Hvorfor ikke en 40 MPG SUV?

For at få en fornemmelse af bilindustriens fremskridt inden for brændstofeffektivitet skal du ikke lede længere end 2002 Chevy Blazer. Modellen med automatgear, seks cylindre og firehjulstræk får 18 miles per gallon (mpg), to miles mindre end en sammenligneligt udstyret Blazer gjorde i 1985. Faktisk, i disse 17 år den gennemsnitlige brændstoføkonomi for hele flåden på Amerikanske biler og lette lastbiler faldt fra 26 mpg til 24 mpg-in delvis på grund af den stigende andel af gasslugende sports-utility vehicles (SUV'er). Men i marts, da bilindustriens lobbyister hævdede, at det ville være for svært at bygge mere brændstofeffektive biler, dræbte det amerikanske senat endnu en gang lovgivning, der ville hæve landets standarder for corporate Average Fuel Economy. Det var en velkendt dans; Kongressen har ikke hævet standarderne en gang i løbet af de samme 17 år.

Det er ikke sådan, at bilteknologierne ikke er blevet forbedret; det er, at forbedringerne har været rettet mod at levere kraft, ikke effektivitet. Siden 1981 har bilindustrien øget hestekræfter med 84 procent, hvilket gør det muligt for køretøjer at accelerere hurtigere, selvom de er blevet tungere, ifølge U.S. Environmental Protection Agency. Det er, hvad forbrugerne ønsker, siger Fritz Indra, administrerende direktør for avanceret teknik for General Motors' Powertrain-division. Hvert år vil amerikanerne have lidt mere plads indeni, lidt mere magt.

Men er det virkelig for svært at bygge en rimeligt prissat SUV, der kan få 40 mpg og stadig give den ydeevne, komfort og reducerede emissioner, som forbrugerne forventer? Det overraskende faktum er, at der findes et udvalg af brændstofeffektivitetsteknologier i industri- og universitetslaboratorier. Endnu mere opsigtsvækkende er det, at mange af disse teknologier er baseret på den konventionelle forbrændingsmotor. De kræver ikke komplekse el-gas-hybriddrev som dem under motorhjelmene på Toyota Prius og Honda Insight (se Visualiser). De er heller ikke baseret på noget så eksotisk som brændselsceller. Hvis bilindustrien sætter nogle virksomheders hestekræfter bag at flytte disse teknologier i produktion - og det er et stort, hvis manglen på amerikanske regler og forbrugernes efterspørgsel - kan de gasbesparende teknologier begynde at ramme showrooms inden for fem år. Faktisk, hvis det valgte det, kunne Detroit fremstille en 40 mpg SUV ved udgangen af ​​årtiet.

Gevinsterne ville i vid udstrækning komme fra nye teknologier såsom forbedrede kontrolsystemer, der minimerer energitab i motoren og transmissionen, samt effektive elektriske komponenter - fra vandpumper til motorventiler - der kunne erstatte remdrevne mekaniske systemer. Eksisterende teknologier, såsom avancerede transmissioner og brændstofindsprøjtningssystemer, kunne også spille nøgleroller, hvis de blev vedtaget bredere.

Faktisk, hvis alle nye biler og lette lastbiler adopterede tilgængelige og nye gasbesparende teknologier, ville den gennemsnitlige brændstoføkonomi for amerikanske biler stige til 46 mpg, op fra nutidens 27 mpg. Og SUV'er kunne i gennemsnit 40 mpg, op fra nutidens 21 mpg, ifølge en nylig undersøgelse udarbejdet delvist af John DeCicco, en senior fellow ved Environmental Defense, en New York City-baseret miljøgruppe. (Undersøgelsen var medforfatter af Feng An, en modelleringsekspert ved Argonne National Laboratory, og Marc H. Ross, en fysiker og automotive-politisk ekspert ved University of Michigan.) To tredjedele af fordelen ville komme fra at forbedre drivlinjen , og resten ville komme fra at reducere vægten og reducere aerodynamisk modstand og rullemodstand. Og selvom detailpriserne på køretøjer ville stige omkring $1.000 til $2.000, afhængigt af modellen, ville forbrugerne spare så meget ved benzinpumpen inden for fem år. Industrien mangler ikke teknologien, den mangler prioritet, siger DeCicco.

Sådanne forbedringer i gas-kilometertal ville have en enorm indvirkning på amerikansk olieafhængighed og miljøet. Ifølge Union of Concerned Scientists, hvis den amerikanske flådes brændstofforbrug forbedredes til 40 mpg, ville nationen spare to millioner tønder olie om dagen - 75 procent af al den olie, USA importerer fra Mellemøsten. Og det kan betyde et fald på 30 procent i drivhusgasser, primært kuldioxid.

