Kodėl gi ne 40 MPG visureigis?

Norėdami pajusti automobilių pramonės pažangą degalų naudojimo efektyvumo srityje, žiūrėkite 2002 m. Chevy Blazer. Modelis su automatine pavarų dėže, šešiais cilindrais ir keturių varančiųjų ratų pavara pasiekia 18 mylių už galoną (mpg), ty dviem myliomis mažiau nei 1985 m. padarė panašiai įrengtas „Blazer“. Iš tiesų per tuos 17 metų vidutinė viso automobilių parko degalų ekonomija. JAV automobilių ir lengvųjų sunkvežimių kiekis sumažėjo nuo 26 mpg iki 24 mpg iš dalies dėl didėjančios dujas ryjančių sportinių transporto priemonių (SUV) dalies. Tačiau kovą, kai automobilių pramonės lobistai pareiškė, kad sukurti ekonomiškesnius automobilius būtų per sunku, JAV Senatas vėl panaikino teisės aktus, kurie padidintų šalies įmonių vidutinės degalų ekonomijos standartus. Tai buvo pažįstamas šokis; Kongresas per tuos pačius 17 metų standartų nepakėlė nė karto.

Nėra taip, kad automobilių technologijos nepagerėjo; tai, kad patobulinimai buvo nukreipti į galios, o ne efektyvumo tiekimą. Pasak JAV aplinkos apsaugos agentūros, nuo 1981 m. automobilių pramonė padidino arklio galias 84 procentais, todėl automobiliai gali įsibėgėti greičiau, net jei jie tapo sunkesni. To nori vartotojai, sako Fritzas Indra, General Motors Powertrain padalinio pažangios inžinerijos vykdomasis direktorius. Kiekvienais metais amerikiečiai nori šiek tiek daugiau erdvės viduje, šiek tiek daugiau galios.

Tačiau ar tikrai per sunku sukurti nebrangų visureigį, kuris galėtų išvystyti 40 mpg ir vis tiek užtikrintų našumą, komfortą ir sumažintų išmetamųjų teršalų kiekį, kurio tikisi vartotojai? Stebina tai, kad pramonėje ir universitetų laboratorijose yra daug kuro efektyvumo technologijų. Dar labiau stebina tai, kad daugelis šių technologijų yra pagrįstos įprastu vidaus degimo varikliu. Jiems nereikia sudėtingų elektros ir dujų hibridinių pavarų traukinių, tokių kaip po Toyota Prius ir Honda Insight gaubtais. (žr. „Vizualizuoti“). Jie taip pat nėra pagrįsti kuo nors egzotiškesniu kaip kuro elementai. Jei automobilių pramonė skirs tam tikrą arklio galią, kad šios technologijos būtų perkeltos į gamybą, o tai būtų labai svarbu, atsižvelgiant į JAV reglamentų trūkumą ir vartotojų paklausą, dujas taupančios technologijos gali pradėti pasirodyti salonuose per penkerius metus. Iš tiesų, jei nuspręstų, Detroitas iki dešimtmečio pabaigos galėtų pagaminti 40 mpg visureigį.

Daugiausia naudos gautų naujos technologijos, pvz., patobulintos valdymo sistemos, sumažinančios energijos nuostolius variklyje ir transmisija, taip pat efektyvūs elektriniai komponentai – nuo ​​vandens siurblių iki variklio vožtuvų – kurie galėtų pakeisti diržu varomas mechanines sistemas. Esamos technologijos, pvz., pažangios transmisijos ir degalų įpurškimo sistemos, taip pat galėtų atlikti pagrindinį vaidmenį, jei jos būtų taikomos plačiau.

Iš tiesų, jei visuose naujuose automobiliuose ir lengvuosiuose sunkvežimiuose būtų naudojamos turimos ir naujos dujas taupančios technologijos, vidutinė JAV automobilių degalų sąnaudos padidėtų iki 46 mpg, palyginti su dabartinėmis 27 mpg. Remiantis neseniai atliktu tyrimu, kurį iš dalies parengė Niujorke įsikūrusios aplinkos apsaugos grupės Environmental Defense vyresnysis bendradarbis, visureigiai gali sverti vidutiniškai 40 mpg, palyginti su dabartiniu 21 mpg. (Tyrimo bendraautoriai yra Argonne nacionalinės laboratorijos modeliavimo ekspertas Feng An ir Mičigano universiteto fizikas bei automobilių politikos ekspertas Marcas H. Rossas.) Du trečdaliai naudos gautų patobulinus jėgos pavarą. o likusi dalis būtų mažinant svorį ir sumažinus aerodinaminį pasipriešinimą bei pasipriešinimą riedėjimui. Ir nors transporto priemonių mažmeninės kainos padidėtų nuo 1000 USD iki 2000 USD, priklausomai nuo modelio, per penkerius metus vartotojai tiek sutaupytų prie dujų siurblio. Pramonei netrūksta technologijų, jai trūksta prioriteto, sako DeCicco.

