянен, что улучшает экологию и повышает мощность. В нужный момент камера сгорания подсоединяется к рабочему цилиндру и газы давят на поршень.
● Двигатель Стирлинга. Это двигатель внешнего сгорания. Рабочий газ в цилиндре нагревается с помощью внешнего источника тепла, затем происходит расширение этого газа, после чего газ перемещается в холодную зону, где происходит его охлаждение. КПД такого двигателя составляет 70 проц., но он очень дорог.
Немецкому инженеру Феликсу Ванкелю совершенно новый тип двигателя, в котором не было поршней и коленвалов, а все детали были только вращающимися, приснился во сне. Случилось это в 1926 году, когда изобретателю было 24 года. Для претворения идеи в чертежи и получения патента понадобилось 12 лет. А первый опытный образец двигателя Ванкеля заработал лишь в феврале 1957 года.
Основа конструкции двигателя Ванкеля — треугольный ротор, одновременно выступающий и в роли поршня, и в роли коленчатого вала. Он движется внутри камеры по сложной траектории, одной из своих граней сжимая топливную смесь. Когда смесь достаточно сжата, ее поджигает свеча. Расширяющиеся газы толкают грань ротора и заставляют ротор вращаться. Следующая грань снова сжимает топливную смесь, и цикл повторяется. Такая конструкция помогла избавиться от кривошипно-шатунного механизма, из-за которого в основном двигатель внутреннего сгорания расходует на себя около 20 проц. энергии по причине трения, вибрации и прочих вредных процессов.
Двигатель Ванкеля стал просто революционным прорывом в области двигателестроения. Уравновешенный мотор не вибрировал, был намного легче и компактнее обычного, обладая при этом вдвое большей мощностью. Лицензии на выпуск роторных моторов закупили такие гранды, как “Дженерал Моторз” и “Даймлер Бенц”, начала производство роторных двигателей фирма “Ситроен”...
Однако на этапе воплощения идеи в жизнь у этого, казавшегося на первый взгляд просто идеальным двигателя начали проявляться недостатки. Оказалось, что уплотнения в камере сгорания довольно быстро выходят из строя. Мотор требует много масла и уступает ДВС в экологичности. И, что самое главное, конкурентен лишь в периоды дешевой нефти. Поэтому в 1970-е годы, после нефтяного кризиса, от изобретения Ванкеля отказались. Правда, не все. Одно время АвтоВАЗ выпускал малыми партиями “Лады” с роторным двигателем. А японская “Мазда” (Mazda) вообще довела революционный мотор до совершенства, и теперь он стоит на серийном автомобиле Mazda RX-8.
Так что Королем дорог по-прежнему остается старый добрый (к природе не очень добрый) двигатель внутреннего сгорания. В котором за 130 лет его существования — отсчитываемых с 1876 года, когда немецкий инженер Николаус Август Отто запустил бензиновый мотор, почти не отличающийся от современных двигателей, — поршень, шатун, коленчатый вал, впускной и выпускной клапаны. А к достоинствам, проверенным временем, добавились и другие — новые. Во-первых, ДВС может работать и на топливе будущего — на водороде. Во-вторых, он хорошо работает в паре с электромотором.
В конце 1995 года, через шесть месяцев после того, как “Тойота” (Toyota) решила продолжить работы со своим революционным автомобилем-гибридом, названным Prius, и за два года до того момента, когда автомобиль должен был быть запущен в производство в Японии, работавшие над проектом инженеры встали перед проблемой. Большой проблемой.
Первые прототипы ... не заводились. “На компьютере гибридная система работала очень хорошо, — рассказывает Сатоши Огисо, главный инженер команды по приводу. — Но моделирование и работа конкретной детали в реальной обстановке — это две разные вещи.” У Огисо и его команды ушло более месяца на то, чтобы устранить проблемы в программном обеспечении и в электрике, не дававшие Prius двинуться с места. Затем, когда они все же смогли завести автомобиль, он проехал лишь несколько сот метров по испытательному треку и снова встал.