Bilproducenter - selv om de ikke diskuterer den væsentlige sandhed af sådanne tal - siger, at pålidelige, overkommelige versioner af disse nye komponenter og softwarekontroller er sværere at implementere, end det ser ud til. Men producenterne har, selv om de er karakteristisk fåmælte om produktionsplaner, skabt avancerede prototyper af disse teknologier og endda installeret tidlige enheder i nogle køretøjer. Fordi mange af disse teknologier er let tilgængelige og baseret på forbrændingsmotoren, kan de have en enorm indflydelse i de næste mange år. Der er et stort potentiale her, siger John Heywood, direktør for Sloan Automotive Laboratory ved MIT. Det er vores bedste håb for fortsat at reducere emissioner og brændstofforbrug for vores stadigt voksende bilflåde.

Hurtige starter

Større brændstofeffektivitet starter med nogle tilsyneladende enkle ideer, for eksempel at slukke for motoren for at eliminere spildende tomgang, når bilen ikke bevæger sig. Men for at en motor skal lukke ned ved hvert rødt lyskryds, ville køretøjet have brug for en højeffektsenhed, der kan genstarte motoren med det samme - langt hurtigere end en traditionel startmotor - når føreren tapper gassen. Lyder ligetil. Men tidlige versioner var generelt for langsomme eller for støjende til at holde chaufførerne glade.

Det er ved at ændre sig. Flere billeverandører har bygget prototyper af integrerede starter-generatorer, som erstatter både startmotoren og generatoren, som er hurtige nok til at starte motoren på mindre end et halvt sekund. (se En ende på tomgang nedenfor) . Det store problem er at reducere omkostningerne, siger Thomas Keim, en MIT-elektroingeniør, der leder et MIT-industrikonsortium om avanceret bilelektronik.

Illustration af John MacNeil

De fleste designs bruger induktionsmotorer, som skal styres af dyr elektronik, der hurtigt kan skifte mellem starter-generatorens dobbeltroller med at starte motoren og fungere som generatoren til at generere elektricitet. Men MIT-konsortiet har udviklet en starter-generator med en enklere udgave af elektronikken, som kan reducere omkostningerne med 20 procent. I bilverdenen har en teknologi, der er 20 procent billigere, en tendens til at drive det dyrere valg ud af markedet, siger Keim. Ford har bygget en prototype af konsortiets design og har gennemført indledende tests. Men der er en anden vejspærring: vanskeligheden ved at generere nok strøm til at holde sådanne enheder brummende. Hurtig start kræver masser af kraft. Som de fleste andre eksperimentelle starter-generatorer, fungerer MIT-enheden, bygget i forventning om en fremtid, hvor biler anvender en højere spændingsstandard, ved 42 volt. Problemet er, at stort set alle nutidens biler stadig bruger et 12-volt system. (Undtagelser omfatter gas-elektriske hybrider og en 42-volts luksus Toyota sedan, der kun sælges i Japan.) Det er teoretisk muligt at forbinde en startgenerator til et 12-volt system, men startgeneratoren er kun en af ​​et voksende antal avancerede elektriske komponenter til biler på industriens tegnebrætter. Tilsammen overskrider de systemets grænser. Nogle industrieksperter siger, at spændingsskiftet vil tage år: at udskifte et helt elektrisk system - som i en ny bil generelt koster lige så meget som motoren og transmissionen tilsammen - er en dyr og kompleks opgave. Men selv uden en fuldstændig udskiftning kunne en stopgap-tilgang give et spændingsløft. Producenter udvikler måder at installere 42-volts systemer ved siden af ​​eksisterende 12-volts systemer. Det eksisterende lavenergisystem vil forblive på plads og fortsætte med at levere elektricitet til velkendt let-duty udstyr såsom lys, radioer, elsæder og vinduesmotorer. Det nye højeffektsystem vil kun betjene tungt udstyr såsom starter-generatorer og elektriske kompressorer. Det dobbelte system ville naturligvis øge omkostningerne, siger Xingyi Xu, en ingeniør ved Ford Research Laboratory i Dearborn, MI. Bilproducenter ville være nødt til at se betydelige gevinster i brændstoføkonomi og forbrugernes bekvemmeligheder, siger han, så på nuværende tidspunkt er det svært at begrunde den. Selvom det er forsvarligt, vil sådanne systemer tage mindst fem år at nå markedet, siger Xu. Men fordi de kan levere den nødvendige kraft til at omdanne den gennemsnitlige bil fra en mekanisk til en mere effektiv elektromekanisk maskine, repræsenterer 42-volts systemer en muliggørende teknologi.

Suppet op software

Nyt udstyr såsom kraftfulde starter-generatorer ville øge brændstofeffektiviteten. Alligevel kunne et køretøj opnå endnu større gevinster, hvis hele drivlinjen blev styret elektronisk.