Tokie dujų ridos patobulinimai turėtų didžiulį poveikį JAV priklausomybei nuo naftos ir aplinkai. Susirūpinusių mokslininkų sąjungos teigimu, jei JAV laivyno kuro suvartojimas padidėtų iki 40 mpg, tauta sutaupytų du milijonus barelių naftos per dieną – 75 procentus visos JAV importuojamos naftos iš Artimųjų Rytų. Ir tai gali reikšti, kad šiltnamio efektą sukeliančių dujų, daugiausia anglies dvideginio, kiekis sumažės 30 procentų.

Automobilių gamintojai – nors ir neginčija esminės tokių skaičių tiesos – teigia, kad patikimas, įperkamas šių naujų komponentų ir programinės įrangos valdiklių versijas įdiegti sunkiau, nei gali atrodyti. Tačiau gamintojai, nors ir būdingai nekalbūs apie gamybos planus, sukūrė pažangius šių technologijų prototipus ir netgi įrengė ankstyvus įrenginius kai kuriose transporto priemonėse. Kadangi daugelis šių technologijų yra lengvai prieinamos ir pagrįstos vidaus degimo varikliu, per ateinančius kelerius metus jos gali turėti didžiulį poveikį. Čia yra daug potencialo, sako Johnas Heywoodas, MIT Sloan automobilių laboratorijos direktorius. Tai yra geriausia mūsų viltis toliau mažinti išmetamų teršalų kiekį ir degalų sąnaudas vis didėjančiame transporto priemonių parke.

Greitas startas

Didesnis degalų vartojimo efektyvumas prasideda nuo kai kurių, atrodytų, paprastų idėjų, pavyzdžiui, išjungiant variklį, kad būtų išvengta tuščiosios eigos, kai automobilis nejuda. Tačiau tam, kad variklis išsijungtų degant kiekvienam raudonam šviesoforo signalui, transporto priemonei reikės didelės galios įrenginio, galinčio iš karto užvesti variklį – daug greičiau nei tradicinis starteris – kai vairuotojas paspaudžia dujas. Skamba tiesiai šviesiai. Tačiau ankstyvosios versijos paprastai buvo per lėtos arba pernelyg triukšmingos, kad vairuotojai būtų patenkinti.

Tai keičiasi. Keletas automobilių tiekėjų sukūrė integruotų starterio-generatorių prototipus, kurie pakeičia ir starterio variklį, ir generatorių, kurie yra pakankamai greiti, kad užvestų variklį greičiau nei per pusę sekundės. (žr. „Tuščiosios eigos pabaiga“) . Didelė problema yra sumažinti išlaidas, sako Thomas Keimas, MIT elektros inžinierius, vadovaujantis MIT pramonės konsorciumui pažangiajai automobilių elektronikai.

