Konstruktor roku USA

Tom Watson, wybrany przez amerykańską redakcję Design News Konstruktorem Roku USA 2006, jest jednym z projektantów  samochodów nowej generacji, którzy znają się na zarządzaniu energią tak samo, jak na silnikach i układach przenoszenia napędu 

NIEDUŻY SAMOCHÓD sportowo-użytkowy Ford Escape z napędem na przednie koła według testu EPA osiągnął zużycie paliwa 6,53 l/100 km w teście cyklu jazdy miejskiej i 7,59 l/100 km w jeździe po autostradzie.

Nowy „Facet od samochodów” z Detroit

Mechaniczny model na biurku Toma Watsona mówi sam za siebie. Ważący 31,8 kg i stanowiący zbiór wałów korbowych i przekładni model został skonstruowany po to, żeby pokazać, w jaki sposób przepływa energia w nowych pojazdach hybrydowych, zbudowanych w zakładach Ford Motor Co. Jest to jednak coś o wiele bardziej złożonego, niż zwykły model ukazujący zalety nowej technologii. W rzeczywistości – jest to makieta przyszłościowych zamierzeń Forda. Obracając jednym wałem symuluje się działanie zwykłego silnika, napędzanego benzyną. Obracając innym, wprawia się w ruch wirtualny silnik trakcyjny. A zestaw przekładni planetarnych modelu? Jest odpowiedzialny za rozdzielanie mocy, tworząc prawie symfoniczną kompozycję momentu obrotowego i efektywnego zużycia paliwa. Zupełnie jak jego twórca.

I to jest kwintesencja Toma Watsona, Projektanta Roku 2006 – według Design News USA. Podobnie jak model na jego biurku, Watson odpowiada za łączenie dwóch różnych form energii, a także za wprowadzenie producenta samochodów z ponad 100-letnią tradycją w nowy świat energii nieszkodliwej dla środowiska.

– To jest nasza przyszłość – mówi Watson, mając na myśli mieszane, spalinowo-elektryczne systemy napędu. – Nasza strategia postępu zmierza do obniżenia uciążliwości dla środowiska.

W rzeczywistości tylko William Clay Ford uznał tę drogę za słuszną. Prezes ogromnej firmy wytwarzającej samochody ogłosił we wrześniu, że Ford zmierza do wyprodukowania do 250 000 pojazdów hybrydowych (benzynowo-elektrycznych) do roku 2010, co stanowi dziesięciokrotny wzrost w porównaniu z dzisiejszym poziomem produkcji. Dlatego też Watson – ze swoją znajomością silników, układów napędowych, sterowania przepływem energii i strategii sterowania systemami przeniesienia napędu – stał się nagle ważnym trybem w tej machinie. Gdy większość Amerykanów, począwszy od środowisk prasowych aż po lobby ekologiczne, załamywała ręce twierdząc, że amerykańscy producenci samochodów nie są w stanie zbudować hybrydy, Watson pozyskiwał specjalistów do swojego zespołu i ulepszał technologię hybrydową Forda.

Wyniki zaskoczyły wielu z tych malkontentów. Pod względem większości parametrów Ford Escape pokonał dawne hybrydowe samochody klasy SUV, szczególnie pod względem oszczędności paliwa. Jego wersja z napędem na cztery koła osiągnęła zużycie paliwa według testu EPA 7,13 l/100 km w teście miejskim i 8,11 l/100 km na autostradzie, co było wynikiem znacznie lepszym od modeli Toyoty – Lexus 400h i Highlander. Te osiągi Forda są szczególnie istotne, jeśli porównamy je z Toyotą, legitymującą się największym doświadczeniem w produkcji pojazdów hybrydowych.

– To zadziwiające, że po tym, jak wszyscy spisali na straty Wielką Trójkę, mamy wciąż najlepsze wyniki w kategorii oszczędności paliwa wśród wszystkich samochodów klasy SUV obecnych na rynku. – Jednocześnie możemy się wykazać certyfikatami o najkorzystniejszych wynikach badań emisji spalin – zauważa Watson.

Pójście na kompromis

Może dlatego amerykanie przyznali tytuł Konstruktora Roku Watsonowi. Wygadany weteran o siedemnastoletnim stażu pracy u Forda przewodził już zespołom – najpierw przy studialnych pracach Forda nad zarządzaniem przepływem energii, a potem przy budowie pierwszego pojazdu o napędzie hybrydowym. Wspominając ten okres, koledzy z Forda mówią, że Watson był najlepszym człowiekiem do takiej pracy, zwłaszcza że próba Forda wejścia w świat pojazdów hybrydowych wymagała przełamania określonych granic w projektowaniu samochodów i wyjścia poza przyjęte dogmaty tego wszystkiego, czego inżynierowie Forda nauczyli się w ciągu całej stuletniej historii firmy.

