Proč ne SUV se 40 MPG?

Chcete-li získat představu o pokroku automobilového průmyslu v oblasti palivové účinnosti, nehledejte nic jiného než Chevy Blazer z roku 2002. Model s automatickou převodovkou, šesti válci a pohonem všech čtyř kol ujede 18 mil na galon (mpg), tedy o dvě míle méně než srovnatelně vybavený Blazer v roce 1985. Skutečně, za těch 17 let průměrná spotřeba paliva celého vozového parku Americké osobní a lehké nákladní vozy klesly z 26 mpg na 24 mpg částečně kvůli rostoucímu podílu sportovně-užitkových vozidel (SUV) hltající plyn. Přesto v březnu, když lobbisté z automobilového průmyslu tvrdili, že stavět auta s nižší spotřebou paliva by bylo příliš obtížné, americký Senát znovu zabil legislativu, která by zvýšila standardy průměrné podnikové spotřeby paliva v zemi. Byl to známý tanec; Kongres během stejných 17 let nezvýšil standardy ani jednou.

Není to tak, že by se automobilové technologie nezlepšily; jde o to, že vylepšení byla zaměřena na poskytování výkonu, nikoli na efektivitu. Od roku 1981 automobilový průmysl zvýšil výkon o 84 procent, což umožňuje vozidlům zrychlovat rychleji, i když jsou těžší, uvádí americká agentura pro ochranu životního prostředí. To je to, co spotřebitelé chtějí, říká Fritz Indra, výkonný ředitel pokročilého inženýrství divize Powertrain společnosti General Motors. Každý rok chtějí Američané trochu více prostoru uvnitř, trochu více výkonu.

Ale je opravdu příliš obtížné postavit SUV za rozumnou cenu, které dokáže dostat 40 mpg a přesto poskytuje výkon, pohodlí a snížené emise, které spotřebitelé očekávají? Překvapivým faktem je, že v průmyslu a univerzitních laboratořích existuje celá řada technologií pro úsporu paliva. Ještě více zarážející je, že mnohé z těchto technologií jsou založeny na konvenčním spalovacím motoru. Nevyžadují složité elektrické a plynové hybridní pohony, jako jsou ty pod kapotami Toyota Prius a Honda Insight. (viz Vizualizace). Nejsou založeny ani na ničem tak exotickém, jako jsou palivové články. Pokud by automobilový průmysl dal nějaké korporátní koňské síly do přesunu těchto technologií do výroby – a to by bylo velké, kdyby vzhledem k chybějícím americkým předpisům a poptávce spotřebitelů –, technologie na úsporu plynu by mohly začít zasahovat do showroomů do pěti let. Pokud by se Detroit rozhodl, mohl by do konce dekády vyrobit SUV s kapacitou 40 mpg.

Přínosy by pocházely z velké části z nově vznikajících technologií, jako jsou vylepšené řídicí systémy, které minimalizují energetické ztráty v motoru a převodovce, a také účinné elektrické komponenty – od vodních čerpadel po ventily motoru – které by mohly nahradit mechanické systémy poháněné řemenem. Klíčovou roli by mohly hrát také stávající technologie, jako jsou pokročilé převodovky a systémy vstřikování paliva, pokud by byly rozšířeny.

Pokud by všechna nová auta a lehká nákladní vozidla přijala dostupné a vznikající technologie pro úsporu plynu, průměrná spotřeba paliva amerických automobilů by vzrostla na 46 mpg, z dnešních 27 mpg. Podle nedávné studie, kterou zčásti připravil John DeCicco, vedoucí pracovník Environmental Defence, ekologické skupiny se sídlem v New Yorku, by SUV mohla mít průměrně 40 mpg, oproti dnešním 21 mpg. (Studie byla spoluautorem Feng An, odborníka na modelování z Argonne National Laboratory, a Marca H. Rosse, fyzika a odborníka na automobilovou politiku z University of Michigan.) Dvě třetiny přínosu by pocházely ze zlepšení hnacího ústrojí. a zbytek by pocházel ze snížení hmotnosti a snížení aerodynamického odporu a valivého odporu. A i když by maloobchodní ceny vozidel vzrostly o nějakých 1 000 až 2 000 USD, v závislosti na modelu, spotřebitelé by tolik ušetřili u benzínové pumpy do pěti let. Průmyslu nechybí technologie, chybí mu priorita, říká DeCicco.