Johno MacNeilo iliustracija

Daugumoje konstrukcijų naudojami asinchroniniai varikliai, kuriuos turi valdyti brangi elektronika, kuri gali greitai persijungti tarp starterio ir generatoriaus dviejų funkcijų – variklio užvedimo ir generatoriaus, gaminančio elektros energiją. Tačiau MIT konsorciumas sukūrė starterį-generatorių su paprastesne elektronikos versija, kuri galėtų sumažinti išlaidas 20 procentų. Automobilių pasaulyje technologija, kuri yra 20 procentų pigesnė, paprastai išstumia brangesnį pasirinkimą iš rinkos, sako Keimas. „Ford“ sukūrė konsorciumo dizaino prototipą ir atliko pirminius bandymus. Tačiau yra ir kita kliūtis: sunku generuoti pakankamai energijos, kad tokie prietaisai ūžtų. Greitas sukimas reikalauja daug galios. Kaip ir dauguma kitų eksperimentinių starterių-generatorių, MIT įrenginys, sukurtas tikintis ateities, kai automobiliai naudos aukštesnės įtampos standartą, veikia esant 42 voltams. Bėda ta, kad beveik visi šiandieniniai automobiliai vis dar naudoja 12 voltų sistemą. (Išimtys apima dujinius ir elektrinius hibridus ir 42 voltų prabangų Toyota sedaną, parduodamą tik Japonijoje.) Teoriškai įmanoma prijungti starterį-generatorių prie 12 voltų sistemos, tačiau starteris-generatorius yra tik vienas iš augančių pažangių modelių. automobilių elektriniai komponentai ant pramonės braižymo lentų. Kartu jie viršija sistemos ribas. Kai kurie pramonės ekspertai teigia, kad įtampos pokytis užtruks ne vienerius metus: pakeisti visą elektros sistemą, kuri naujame automobilyje paprastai kainuoja tiek pat, kiek kartu sudėjus variklį ir transmisiją, yra brangi ir sudėtinga užduotis. Tačiau net ir be visiško pakeitimo, sustojimo metodas gali padidinti įtampą. Gamintojai kuria būdus, kaip įdiegti 42 voltų sistemas šalia esamų 12 voltų sistemų. Esama mažos galios sistema išliktų ir toliau tiektų elektrą pažįstamai lengvajai įrangai, tokiai kaip žibintai, radijo imtuvai, elektrinės sėdynės ir langų varikliai. Naujoji didelės galios sistema aptarnautų tik sunkią įrangą, tokią kaip starteriai-generatoriai ir elektriniai kompresoriai. Dviguba sistema akivaizdžiai padidintų sąnaudas, sako Xingyi Xu, „Ford Research Laboratory“ Dearborn, MI inžinierius. Jis sako, kad automobilių gamintojai turėtų matyti didelį degalų taupymo ir vartotojų patogumo pranašumą, todėl šiuo metu sunku tai pateisinti. Net jei būtų pateisinama, tokioms sistemoms pasiekti rinką prireiktų mažiausiai penkerių metų, sako Xu. Tačiau kadangi jos gali suteikti galios, reikalingos vidutiniam automobiliui iš mechaninio paversti efektyvesne elektromechanine mašina, 42 voltų sistemos yra įgalinanti technologija.

Souped Up programinė įranga

Nauja įranga, tokia kaip galingi starteriai-generatoriai, padidintų degalų naudojimo efektyvumą. Tačiau transporto priemonė galėtų pasiekti dar daugiau naudos, jei visa jėgos pavara būtų valdoma elektroniniu būdu.

Kiekvieną komponentą galima nuolat reguliuoti, kad sunaudotų mažiausią reikalingą galią, keičiantis važiavimo sąlygoms, ir, ne mažiau svarbu, būtų galima valdyti integruotu būdu, kad būtų sutaupyta visoje sistemoje. Degalų efektyvumas būtų net didesnis nei sudedamųjų dalių suma, sako Frankas Lohrenzas, Siemens VDO Automotive Regensburge (Vokietija) elektros inžinierius.

Sutaupymas gali būti reikšmingas. Integruotos programinės įrangos valdymo sistemos galėtų 10 procentų padidinti kuro efektyvumą (žr. „The Networked Car“, TR 2002 m. rugsėjo mėn.) . Pavyzdžiui, „Siemens“ programinė įranga optimizuoja sukimo momento – jėgos pavaros sukimosi jėgos – tiekimą. Tam sistema elektroniniu būdu registruoja, kiek ir kaip greitai vairuotojas spaudžia dujų pedalą. Tada elektroniniu būdu valdydamas tokius pagrindinius mechaninius komponentus kaip variklis, transmisija ir būsimas starteris-generatorius, jis užtikrina reikiamą sukimo momentą. „Siemens“ technologija atsižvelgia į 20 parametrų, įskaitant transporto priemonės greitį, variklio sukimosi greitį ir transmisijos pavarą, prieš nuspręsdama, kaip geriausiai užtikrinti sukimo momentą iš bendro variklio droselio, transmisijos perdavimo santykio ir starterio-generatoriaus įjungimo.

Inžinieriai tradiciškai laikė kiekvieną komponentą kaip atskirą įrenginį, tačiau yra daug susidomėjimo integruotu valdymu, nes jis yra pigus: integruotas valdymas daugiausia priklauso nuo programinės įrangos, todėl 10 procentų degalų naudojimo efektyvumo padidinimas kainuoja palyginti mažą. Lohrenzo teigimu, jei gamintojas parduoda milijoną automobilių, kaina gali būti mažesnė nei 5 USD už transporto priemonę.