– Tom przeszedł proces prawdziwego uczenia się sztuki kompromisów w optymalizacji silnika spalinowego i elektrycznego oraz akumulatorów – mówi Nancy Gioia, dyrektor Mobilnych Technologii Nieuciążliwych dla Środowiska i Programów Pojazdów Hybrydowych u Forda. – Wymagało to dogłębnego zrozumienia zagadnień układów przeniesienia napędu, silników i algorytmów sterowania.

To wszystko nie było łatwe, szczególnie w świetle… pięcioletniej przewagi Toyoty.

– Nigdy przedtem nie produkowaliśmy pojazdów hybrydowych. Na początku projektowania musieliśmy powrócić do punktu,  którym kierowca wsiada do samochodu i przekręca kluczyk zapłonu. Następnie musieliśmy odrzucić to wszystko, co podpowiadała nam intuicja odnośnie do sposobu, w jaki poruszają się pojazdy – mówi Watson.

Pod wieloma względami zadanie Forda nie różniło się specjalnie od tego, co robiono już sto lat wcześniej, kiedy to firma oparła  się na idei napędzania pojazdów silnikiem o spalaniu wewnętrznym. To zadanie przeprowadziło konstruktorów przez ledwo widoczną granicę, oddzielającą technikę i naukę.

Jednak było to zadanie, które doskonale pasowało do doświadczenia Toma Watsona. Mając tytuł inżyniera mechanika Uniwersytetu Illinois, Watson zaczął kłaść podwaliny pod swoją wiedzę o zarządzaniu energią jeszcze jako student ostatnich lat. Studiując pod kierunkiem profesora Roberta White’a na Uniwersytecie Illinois we wczesnych latach osiemdziesiątych, Watson nauczył się obliczania obciążeń drogowych samochodów przez przyspieszanie ich do prawie 129 km/ godz., przełączanie skrzyni biegów w położenie luzu, a następnie badanie zależności prędkości w funkcji czasu podczas toczenia się bez napędu (dobiegu). Jak mówi Watson, korzystając z obliczeń, nauczył się oddzielać siły działające na pojazd jako funkcje czasu i określać skutek działania i źródło tych sił.

– Jedną z ostatnich rzeczy, jakie zrobiłem w szkole, było powtórne wyprowadzeni wszystkich równań (profesora White’a) od podstaw. W pewnym sensie, przeprowadziłem inżynierię wsteczną jego równań – wspomina White.

Po rozpoczęciu pracy u Chryslera, jako inżynier w roku 1984, Watson podjął ponownie te badania, które prowadził w Illinois, dotyczące toczenia się pojazdów bez napędu, aby określić wielkości osiągów i zużycie paliwa. W 1989 r. zmienił pracodawcę, przyłączając się do Grupy Analizy Energii u Forda, gdzie znowu prowadził badania nad zużyciem paliwa. We wczesnych latach dziewięćdziesiątych wykorzystał całe swoje prawie dziesięcioletnie badania w Senacie Stanów Zjednoczonych w Waszyngtonie, gdzie lobbując na rzecz Forda uzmysławiał prawodawcom kompromisy pomiędzy kosztam producenta, a zużyciem paliwa przez pojazd. W ciągu tego czasu Watson pogłębił też swoją wiedzę na temat prawie wszystkich podzespołów samochodu – silników, układów przeniesienia napędu, hamulców, opon, łożysk, wałów, kontrolerów, a nawet oprogramowania – oraz ich wpływu na zużycie paliwa. Wszystko, co było przedmiotem jego badań, oglądał pod szerszym kątem analizy energii, zarówno wtedy, gdy jej źródłem był silnik benzynowy, akumulatory czy nawet ogniwa paliwowe. Watson opracował nawet statystyczne metody kontroli procesu w celu zastosowania ich w narzędziach konstruowania wspomaganego komputerowo, używanych u Forda. Metody te pomagały konstruktorom dokładnie przewidzieć wpływy nawet najdrobniejszych zmian projektu na zużycie paliwa.

– Chcieliśmy móc dokładnie powiedzieć zespołom programowym, jakie będzie zużycie paliwa, zamiast spotykać się z zaskoczeniem, jeżeli ich wyniki różniły się o jedną dziesiątą mili na galon od przewidywań – mówi Watson.