Трудно себе представить, что “Тойота”, с ее аурой неуязвимости, могла столкнуться с такими трудностями. Но эта история о том, как компания вывела Prius на рынок, — история, изобилующая технологическими выбоинами, невозможными запросами, многочисленными просчетами, показывает, как великая компания может преодолеть огромные препятствия и добиться того, чтобы невероятное казалось неизбежным. Работающий на бензине и электричестве автомобиль представляет лишь крошечную долю из девяти миллионов легковушек и грузовиков, которые японская компания произведет в этом году. Но это первый автомобиль, представивший серьезную альтернативу двигателю внутреннего сгорания с тех пор, как паровой двигатель Стенли испустил дух в 1924 году. Он стал автомобильной вехой: машиной для будущего, спроектированной для мира с дефицитом нефти и с избытком парниковых газов.
Несмотря на все свои успехи в качестве высокотехнологичного изготовителя, “Тойота” до Prius никогда не была замечена в больших “пионерских” подвигах. Ее в основном знали как не склонную к рискам компанию, в которой технологические процессы — объединенные в знаменитую систему рачительного производства “Тойоты” — побивали продукт. Да и сама “Тойота”, располагающаяся в сельскохозяйственной префектуре Айчи (Aichi), в 200 милях от Токио, любит изображать себя медленно движущейся компанией фермеров из глубинки. Однако интервью с представителями руководства компании в Японии и США ясно показывают, что “Тойота” способна нарушать свои собственные правила, когда ей это необходимо. Стремительно выводя Prius на рынок, она отказалась от традиционной практики управления посредством консенсуса, и ее руководители прибегали к таким необычным (по крайней мере, для “Тойоты”) действиям, как указание целей и установление таких жестких сроков, которые многим казались недостижимыми.
Темпы движения “Тойоты” по пути создания гибридных автомобилей будут только ускоряться. Хотя Prius был впервые воплощен в металл при Хироши Окуда и Фуйо Чо, двух предыдущих президентах “Тойоты”, новый босс Кацуаки Ватанабе хочет, чтобы гибриды стали основным направлением в автомобилестроении. Ватанабе 64 года. Ставший высшим руководителем компании в июне прошлого года, он выглядит почтенным семьянином. Но он твердо намерен поддерживать взрывные темпы роста, благодаря которым за последние пять лет глобальный объем производства “Тойоты” вырос почти в полтора раза. В своем интервью, данном в начале этого года в штаб-квартире компании в “Тойота-сити”, он подчеркнул, что ключевым аспектом его стратегии является обеспечение большей доступности гибридов для потребителей. “Мы должны усовершенствовать производство и разработать более совершенные технологии для аккумуляторов, электромоторов и преобразователей, — сказал он. — Моя задача состоит в том, чтобы выпускать Prius третьего поколения быстро и дешево”. Он считает, что к началу следующего десятилетия “Тойота” будет ежегодно продавать один миллион гибридных автомобилей.
Так как ни одна другая автомобилестроительная компания даже и близко не может приблизиться к этой цифре, “Тойота” явный лидер. Неплохо для “медленно движущейся компании фермеров”. “Является ли “Тойота” консервативной компанией?”, — задается вопросом Джеффри Лайкер, профессор по инжинирингу в Мичиганском университете и автор книги “Путь Тойоты” (The Toyota Way). “Да. Не кажется ли она очень медлительной в осуществлении перемен? Да. Является ли она новаторской компанией? Несомненно. Она движется медленно, используя прошлый опыт, тщательно учитывая все последствия принимаемых решений. И в то же время совершает агрессивные выпады, нанося конкурентам на рынке сокрушительные удары своими исключительными изделиями”. Если он прав, то “Тойота” начинает представлять из себя двойную угрозу: она является теперь не только производителем высококачественных изделий, но и по-настоящему великим новатором. История с Prius подтверждает его правоту.