Skaitmeninis variklis

Radikaliausias žingsnis gerinant degalų ridą būtų pasiektas perdarydamas patį variklį. Tai reiškia, kad reikia permąstyti šimtametę mechaniką, kuri atidaro ir uždaro variklio vožtuvus, leidžiančius kuro ir oro mišinį į degimo kameras ir išskiriančias išmetamąsias dujas. Dešimtmečius šį darbą atliko skirstomasis velenas. Besisukantis velenas, jis fiksuotu būdu judina svirtis, kurios atidaro ir uždaro vožtuvus maždaug 100 kartų per sekundę.

Skirstomojo veleno technologija veikia gerai, tačiau eikvoja degalus. Tradicinė konfigūracija nesuteikia galimybės keisti modelių, kad, pavyzdžiui, būtų suteikta daug galios įsibėgėjant į greitkelį ir sumažinant nereikalingą energiją taupantį kurą važiuojant greitkeliu. Tačiau pastaraisiais metais inžinieriai prie skirstomojo veleno pridėjo mechaninę įrangą, leidžiančią patobulinti vožtuvų valdymą. Šis valdymas apima, pavyzdžiui, galimybę atidaryti vožtuvus tik iš dalies, kai reikia mažai energijos. „Honda“ ir BMW sukūrė ir įdiegė tokias kintamų vožtuvų sistemas daugelyje serijinių automobilių, pagerinančių degalų sąnaudas 5–10 procentų.

Tačiau galutinis žingsnis optimizavimo link išmeta skirstomąjį veleną. Vietoj to, elektromechaninės pavaros užtikrintų programinės įrangos valdymą kiekvienam vožtuvui (žr. „The Camless Engine“ žemiau) . Visiškai kontroliuojant kiekvieno vožtuvo judesio laiką, pakėlimą ir trukmę, toks be kumštelių variklis optimizuoja galios tiekimą su mažiausiu įmanomu degalų kiekvienu variklio sukimosi greičiu. Atlygis yra didžiulis: variklis be kumštelių gali pagerinti degalų ekonomiją 10–18 procentų, o variklio sukimo momentą važiuojant mažu greičiu 15–20 procentų, kad pagreitėtų greičiau.

John MacNeil iliustracija

Problema ta, kad norint išvengti pernelyg didelio susidėvėjimo ir sumažinti variklio triukšmą bei vibraciją, vožtuvai turi sulėtinti prieš nusileidžiant. Skirstomasis velenas, nors ir santykinai neefektyvus, tai daro gana gerai dėl savo kiaušinio formos, kuri sukuria atitinkamą vožtuvo judėjimo pagreitį ir lėtėjimą. Pavaros yra skirtingos; jie trankosi aukštyn ir žemyn, įsijungia ir išsijungia. Norint, kad pavaros būtų tokios švelnios kaip skirstomieji velenai, reikia derinti aparatinę ir programinę įrangą, ir daugelis įmonių sprendžia šią problemą. Anna Stefanopoulou, mechanikos inžinierė iš Mičigano universiteto, jau sukūrė keletą perspektyvių programinės įrangos schemų. Per pastaruosius metus Stefanopoulou komanda optimizavo kelis algoritmus ir dabar išbando būdus, kaip panaudoti grįžtamąjį ryšį iš vožtuvų, kad būtų pasiektas greitas judėjimas švelniais nusileidimais. Tuo tarpu, siekdamas palengvinti šį švelnų nusileidimą, „Ford Motor“ fizikas Mohammadas Haghgooie išbando spyruokles ir pneumatinius bei hidraulinius amortizatorius, kad sumažintų vožtuvų poveikį jų nesulėtinant. Jei šie elektromechaninių vožtuvų programinės ir techninės įrangos patobulinimai bus sėkmingi, 2008 m. į rinką galėtų patekti variklis be kumštelių, sako Haghgooie.

Stabdys pažangai

Ne visos pažangios degalų vartojimo efektyvumo technologijos vis dar tik kuriamos. Net ir be variklių be kumštelių ir sudėtingos programinės įrangos yra įvairių technologijų, skirtų geresniam degalų efektyvumui pasiekti. Į sąrašą įtraukta bepakopė transmisija. Skirtingai nuo šiuolaikinių automatinių pavarų dėžių, kurios paprastai turi keturis fiksuotus pavarų skaičius, kurie užsifiksuoja, kai variklio sukimosi greitis padidėja iki tam tikro lygio, nuolat kintama pavarų dėžė užtikrina bet kurį iš begalinio perdavimo skaičiaus diapazono. Nyderlandų įmonė užpatentavo technologiją prieš dešimtmečius; dabar patentai baigiasi, o transmisija jau montuojama kai kuriuose modeliuose JAV. Atlygis gali būti didelis: 2002 m. Saturn VUE, „General Motors“ duomenimis, bepakopė transmisija padidina degalų ekonomiją 7–11 procentų.