Taková zlepšení spotřeby plynu by měla obrovský dopad na závislost USA na ropě a na životní prostředí. Podle Union of Concerned Scientists, pokud by se spotřeba paliva v americké flotile zlepšila na 40 mpg, národ by ušetřil dva miliony barelů ropy denně – 75 procent veškeré ropy, kterou Spojené státy dovážejí z Blízkého východu. A mohlo by to znamenat 30procentní pokles skleníkových plynů, hlavně oxidu uhličitého.

Výrobci automobilů – i když nediskutují o zásadní pravdě takových čísel – tvrdí, že spolehlivé a cenově dostupné verze těchto nových komponent a softwarových ovládacích prvků je těžší implementovat, než se může zdát. Výrobci, i když jsou charakteristicky zdrženliví ohledně výrobních plánů, vytvořili pokročilé prototypy těchto technologií a do některých vozidel dokonce instalovali rané jednotky. Protože mnoho z těchto technologií je snadno dostupných a založených na motoru s vnitřním spalováním, mohly by mít v příštích několika letech obrovský dopad. Je zde velký potenciál, říká John Heywood, ředitel Sloan Automotive Laboratory na MIT. Je to naše největší naděje na pokračování ve snižování emisí a spotřeby paliva našeho stále rostoucího vozového parku.

Rychlé starty

Větší spotřeba paliva začíná některými zdánlivě jednoduchými nápady, například vypnutím motoru, aby se eliminovalo zbytečné volnoběh, kdykoli se auto nehýbe. Ale aby se motor vypnul na každém červeném semaforu, vozidlo by potřebovalo vysoce výkonné zařízení schopné motor okamžitě znovu nastartovat – mnohem rychleji než tradiční startér – když řidič šlápne na plyn. Zní to přímočaře. Ale rané verze byly obecně příliš pomalé nebo příliš hlučné, aby řidiči byli spokojeni.

to se mění. Několik dodavatelů automobilů postavilo prototypy integrovaných startér-generátorů, které nahrazují jak startér, tak alternátor, které jsou dostatečně rychlé, aby nastartovaly motor za méně než půl sekundy. (viz Konec volnoběhu níže) . Velkým problémem je snižování nákladů, říká Thomas Keim, elektrotechnik MIT, který řídí průmyslové konsorcium MIT pro pokročilou automobilovou elektroniku.

Ilustrace John MacNeil

Většina konstrukcí používá indukční motory, které musí být řízeny drahou elektronikou, která dokáže rychle přepínat mezi dvojí rolí startéru a generátoru – spouštění motoru a fungující jako alternátor pro výrobu elektřiny. Konsorcium MIT však vyvinulo startér-generátor s jednodušší verzí elektroniky, která by mohla snížit náklady o 20 procent. V automobilovém světě má technologie, která je o 20 procent levnější, tendenci vytlačovat dražší volbu z trhu, říká Keim. Ford postavil prototyp designu konsorcia a dokončil počáteční testy. Ale je tu další překážka: obtížnost generovat dostatek energie, aby taková zařízení bzučela. Rychlé roztáčení vyžaduje hodně síly. Stejně jako většina ostatních experimentálních startér-generátorů, zařízení MIT, postavené v očekávání budoucnosti, kdy auta používají standard vyššího napětí, pracuje při 42 voltech. Problémem je, že prakticky všechna dnešní auta stále používají 12voltový systém. (Výjimky zahrnují plyno-elektrické hybridy a 42voltový luxusní sedan Toyota prodávaný pouze v Japonsku.) Spojení startér-generátoru s 12voltovým systémem je teoreticky možné, ale startér-generátor je jen jedním z rostoucího počtu pokročilých automobilové elektrické komponenty na průmyslových rýsovacích deskách. Dohromady překračují limity systému. Někteří odborníci z oboru tvrdí, že změna napětí bude trvat roky: výměna celého elektrického systému – která v novém autě obvykle stojí tolik jako kombinace motoru a převodovky – je nákladný a složitý úkol. Ale i bez úplné výměny by přístup prostoje mohl poskytnout zvýšení napětí. Výrobci vymýšlejí způsoby, jak nainstalovat 42voltové systémy vedle stávajících 12voltových systémů. Stávající nízkoenergetický systém by zůstal na místě a nadále by poskytoval elektřinu známým lehkým zařízením, jako jsou světla, rádia, elektricky ovládaná sedadla a okenní motory. Nový vysoce výkonný systém by sloužil pouze pro těžká zařízení, jako jsou startér-generátory a elektrické kompresory. Duální systém by samozřejmě zvýšil náklady, říká Xingyi Xu, inženýr z Ford Research Laboratory v Dearbornu, MI. Výrobci automobilů by podle něj potřebovali vidět značné zisky v oblasti spotřeby paliva a spotřebitelských výhod, takže v současné době je obtížné toto ospravedlnit. I kdyby to bylo ospravedlnitelné, takovým systémům by trvalo nejméně pět let, než by se dostaly na trh, říká Xu. Ale protože mohou poskytnout energii potřebnou k přeměně průměrného auta z mechanického na účinnější elektromechanický stroj, představují 42voltové systémy vhodnou technologii.

