Varför inte en 40 MPG SUV?

För att få en känsla av bilindustrins framsteg i bränsleeffektivitet, leta inte längre än 2002 Chevy Blazer. Modellen med automatisk växellåda, sex cylindrar och fyrhjulsdrift får 18 miles per gallon (mpg), två miles mindre än en jämförbart utrustad Blazer gjorde 1985. Under dessa 17 år har den genomsnittliga bränsleekonomin för hela flottan av Amerikanska bilar och lätta lastbilar minskade från 26 mpg till 24 mpg-in delvis på grund av den stigande andelen gasslukande sport-utility vehicles (SUV). Men i mars, när bilindustrins lobbyister hävdade att det skulle vara för svårt att bygga mer bränslesnåla bilar, dödade den amerikanska senaten återigen lagstiftning som skulle höja landets standarder för företagsgenomsnittlig bränsleekonomi. Det var en bekant dans; Kongressen har inte höjt normerna ens en gång under samma 17 år.

Det är inte så att biltekniken inte har förbättrats; det är att förbättringarna har varit inriktade på att leverera kraft, inte effektivitet. Sedan 1981 har bilindustrin ökat hästkrafterna med 84 procent, vilket gör att fordonen kan accelerera snabbare även om de har blivit tyngre, enligt U.S. Environmental Protection Agency. Det är vad konsumenterna vill ha, säger Fritz Indra, verkställande direktör för avancerad teknik för General Motors Powertrain-division. Varje år vill amerikaner ha lite mer utrymme inuti, lite mer kraft.

Men är det verkligen för svårt att bygga en prisvärd SUV som kan få 40 mpg och ändå ge den prestanda, komfort och minskade utsläpp som konsumenterna förväntar sig? Det överraskande faktum är att ett sortiment av bränsleeffektivitetstekniker finns i industri- och universitetslaboratorier. Ännu mer uppseendeväckande är att många av dessa teknologier är baserade på den konventionella förbränningsmotorn. De kräver inte komplicerade el-gashybriddrivlinor som de under huven på Toyota Prius och Honda Insight (se Visualisera ). De är inte heller baserade på något så exotiskt som bränsleceller. Om bilindustrin lägger några hästkrafter bakom att flytta dessa teknologier till produktion – och det är ett stort om, med tanke på avsaknaden av amerikanska regleringar och konsumenternas efterfrågan – kan de gasbesparande teknikerna börja nå utställningslokaler inom fem år. I själva verket, om det valde det, skulle Detroit kunna tillverka en 40 mpg SUV i slutet av årtiondet.

Vinsterna skulle till stor del komma från framväxande teknologier som förbättrade styrsystem som minimerar energiförlusterna i motorn och transmissionen, samt effektiva elektriska komponenter – från vattenpumpar till motorventiler – som kan ersätta remdrivna mekaniska system. Befintlig teknik, såsom avancerade transmissioner och bränsleinsprutningssystem, skulle också kunna spela nyckelroller om de anammades mer allmänt.

Faktum är att om alla nya bilar och lätta lastbilar anammade tillgängliga och framväxande gasbesparande tekniker, skulle den genomsnittliga bränsleekonomin för amerikanska bilar stiga till 46 mpg, upp från dagens 27 mpg. Och stadsjeepar kan i genomsnitt 40 mpg, upp från dagens 21 mpg, enligt en nyligen genomförd studie som delvis utarbetats av John DeCicco, en senior fellow vid Environmental Defense, en miljögrupp i New York City. (Studien var medförfattare av Feng An, en modellexpert vid Argonne National Laboratory, och Marc H. Ross, en fysiker och expert på fordonspolitik vid University of Michigan.) Två tredjedelar av fördelen skulle komma från att förbättra drivlinan , och resten skulle komma från att minska vikten och minska det aerodynamiska motståndet och rullmotståndet. Och även om detaljhandelspriserna på fordon skulle stiga mellan 1 000 och 2 000 dollar, beroende på modell, skulle konsumenterna spara så mycket vid bensinpumpen inom fem år. Branschen saknar inte tekniken, den saknar prioritet, säger DeCicco.

Sådana förbättringar i körsträcka skulle ha en enorm inverkan på USA:s oljeberoende och miljön. Enligt Union of Concerned Scientists, om den amerikanska flottans bränsleanvändning förbättrades till 40 mpg, skulle nationen spara två miljoner fat olja om dagen - 75 procent av all olja som USA importerar från Mellanöstern. Och det kan innebära en minskning av växthusgaserna med 30 procent, främst koldioxid.