Degalų įpurškimo patobulinimai taip pat yra lentynoje, nes neseniai buvo sukurtas tiesioginis benzino įpurškimas. Pakeitus tradicinį netiesioginio įpurškimo variklį šia technologija, 2002 m. Volkswagen Polo 13 procentų pagerino degalų sąnaudas važiuojant mieste. Nauda gaunama išnaudojant kuro ir oro maišymosi dinamiką. Taikant tradicinę netiesioginio įpurškimo sąranką, dujos ir oras sumaišomi už cilindro ribų ir įpurškiami. Naudojant tiesioginį įpurškimą, degalai ir oras pradeda maišytis tik tada, kai jie yra cilindro viduje, todėl variklis gali naudoti itin liesą degalų mišinį važiuojant tolygiai ir mažai galios.

Apibendrinant galima pasakyti, kad netrūksta turimų technologijų, kurios beveik paruoštos naudoti automobilių pramonei. Ir vis dėlto visureigiai vis dar vidutiniškai pasiekia tik 21 mpg. Paklausta kodėl, „General Motors“ atstovė Indra pateikia žinomus pramonės argumentus: naujovės per brangios; nauji komponentai prideda svorio ir neigiamai veikia naudą. Jis taip pat sako, kad svorio mažinimas, kuris, remiantis DiCicco tyrimu, sudaro beveik trečdalį formulės, leidžiančios padidinti ridą, sumažinti saugumą. Tai yra argumentas, kurį pramonė naudojo kaip dalį savo lobizmo, siekdama panaikinti griežtesnius degalų vartojimo efektyvumo įstatymus praėjusį kovą.

Niujorke įsikūrusios aplinkosaugos grupės Nacionalinės išteklių gynybos tarybos transporto priemonių ekspertas Rolandas Hwangas teigia, kad toks argumentas yra neatsakingas. Jis tvirtina, kad automobilių gamintojai kursto vartotojų baimes dėl saugumo, tik norėdami įtikinti juos pirkti didesnes transporto priemones, kurios, anot jo, duoda didžiausią pelną. Jis pažymi, kad federaliniai ir draudimo pramonės testai rodo, kad visureigių saugumo rodikliai yra maždaug tokie patys kaip ir kitų automobilių. Net „Honda America“ aplinkos ir energijos analizės vadovas Johnas Germanas sutinka, kad jei visos transporto priemonės svertų 100 svarų mažiau, tai neturėtų jokios įtakos saugumui.

Svarbiausia yra tai, kad be Vašingtono ar visuomenės įgaliojimų automobilių pramonė turi mažai motyvacijos keistis. Dougas Pattonas, „Denso International America“ vyresnysis viceprezidentas Sautfilde, MI, pateikia temą į perspektyvą: ko reikalauja klientas? Ko reikalauja valdžia? Taip mes į tai žiūrime.

Tyrėjų nuomone, tai yra atgrasus pokalbis. MIT Heywood teigia, kad dauguma šių technologijų buvo kuriamos daugelį metų. Jis sako, kad jei automobilių gamintojai norėtų, jie galėtų lengvai juos padaryti nebrangius ir patikimus. Heywoodas sako, kad automobilių kompanijos savo inžinieriams neskiria pakankamai nuopelnų, kad jie galėtų išspręsti praktines problemas. Kol vadovybė nepasakys: „Gerai, tikrai imkimės“, technologija nepralenkia pažangaus kūrimo prototipo. Jis priduria, kad tokie užsakymai neįvyks tol, kol vadovybė nepamanys, kad turi įrodymų, kad dėl technologijos produktas bus parduodamas rinkoje arba bus sukurta nauja rinka.

Net jei būtų priimti nauji griežti efektyvumo įstatymai, kiti pastebi, naujausia istorija rodo, kad automobilių pramonė neprisiims be kovos. Pramonės lyderiai kovojo su katalizatoriais. Jie kovojo dėl saugos diržų. Jie sakė, kad oro pagalvės bankrutuos pramonę. Tačiau patenkinę reikalavimus jie randa būdą, pažymi Hwang.

Kol kas automobilių pramonė vis dar tenkina salonus pripildydama daugiamečių dujų šernų. Tačiau veiksmingesnės technologijos ir joms valdyti skirta programinė įranga laukia galutinio postūmio į masinę gamybą.

paslėpti