Машина, получившая название Prius, начала свою жизнь в 1993 году, когда Эиджи Тойода, председатель компании “Тойота” и патриарх правящей этой фирмой семьи, выразил озабоченность по поводу перспектив автомобиля. Йоширо Кимбара, бывший тогда исполнительным вице-президентом по НИОКР, услышал об этом недовольстве и запустил проект, получивший название G21 (сокращение расшифровывается так — глобальный 21 век), для разработки нового небольшого автомобиля, который мог бы продаваться во всем мире. Он обозначил две цели: разработать новые методы производства и добиться лучшей экономии топлива от традиционного двигателя внутреннего сгорания. Согласно его планам, предстояло добиться пробега в 47,5 мили на галлон бензина (то есть 76,5 км на 3,78 л, или 20 км на 1 литре, ИЛИ, как больше принято у нас, 5 литров бензина на 100 км пробега). А это было на 50 с небольшим процентов лучше, чем в то время у автомобиля Corolla, популярной небольшой машины “Тойоты”. За пять лет до этого, в 1988 году, пробег среднего американского автомобиля составлял 22,1 мили на галлон (в 2003 году такой автомобиль мог проехать на галлоне лишь 20,7 мили).
К концу 1993 года команда разработчиков определила, что более высокие цены на нефть и растущий во многих странах мира средний класс потребуют, чтобы новый автомобиль был и просторным, и более экономичным в потреблении топлива. Кроме этого, никаких других ориентиров разработчики не получали. “Я пытался определить будущее направление развития компании, — говорит Ватанабе, отвечавший в то время за корпоративное планирование. — У меня не было какой-то конкретной идеи в отношении машины”.
Непосредственная ответственность за проект была возложена на исполнительного вице-президента Акихиро Вада. Вада довольно долго искал инженера с нужным сочетанием опыта и непредубежденности, который мог бы возглавить команду. Такое сочетание он нашел у Такеши Учиямада. Вада, являющийся сейчас советником в фирме Aisin Seiki, поставляющей тормоза для “Тойоты”, обосновывает этот свой выбор так: “Первоначально Учиямада был экспертом по контролю шума и вибрации. Но он был серьезным и трудолюбивым специалистом, поэтому мы надеялись, что из него получится хороший главный инженер изделия, которое сможет быть быстро запущено в производство”.
Сперва Учиямада предположил, что сможет повысить экономичность G21 по топливу благодаря усовершенствованию существующей технологии. В плане, представленном руководству в 1994 году, он писал, что введение усовершенствованных двигателя и трансмиссии сможет улучшить экономичность по топливу на 50 проц. Но это было недостаточно смело для Акихиро Вада, не хотевшего, чтобы его вспоминали как человека, выпустившего на свет еще один неприметный японский автомобильчик, единственное отличие которого от других состояло лишь в его экономичности. Его заинтриговало одно возможное решение: гибридная силовая система.
Концепция эта не была новой. “Тойота” в течение 20 лет то и дело рассматривала идею, заключающуюся в установке традиционного бензинового двигателя рядом с электромотором, питающимся от аккумуляторов, подзаряжаемых в те моменты, когда машина идет под уклон с выключенным мотором, или когда происходит торможение. Масатами Такимото, являющийся сейчас исполнительным вице-президентом, говорит, что в то время он разрабатывал гибридный минивэн, однако проект столкнулся с проблемой. “Произошел раскол между инженерами и руководством подразделения, занимающегося сбытом. Инженеры были совершенно уверены, что гибрид был ответом на все эти вопросы — по поводу истощения запасов нефти, выбросов вредных веществ и будущего автомобильного общества на далекую перспективу, однако бизнесмены были с этим не согласны”. Они считали, что высокая цена на гибридный автомобиль не позволит его продавать.
Вада встал на сторону инженеров и приказал команде разработать концептуальную модель автомобиля с гибридным приводом к автомобильной выставке, которая должна была состояться в Токио в 1995 году, то есть всего через 12 месяцев после его распоряжения. Для большей убедительности своего указания он потребовал, чтобы цифра по топливной экономичности была еще лучше, для того, чтобы компенсировать более высокую стоимость гибрида. “Даже не останавливайтесь на вариантах, дающих повышение эффективности менее чем на 100 проц., — сказал он Учиямаде. — В противном случае конкуренты нас быстро догонят”. Учиямада, являющийся сейчас исполнительным вице-президентом и членом правления “Тойоты”, говорит теперь так: “В тот момент мне казалось, что он требует слишком многого”...
(Продолжение следует)
При подготовке полосы использованы материалы из изданий “New York Times”, “Все Ясно”, “Fortune”.