Biltillverkare säger – även om de inte diskuterar den väsentliga sanningen i sådana siffror – att tillförlitliga, prisvärda versioner av dessa nya komponenter och mjukvarukontroller är svårare att implementera än det kan tyckas. Men tillverkarna, även om de är karaktäristiskt tystlåtna om produktionsplaner, har skapat avancerade prototyper av dessa teknologier och till och med installerat tidiga enheter i vissa fordon. Eftersom många av dessa tekniker är lättillgängliga och baserade på förbränningsmotorn, kan de få enorma effekter under de kommande åren. Det finns mycket potential här, säger John Heywood, chef för Sloan Automotive Laboratory vid MIT. Det är vårt bästa hopp för att fortsätta minska utsläppen och bränsleförbrukningen för vår ständigt växande fordonsflotta.

Snabbstarter

Ökad bränsleeffektivitet börjar med några till synes enkla idéer, till exempel att stänga av motorn för att eliminera slösaktig tomgång när bilen inte rör sig. Men för att en motor ska stängas av vid varje rött trafikljus, skulle fordonet behöva en högeffektsenhet som kan starta om motorn omedelbart - mycket snabbare än en traditionell startmotor - när föraren tappar på gasen. Låter okomplicerat. Men tidiga versioner var i allmänhet för långsamma eller för bullriga för att hålla förarna nöjda.

Det håller på att förändras. Flera billeverantörer har byggt prototyper av integrerade startgeneratorer, som ersätter både startmotorn och generatorn, som är tillräckligt snabba för att dra igång motorn på mindre än en halv sekund (se Ett slut på tomgång, nedan) . Den stora frågan är att sänka kostnaderna, säger Thomas Keim, en MIT-elektroingenjör som leder ett MIT-industrikonsortium för avancerad bilelektronik.

Illustration av John MacNeil

De flesta konstruktioner använder induktionsmotorer, som måste styras av dyr elektronik som snabbt kan växla mellan startgeneratorns dubbla roller att starta motorn och fungera som generatorn för att generera elektricitet. Men MIT-konsortiet har utvecklat en startgenerator med en enklare version av elektroniken, vilket kan minska kostnaden med 20 procent. I bilvärlden tenderar en teknik som är 20 procent billigare att driva det dyrare valet bort från marknaden, säger Keim. Ford har byggt en prototyp av konsortiets design och har genomfört inledande tester. Men det finns en annan vägspärr: svårigheten att generera tillräckligt med ström för att hålla sådana enheter brummande. Snabb start tar mycket kraft. Liksom de flesta andra experimentella startgeneratorer fungerar MIT-enheten, byggd i väntan på en framtid där bilar använder en högre spänningsstandard, på 42 volt. Problemet är att praktiskt taget alla dagens bilar fortfarande använder ett 12-voltssystem. (Undantag inkluderar gas-elektriska hybrider och en 42-volts lyxig Toyota sedan som säljs endast i Japan.) Att koppla en startgenerator till ett 12-voltssystem är teoretiskt möjligt, men startgeneratorn är bara en av ett växande antal avancerade elektriska komponenter för fordon på industrins ritbord. Tillsammans överskrider de systemets gränser. Vissa branschexperter säger att spänningsförskjutningen kommer att ta år: att ersätta ett helt elektriskt system - vilket i en ny bil i allmänhet kostar lika mycket som motorn och transmissionen tillsammans - är en dyr och komplex uppgift. Men även utan en fullständig ersättning, kan ett stoppläge ge en spänningsökning. Tillverkare skapar sätt att installera 42-voltssystem vid sidan av befintliga 12-voltssystem. Det befintliga lågenergisystemet skulle förbli på plats och fortsätta att tillhandahålla elektricitet till välbekant lätt utrustning som lampor, radioapparater, elmanövrerade säten och fönstermotorer. Det nya högeffektssystemet skulle endast tjäna tung utrustning som startgeneratorer och elektriska kompressorer. Det dubbla systemet skulle uppenbarligen öka kostnaden, säger Xingyi Xu, ingenjör vid Ford Research Laboratory i Dearborn, MI. Biltillverkare skulle behöva se avsevärda vinster i bränsleekonomi och konsumentbekvämligheter, säger han, så för närvarande är det svårt att motivera det. Även om det är motiverat, skulle sådana system ta minst fem år att nå marknaden, säger Xu. Men eftersom de kan ge den kraft som behövs för att omvandla en genomsnittlig bil från en mekanisk maskin till en mer effektiv elektromekanisk maskin, representerar 42-voltssystem en möjliggörande teknik.

Soppad programvara

Ny utrustning som kraftfulla startgeneratorer skulle öka bränsleeffektiviteten. Ändå skulle ett fordon kunna uppnå ännu större vinster om hela drivlinan styrdes elektroniskt.