Upevňovací software

Nové vybavení, jako jsou výkonné startovací generátory, by zvýšilo spotřebu paliva. Přesto by vozidlo mohlo dosáhnout ještě větších zisků, pokud by bylo celé hnací ústrojí řízeno elektronicky.

Každou součást lze plynule nastavovat tak, aby spotřebovávala co nejméně energie při změnách jízdních podmínek, a – což je neméně důležité – mohla být řízena integrovaným způsobem pro úspory v celém systému. Spotřeba paliva by byla ještě vyšší než součet komponent, říká Frank Lohrenz, elektroinženýr společnosti Siemens VDO Automotive v německém Regensburgu.

Úspory mohou být značné. Integrované softwarové řídicí systémy by mohly poskytnout 10% zvýšení účinnosti paliva (viz The Networked Car, TR září 2002) . Software společnosti Siemens například optimalizuje dodávku točivého momentu – síly otáčení hnacího ústrojí. K tomu systém elektronicky registruje, jak daleko a jak rychle řidič sešlápne plynový pedál. Potom prostřednictvím elektronického řízení takových základních mechanických součástí, jako je motor, převodovka a budoucí startér-generátor, dodává požadovaný točivý moment. Technologie společnosti Siemens zohledňuje 20 parametrů, včetně rychlosti vozidla, rychlosti otáčení motoru a převodového stupně, a teprve poté se rozhodne, jak nejlépe dodat točivý moment ze spojeného úsilí škrcení motoru, převodového poměru a aktivace startéru-generátoru.

Inženýři tradičně považovali každou součást za samostatnou jednotku, ale o integrované řízení je velký zájem, protože je levné: integrované řízení závisí do značné míry na softwaru, a proto jeho 10procentní zvýšení spotřeby paliva přichází za relativně nízkou cenu. Lohrenz říká, že pokud výrobce prodá milion vozů, náklady by mohly být nižší než 5 dolarů na vozidlo.

Digitální motor

Nejradikálnější pokrok pro zlepšení dojezdu plynu by nastal předěláním samotného motoru. To znamená přehodnotit stoletou mechaniku, která otevírá a zavírá ventily motoru, které vpouštějí směs paliva a vzduchu do spalovacích komor a uvolňují výfukové plyny. Po celá desetiletí tuto práci plnil vačkový hřídel. Rotující hřídel, pohybuje pákami, které otevírají a zavírají ventily přibližně 100krát za sekundu v pevném vzoru.

Technologie vačkového hřídele funguje dobře, ale plýtvá palivem. Tradiční konfigurace neposkytuje žádný způsob, jak změnit vzorce, aby bylo možné dodat například hodně výkonu pro zrychlení na dálnici a snížit nepotřebnou úsporu paliva při rychlostech na dálnici. V posledních letech však inženýři přidali mechanické vybavení na vačkový hřídel, což umožnilo některé vylepšené ovládání ventilů. Toto ovládání zahrnuje například možnost otevřít ventily pouze částečně, když je potřeba malý výkon. Honda a BMW vyvinuly a nainstalovaly takové variabilní ventilové systémy v mnoha sériových automobilech, které zlepšují spotřebu paliva o 5 až 10 procent.

Ale konečný krok k optimalizaci hází vačkový hřídel pryč. Místo toho by elektromechanické pohony poskytovaly softwarově řízené ovládání každého ventilu (viz The Camless Engine níže) . Tím, že poskytuje plnou kontrolu nad časováním, zdvihem a trváním pohybu každého ventilu, optimalizuje takovýto bezvačkový motor dodávku výkonu s co nejmenším množstvím paliva při každé rychlosti otáčení motoru. Přínos je obrovský: bezvačkový motor by mohl snížit spotřebu paliva o 10 až 18 procent a zároveň zvýšit točivý moment motoru o 15 až 20 procent při nízkých rychlostech pro rychlejší akceleraci.