Hver komponent kunne justeres kontinuerligt for at forbruge det mindste behov for strøm, efterhånden som kørselsforholdene ændrer sig, og - lige så vigtigt - kunne styres på en integreret måde for systemdækkende besparelser. Brændstofeffektiviteten ville være endnu større end summen af ​​komponenterne, siger Frank Lohrenz, en elektrisk ingeniør hos Siemens VDO Automotive i Regensburg, Tyskland.

Besparelserne kan blive betydelige. Integrerede softwarekontrolsystemer kunne give et 10 procents brændstofeffektivitetsboost (se The Networked Car, TR september 2002) . Siemens' software optimerer for eksempel leveringen af ​​drejningsmoment - drivlinjens drejekraft. For at gøre dette registrerer systemet elektronisk, hvor langt og hvor hurtigt føreren trykker på gaspedalen. Så gennem elektronisk styring af sådanne grundlæggende mekaniske komponenter som motoren, transmissionen og en fremtidig starter-generator, leverer den det ønskede drejningsmoment. Siemens' teknologi tager højde for 20 parametre - inklusive køretøjshastighed, motorrotationshastighed og transmissionsgear - før man beslutter sig for, hvordan man bedst leverer drejningsmomentet fra den kombinerede indsats af motorgasregulering, transmissionsgearforhold og start-generatoraktivering.

Ingeniører har traditionelt betragtet hver komponent som en selvstændig enhed, men der er masser af interesse for integreret styring, fordi det er billigt: ​​Integreret styring afhænger i høj grad af software, og dermed kommer dens 10 procent brændstofeffektivitetsboost til relativt lave omkostninger. Hvis en producent sælger en million biler, siger Lohrenz, kan omkostningerne være mindre end $5 pr. køretøj.

Digital motor

Det mest radikale fremskridt for at forbedre gas-kilometertal ville komme ved at lave selve motoren om. Det betyder, at man genovervejer den århundredgamle mekanik, der åbner og lukker motorventilerne, som lader en blanding af brændstof og luft komme ind i forbrændingskamrene og frigive udstødningsgasser. I årtier har en knastaksel udført dette job. En roterende aksel, den bevæger håndtag, der åbner og lukker ventiler cirka 100 gange i sekundet i et fast mønster.

Knastakselteknologien fungerer godt, men den spilder brændstof. Den traditionelle konfiguration giver ingen mulighed for at ændre mønstre for at levere, for eksempel, masser af kraft til at accelerere på en motorvej og for at skære ned på unødvendigt energibesparende brændstof ved motorvejsfart. I de senere år har ingeniører dog tilføjet mekanisk udstyr til knastakslen, hvilket muliggør en vis forbedret ventilkontrol. Denne kontrol inkluderer for eksempel muligheden for kun at åbne ventiler halvvejs, når der er brug for lidt strøm. Honda og BMW har udviklet og installeret sådanne variable ventilsystemer i mange produktionsbiler, hvilket forbedrer brændstoføkonomien med 5 til 10 procent.

Men det ultimative skridt mod optimering kaster knastakslen væk. I stedet ville elektromekaniske aktuatorer give software-drevet kontrol for hver ventil (se Den kamløse motor nedenfor) . Ved at give fuld kontrol over timingen, løftet og varigheden af ​​hver ventilbevægelse, optimerer en sådan kamløs motor kraftforsyningen med det mindst mulige brændstof ved hver motoromdrejningshastighed. Udbyttet er enormt: En kamløs motor kan forbedre brændstoføkonomien med 10 til 18 procent og samtidig øge motorens drejningsmoment med 15 til 20 procent ved lave hastigheder for hurtigere acceleration.

Illustration af John MacNeil

Problemet er, at for at forhindre overdreven slitage og minimere motorstøj og vibrationer, skal ventiler decelerere før landing. En knastaksel, selvom den er relativt ineffektiv, gør dette ganske godt, takket være dens ægformede form, som giver en tilsvarende acceleration og deceleration i ventilbevægelsen. Aktuatorer er forskellige; de smækker op og ned, tænder og slukker. Måden at gøre aktuatorer så skånsomme som knastaksler involverer en kombination af hardware og software, og mange virksomheder arbejder på problemet. Anna Stefanopoulou, en maskiningeniør ved University of Michigan, har allerede designet flere lovende softwareprogrammer. Inden for det seneste år har Stefanopoulous team optimeret adskillige algoritmer og tester nu måder at bruge feedback fra ventilerne til at opnå højhastighedsbevægelse med blide landinger. For at hjælpe med denne bløde landing tester Mohammad Haghgooie, fysiker hos Ford Motor, fjedre og pneumatiske og hydrauliske dæmpere for at mindske påvirkningen af ​​ventiler uden at bremse dem. Hvis det lykkes, kan disse forbedringer i elektromekanisk ventilsoftware og hardware bringe en kamløs motor på markedet i 2008, siger Haghgooie.