Varje komponent kan justeras kontinuerligt för att förbruka minsta möjliga ström när körförhållandena förändras och – lika viktigt – kan kontrolleras på ett integrerat sätt för systemtäckande besparingar. Bränsleeffektiviteten skulle vara ännu större än summan av komponenterna, säger Frank Lohrenz, elektriker på Siemens VDO Automotive i Regensburg, Tyskland.

Besparingarna kan bli betydande. Integrerade mjukvarukontrollsystem skulle kunna ge en 10-procentig ökning av bränsleeffektiviteten (se The Networked Car, TR september 2002) . Siemens mjukvara, till exempel, optimerar leveransen av vridmoment - drivlinans vridkraft. För att göra detta registrerar systemet elektroniskt hur långt och hur snabbt föraren trycker på gaspedalen. Sedan genom elektronisk styrning av sådana grundläggande mekaniska komponenter som motorn, transmissionen och en framtida startgenerator, levererar den det begärda vridmomentet. Siemens teknologi tar hänsyn till 20 parametrar – inklusive fordonshastighet, motorrotationshastighet och transmissionsväxel – innan man bestämmer hur man bäst levererar vridmoment från de kombinerade ansträngningarna av motorgasspjäll, utväxlingsförhållande och start-generatoraktivering.

Ingenjörer har traditionellt sett varje komponent som en fristående enhet, men det finns ett stort intresse för integrerad styrning eftersom det är billigt: ​​integrerad styrning beror till stor del på mjukvara, och därför kommer dess bränsleeffektivitetsökning på 10 procent till en relativt låg kostnad. Om en tillverkare säljer en miljon bilar, säger Lohrenz, kan kostnaden vara mindre än $5 per fordon.

Digital motor

Det mest radikala framstegen för att förbättra gassträckan skulle komma till stånd genom att göra om själva motorn. Det betyder att man tänker om på den hundraåriga mekaniken som öppnar och stänger motorventilerna, som släpper in en bränsle- och luftblandning i förbränningskammarna och släpper ut avgaser. I decennier har en kamaxel utfört detta jobb. En snurrande axel, den flyttar spakar som öppnar och stänger ventiler ungefär 100 gånger per sekund i ett fast mönster.

Kamaxeltekniken fungerar bra, men den slösar bränsle. Den traditionella konfigurationen ger inget sätt att ändra mönster för att till exempel leverera massor av kraft för att accelerera på en motorväg och för att skära ner på onödigt energibesparande bränsle vid marschhastigheter på motorväg. På senare år har dock ingenjörer lagt till mekanisk utrustning till kamaxeln, vilket möjliggör en viss förbättrad ventilkontroll. Denna styrning inkluderar till exempel möjligheten att öppna ventiler endast halvvägs när lite kraft behövs. Honda och BMW har utvecklat och installerat sådana variabla ventilsystem i många produktionsbilar, vilket förbättrar bränsleekonomin med 5 till 10 procent.

Men det ultimata steget mot optimering kastar bort kamaxeln. Istället skulle elektromekaniska ställdon tillhandahålla mjukvarudriven styrning för varje ventil (se Den kamlösa motorn, nedan) . Genom att ge full kontroll över tidpunkten, lyftningen och varaktigheten av varje ventilrörelse, optimerar en sådan kamlös motor krafttillförseln med minsta möjliga bränsle vid varje motorvarvtal. Vinsten är enorm: en kamlös motor kan förbättra bränsleekonomin med 10 till 18 procent samtidigt som motorns vridmoment ökar med 15 till 20 procent vid låga hastigheter för snabbare acceleration.

Illustration av John MacNeil

Problemet är att för att förhindra överdrivet slitage och minimera motorljud och vibrationer måste ventilerna bromsa in innan landning. En kamaxel, även om den är relativt ineffektiv, gör detta ganska bra, tack vare sin äggformade form, som ger en motsvarande acceleration och retardation i ventilrörelsen. Ställdon är olika; de smäller upp och ner, på och av. Sättet att göra ställdon lika skonsamma som kamaxlar involverar en kombination av hårdvara och mjukvara, och många företag arbetar med problemet. Anna Stefanopoulou, en maskiningenjör vid University of Michigan, har redan designat flera lovande programvarusystem. Under det senaste året har Stefanopoulous team optimerat flera algoritmer och testar nu sätt att använda feedback från ventilerna för att uppnå höghastighetsrörelse med mjuka landningar. Under tiden, för att hjälpa till med denna mjuka landning, testar Mohammad Haghgooie, en fysiker med Ford Motor, fjädrar och pneumatiska och hydrauliska dämpare för att minska påverkan från ventiler utan att sakta ner dem. Om de lyckas kan dessa förbättringar av mjukvara och hårdvara för elektromekaniska ventiler föra ut en kamlös motor på marknaden 2008, säger Haghgooie.