W istocie pierwsze piętnaście lat doświadczeń Watsona w przemyśle motoryzacyjnym posłużyło jako podstawa do tego, co miało przyjść później. Zanim William Clay Ford zaczął czarować zarząd firmy, prasę i lobby proekologiczne swoimi wizjami „ekologicznego” Forda, wprawiono już w ruch wszystkie tryby mające poprowadzić firmę ku hybrydowej przyszłości.

– Mój dyrektor przyszedł do mnie i powiedział: „OK, Tom, wpisałeś hybrydę do strategii firmy, a teraz powiedz, jak chcesz doprowadzić do powstania pierwszego takiego samochodu?” – wspomina Watson.

Połączenie inżynierii i nauki

Gdy tylko Ford uruchomił projekt hybrydowy w 1998 roku, Watson zaczął kompletować niezwykły zespół, który posłużył jako techniczny mózg dla modelu Escape. Jak mówi Watson, kluczowymi elementami była tutaj mieszanina talentów.

– To jest najinteligentniejszy zespół, z jakim kiedykolwiek pracowałem. Połączyliśmy ludzi z doktoratami w dziedzinie badań – z konstruktorami, którzy mieli dziesiątki lat doświadczenia we wdrażaniu programów (samochodowych). Była to naprawdę wspaniała kombinacja – stwierdza Watson.

Mówi też, że nawet dzisiaj stosuje ten styl pracy, łącząc ze sobą pół na pół inżynierów i naukowców.

Jednakże osiem lat temu nic takiego nie praktykowano jeszcze w pracach nad projektami samochodowymi u Forda. W zespole Watson był tym, kto nadawał kierunek, opierając się na swoim doświadczeniu i wiedzy w zakresie ekonomiki zużycia paliwa, analizy komputerowego wspomagania projektowania, jak też na znajomości sprzętu.

– Jedynie mała grupka pracowników Forda dobrze rozumiała technologię hybrydową, a Tom był jedną z tych osób – mówi David Cue, szef projektów hybrydowych Forda.

W ramach całego projektu napędu hybrydowego modelu Escape zespół Forda szeroko wykorzystywał modelowanie komputerowe w celu określenia, jak każda zmiana sprzętowa i programowa mogłaby wpłynąć na skuteczność spalania paliwa przez ten samochód. Używając oprogramowania Simulink, dostarczonego przez firmę Mathwork, członkowie zespołu opracowali model komputerowy, który symulował zużycia paliwa i bezpośrednio wiązał ten model ze strategią sterowania modułów układu przeniesienia napędu.

– Za każdym razem, kiedy dokonywaliśmy zmian w oprogramowaniu, modelowaliśmy te zmiany jeszcze przed sprawdzeniem w samochodzie – wyjaśnia Watson.

Taka strategia była najważniejsza, ponieważ pojazdy hybrydowe wykorzystują wiele sterowników układu przenoszenia napędu. Ford w modelu Escape używał dziewięciu takich modułów, w porównaniu z pojedynczym modułem, stosowanym w konwencjonalnych amerykańskich samochodach i ciężarówkach. Modelując w taki sposób konfigurację sterowania, zespół projektowy był w stanie wprowadzić niezliczone zmiany przed zainstalowaniem w samochodach prototypowych, oraz przed wypróbowaniem ich w komorach temperaturowych lub w próbach terenowych.

Ostatecznie zespół projektujący Escape wprowadził ponad tysiąc zmian w oprogramowaniu – w przybliżeniu trzy zmiany dziennie w ciągu trzech lat. Watson docenia zasługi swoich kolegów-konstruktorów: Joe Supina i Carolyn Prodin, za żonglowanie zmianami, przy jednoczesnym, szalenie skomplikowanym zadaniu, polegającym na określeniu wskaźników zużycia paliwa. Watson twierdzi, że było to najważniejsze, ponieważ umożliwiło projektantom Forda zrozumienie w pełni wpływu każdej z tych zmian na zużycie paliwa.

– To było coś wielkiego. Musieliśmy być zdolni do zrozumienia każdej zmiany, tj. czy posuwa nas ona w kierunku mniejszego zużycia paliwa, czy też o wiele dalej? – mówi teraz Watson.