Bremse for fremskridt

Ikke alle de avancerede brændstofeffektivitetsteknologier er stadig i den nye fase. Selv uden kamløse motorer og sofistikeret software er forskellige teknologier tilgængelige for at opnå bedre brændstofeffektivitet. Listen inkluderer den trinløse transmission. I modsætning til nutidens automatiske gearkasser, som generelt har fire faste gearforhold, der klunker på plads, når motorens omdrejningstal stiger til et vist niveau, leverer en trinløs gearkasse ethvert af et uendeligt udvalg af gearforhold i farten. Et hollandsk firma patenterede teknologien for årtier siden; nu udløber patenterne, og transmissionen er allerede ved at blive installeret i nogle modeller i USA. Udbyttet kan være stort: ​​I 2002 Saturn VUE øger den trinløse transmission brændstoføkonomien med 7 til 11 procent, ifølge General Motors.

Forbedringer i brændstofindsprøjtning er også på hylden, takket være en nylig fremgang kendt som benzin direkte indsprøjtning. Ved at erstatte den traditionelle motor med indirekte indsprøjtning med denne teknologi har Volkswagen Polo fra 2002 forbedret brændstoføkonomien til bykørsel med 13 procent. Fordelen kommer fra at udnytte dynamikken i, hvordan brændstof og luft blandes. I den traditionelle indirekte indsprøjtningsopsætning blandes gas og luft uden for cylinderen og indsprøjtes derefter. Med direkte indsprøjtning begynder brændstof og luft først at blande sig, når de er inde i cylinderen, hvilket gør det muligt for motoren at bruge en ultramager brændstofblanding under jævn kørsel med lav effekt.

Alt i alt er der ingen mangel på teknologi tilgængelig og næsten klar til at autobranchen kan tage i brug. Og alligevel får SUV'er stadig et gennemsnit på kun 21 mpg. Adspurgt hvorfor, citerer General Motors' Indra velkendte brancheargumenter: innovationer er for dyre; nye komponenter øger vægten og ophæver fordelene. Han siger også, at vægtreduktion - som ifølge DiCicco-undersøgelsen tegner sig for næsten en tredjedel af formlen for at øge kilometertal - nedskæringer i sikkerhed. Det er argumentet, som industrien brugte som en del af sin lobby-blitz for at dræbe skrappere lovgivning om brændstofeffektivitet i marts sidste år.

Roland Hwang, en køretøjsekspert ved National Resources Defense Council, en miljøgruppe baseret i New York City, siger, at argumentet er uansvarligt. Han hævder, at bilproducenterne nærer forbrugernes frygt for sikkerheden kun for at overtale dem til at købe større køretøjer, som, siger han, giver den højeste fortjeneste. Han bemærker, at tests fra forbunds- og forsikringsindustrien viser, at sikkerhedsrekorden for SUV'er er omtrent den samme som for andre biler. Selv Honda Americas leder af miljø- og energianalyser, John German, er enig i, at hvis alle køretøjer vejede 100 pounds mindre, ville det ikke have nogen indflydelse på sikkerheden.

Den større pointe er simpelthen, at uden mandat fra Washington eller offentligheden har bilindustrien ringe motivation til at ændre sig. Doug Patton, en senior vicepræsident hos Denso International America i Southfield, MI, sætter emnet i perspektiv: Hvad efterspørger kunden? Hvad kræver regeringen? Sådan ser vi på det.

For forskere er dette nedslående snak. MITs Heywood siger, at de fleste af disse teknologier har været under udvikling i årevis. Hvis bilproducenterne ville, siger han, kunne de let gøre dem billige og pålidelige. Bilfirmaerne giver ikke deres ingeniører nok kredit for at kunne løse praktiske problemer, siger Heywood. Indtil ledelsen siger: Okay, lad os virkelig gå efter det,' kommer teknologien ikke forbi en avanceret udviklingsprototype. At give sådanne ordrer, tilføjer han, vil ikke ske, før ledelsen mener, at den har beviser for, at teknologien vil få produktet til at sælge på markedet eller vil skabe en ny markedsplads.

Selvom der vedtages hårde nye effektivitetslove, bemærker andre, at nyere historie tyder på, at bilindustrien ikke vil tiltræde uden kamp. Industriledere kæmpede mod katalysatorer. De kæmpede mod sikkerhedsseler. De sagde, at airbags ville slå industrien konkurs. Men når først kravene er overstået, finder de en vej, bemærker Hwang.

For nu nøjes bilindustrien stadig med at fylde showrooms med flerårige gassvin. Men mere effektive teknologier - og softwaren til at kontrollere dem - venter på det sidste skub til masseproduktion.

skjule