Broms för framsteg

Inte alla avancerade bränsleeffektiva tekniker är fortfarande på framväxande stadium. Även utan kamlösa motorer och sofistikerad programvara finns olika tekniker för att uppnå bättre bränsleeffektivitet. Listan inkluderar den steglöst variabla transmissionen. Till skillnad från dagens automatiska växellådor, som i allmänhet har fyra fasta utväxlingsförhållanden som klunkar på plats när motorns varvtal ökar till en viss nivå, levererar en kontinuerligt variabel växellåda någon av ett oändligt utbud av utväxlingar i farten. Ett holländskt företag patenterade tekniken för decennier sedan; nu går patenten ut och transmissionen installeras redan i vissa modeller i USA. Utdelningen kan vara stor: i 2002 års Saturn VUE ökar den kontinuerligt variabla transmissionen bränsleekonomin med 7 till 11 procent, enligt General Motors.

Förbättringar av bränsleinsprutning finns också på hyllan, tack vare ett nyligen framsteg känt som bensin direktinsprutning. Genom att ersätta den traditionella motorn med indirekt insprutning med denna teknik har 2002 års Volkswagen Polo förbättrat bränsleekonomin för stadskörning med 13 procent. Fördelen kommer från att utnyttja dynamiken i hur bränsle och luft blandas. I den traditionella indirekta insprutningsuppsättningen blandas gas och luft utanför cylindern och injiceras sedan. Med direktinsprutning börjar bränsle och luft blandas först när de är inne i cylindern, vilket gör att motorn kan använda en ultramager bränsleblandning under jämn körning med låg effekt.

Sammantaget finns det ingen brist på tillgänglig teknik och nästan redo för bilindustrin att ta till sig. Och ändå får stadsjeepar fortfarande ett genomsnitt på bara 21 mpg. På frågan varför citerar General Motors Indra välbekanta branschargument: innovationer är för dyra; nya komponenter ökar vikten, vilket förnekar fördelarna. Han säger också att viktminskning - som enligt DiCicco-studien står för nästan en tredjedel av formeln för att öka körsträckan - minskar säkerheten. Det är argumentet som industrin använde som en del av sin lobbyverksamhet för att döda hårdare lagstiftning om bränsleeffektivitet förra mars.

Roland Hwang, fordonsexpert vid National Resources Defense Council, en miljögrupp baserad i New York City, säger att argumentet är oansvarigt. Han hävdar att biltillverkarna underblåser konsumenternas rädsla för säkerhet bara för att övertala dem att köpa större fordon, som, säger han, ger de högsta vinsterna. Han noterar att tester från federala och försäkringsbranschen visar att säkerhetsresultatet för stadsjeepar är ungefär detsamma som för andra bilar. Till och med Honda Americas chef för miljö- och energianalyser, John German, håller med om att om alla fordon vägde 100 pund mindre skulle det inte påverka säkerheten.

Den större poängen är helt enkelt att utan mandat från Washington eller allmänheten har bilindustrin liten motivation att förändras. Doug Patton, senior vice president på Denso International America i Southfield, MI, sätter ämnet i perspektiv: Vad kräver kunden? Vad kräver regeringen? Det är så vi ser på det.

För forskare är detta avskräckande prat. MIT:s Heywood säger att de flesta av dessa tekniker har varit under utveckling i flera år. Om biltillverkarna ville, säger han, kunde de lätt göra dem billiga och pålitliga. Bilföretagen ger inte sina ingenjörer tillräckligt med beröm för att de kan lösa praktiska problem, säger Heywood. Tills ledningen säger 'Okej, låt oss verkligen köra på det', kommer tekniken inte förbi en avancerad utvecklingsprototyp. Att ge sådana order, tillägger han, kommer inte att hända förrän ledningen tror att den har bevis för att tekniken kommer att få produkten att sälja på marknaden eller kommer att skapa en ny marknadsplats.

Även om tuffa nya effektivitetslagar antas, noterar andra, den senaste historien tyder på att bilindustrin inte kommer att ansluta sig utan kamp. Branschledare slogs mot katalysatorer. De slogs mot säkerhetsbälten. De sa att krockkuddar skulle göra branschen i konkurs. Men när kraven väl är klara hittar de ett sätt, konstaterar Hwang.

Än så länge nöjer sig bilindustrin med att fylla utställningslokaler med perenna gassvin. Men mer effektiv teknik - och programvaran för att kontrollera dem - väntar på den sista pushen till massproduktion.

Dölj