Przedefiniowanie „Faceta od samochodów”

W końcu konstruktorzy zintegrowali strategie oprogramowania sterującego razem z zestawem przekładni planetarnej, elektrycznym silnikiem trakcyjnym, silnikiem generatora i połączonym z nimi rzędowym, czterocylindrowym silnikiem benzynowym, tworząc w ten sposób zespół napędowy dla Escape. Aby uzyskać jak najkorzystniejsze możliwe zużycie paliwa, system zmienia wykorzystanie silnika benzynowego, generatora i silnika trakcyjnego stosownie do sytuacji. Na przykład, poniżej 40 km/h silnik benzynowy jest w ogóle wyłączony, a samochód porusza się dzięki napędowi elektrycznemu, zasilanemu z akumulatora. Na autostradzie natomiast samochód wykorzystuje skomplikowany tryb „ujemnego przełączania”. Podobnie do systemu stosowanego przez Toyotę, nosi on nazwę „Powersplit hybrid” (układ hybrydowy z przełączaniem mocy) i mówi się, że funkcjonuje tak, jak bezstopniowa skrzynia biegów.

Konstruktorzy Forda mówią, że skomplikowana istota napędu hybrydowego sprawia, iż zadanie konstruowania ma niewiele wspólnego z pracami wykonywanymi przez pierwsze sto lat techniki samochodowej. Mówią też, że projektanci zajmujący się napędem hybrydowym spędzają niezliczone godziny, opracowując wykresy procesu napędowego, aby określić, które ze źródeł napędu pracuje najbardziej optymalnie w określonych warunkach.

Co więcej, proces projektowania napędu hybrydowego wymaga innego rodzaju doświadczenia. Już nie wystarcza być staromodnym „facetem od samochodów” (termin używany w Detroit dla określenia ludzi z kierownictwa przemysłu samochodowego, którzy wzrastali w ścisłym związku z silnikami). Teraz wymagany zakres wiedzy uległ rozszerzeniu. Konstruktorzy hybrydowi muszą umieć cofnąć się o krok i przedyskutować zarządzanie energią oraz modele komputerowego wspomagania projektowania. Co więcej, muszą mieć znacznie szersze spojrzenie – nawet ci z nich, którzy są z wykształcenia inżynierami mechanikami – muszą dodatkowo uwzględnić elektronikę i algorytmy sterowania.

– Różnica między sterowaniem napędem konwencjonalnym i hybrydowym ma się tak, jak dzień do nocy – stwierdza Tom Gee, zarządzający wdrożeniami sterowania i strategii w hybrydowych programach Forda. – W pojeździe konwencjonalnym ma się do czynienia z pojedynczym modułem, który steruje całym systemem napędu. W samochodzie hybrydowym z kolei pojawiają się zagadnienia rozdzielenia sterowania, integracji, opóźnień i zarządzania błędami. To jest znacznie bardziej skomplikowane.

W rezultacie, jak mówią, wizerunek „faceta od samochodów” przeszedł ewolucję.

– Dzisiejsi „faceci od samochodów” stali się „facetami od komputerów” – zauważa Gioia z Ford Motor Company. – Nadal musisz kochać zabawę silnikami samochodowymi. Ale trzeba też mieć głowę do różnych sposobów wykorzystania komputera.

Watson jest właśnie takim inżynierem i dzięki temu pierwsze wejście Forda w dziedzinę hybryd zakończyło się tak spektakularnym sukcesem. Zgodnie z testami, opublikowanymi przez Zrzeszenie Konsumentów, model Escape ma nie tylko lepsze wyniki w zakresie zużycia paliwa, ale też wyniki jego są znacznie dokładniejsze niż w przypadku konkurentów. W większości pomiarów jego wyniki (według standardów EPA) to 6,53 l/100 km w teście cyklu jazdy miejskiej i 7,59 l/100 km w jeździe po autostradzie. Są to rezultaty testów dla wersji samochodu z napędem przednim, natomiast dla wersji z napędem na cztery koła wyniki przedstawiają się następująco: 7,13 l/100 km dla testu miejskiego i 8,11 l/100 km dla autostrady. Te wyniki biją na głowę takich konkurentów hybrydowych jak Toyota Highlander i Lexus RX 400h, jak też jego głównego konkurenta konwencjonalnego – Hondy CRV.

Koledzy mówią, że przywództwo Watsona okazało się czynnikiem decydującym w osiągnięciu takich sukcesów w dziedzinie niskiego zużycia paliwa.

– Dla Toma jest to sprawa kalibracji, strategii i sterowania przenoszeniem napędu, ale też jest to zrozumienie strony mechanicznej.

On wie, co można wydobyć  z silnika, skrzyni biegów i sprzęgów mechanicznych. To kwestia szerokich horyzontów. W tym biznesie nie ma zbyt wielu inżynierów klasy Toma – wyjaśnia Gioia.

Autor: CHARLES J.MURRAY