Ilustrace John MacNeil

Problém je v tom, že aby se zabránilo nadměrnému opotřebení a minimalizoval hluk a vibrace motoru, musí ventily před přistáním zpomalit. Vačkový hřídel, i když je relativně neefektivní, to dělá docela dobře, díky svému vejčitému tvaru, který vytváří odpovídající zrychlení a zpomalení pohybu ventilu. Akční členy jsou různé; bouchnou nahoru a dolů, zapínají a vypínají. Způsob, jak vyrobit akční členy tak jemné jako vačkové hřídele, zahrnuje kombinaci hardwaru a softwaru a mnoho společností na tomto problému pracuje. Anna Stefanopoulou, strojní inženýrka na University of Michigan, již navrhla několik slibných softwarových schémat. Během minulého roku Stefanopoulouův tým optimalizoval několik algoritmů a nyní testuje způsoby, jak využít zpětnou vazbu z ventilů k dosažení vysokorychlostního pohybu s jemnými přistáními. Mezitím Mohammad Haghgooie, fyzik z Ford Motor, aby pomohl tomuto měkkému přistání, testuje pružiny a pneumatické a hydraulické tlumiče, aby zmírnil dopad ventilů, aniž by je zpomalil. Pokud budou tato vylepšení softwaru a hardwaru elektromechanických ventilů úspěšná, mohla by v roce 2008 přinést na trh bezvačkový motor, říká Haghgooie.

Brzda pro pokrok

Ne všechny pokročilé technologie pro úsporu paliva jsou stále ve fázi rozvíjení. I bez bezvačkových motorů a sofistikovaného softwaru jsou k dispozici různé technologie pro dosažení lepší spotřeby paliva. Seznam zahrnuje bezestupňovou převodovku. Na rozdíl od dnešních automatických převodovek, které mají obecně čtyři pevné převodové poměry, které zaklapnou, jakmile otáčky motoru vzrostou na určitou úroveň, převodovka s plynule měnitelným převodem poskytuje libovolný z nekonečného rozsahu převodových poměrů za chodu. Nizozemská společnost patentovala technologii před desítkami let; nyní vyprší platnost patentů a převodovka se již instaluje do některých modelů ve Spojených státech. Přínos může být velký: u modelu Saturn VUE z roku 2002 zvyšuje převodovka s plynulou změnou spotřebu paliva o 7 až 11 procent, uvádí General Motors.

Vylepšení vstřikování paliva jsou také na poličce, a to díky nedávnému pokroku známému jako přímé vstřikování benzínu. Nahrazením tradičního motoru s nepřímým vstřikováním touto technologií dosáhl Volkswagen Polo z roku 2002 úsporu paliva pro jízdu ve městě o 13 procent. Výhoda spočívá ve využití dynamiky míchání paliva a vzduchu. V tradičním nastavení nepřímého vstřikování se plyn a vzduch mísí mimo válec a poté se vstřikují. Při přímém vstřikování se palivo a vzduch začnou mísit pouze tehdy, když jsou uvnitř válce, což umožňuje motoru používat extrémně chudou palivovou směs při ustálené jízdě s nízkým výkonem.

Celkově vzato neexistuje nedostatek dostupných technologií, které jsou téměř připraveny na přijetí v automobilovém průmyslu. A přesto mají SUV stále v průměru pouze 21 mpg. Na otázku proč, Indra z General Motors uvádí známé argumenty z oboru: inovace jsou příliš drahé; nové komponenty zvyšují hmotnost, negují výhody. Říká také, že redukce hmotnosti – která podle studie DiCicco představuje téměř jednu třetinu vzorce pro zvýšení počtu najetých kilometrů – snižuje bezpečnost. To je argument, který průmysl použil jako součást svého lobbistického útoku, aby loni v březnu zabil přísnější legislativu týkající se palivové účinnosti.

Roland Hwang, odborník na vozidla z National Resources Defense Council, ekologické skupiny se sídlem v New Yorku, říká, že tento argument je nezodpovědný. Tvrdí, že výrobci automobilů podněcují obavy spotřebitelů o bezpečnost, jen aby je přesvědčili ke koupi větších vozidel, která, jak říká, přinášejí nejvyšší zisky. Poznamenává, že federální testy a testy v pojišťovnictví ukazují, že bezpečnostní rekord vozů SUV je přibližně stejný jako u jiných vozů. Dokonce i manažer environmentálních a energetických analýz společnosti Honda America, John German, souhlasí s tím, že pokud by všechna vozidla vážila o 100 liber méně, nemělo by to žádný dopad na bezpečnost.

Větší bod je prostě v tom, že bez mandátu od Washingtonu nebo veřejnosti má automobilový průmysl jen malou motivaci ke změně. Doug Patton, senior viceprezident společnosti Denso International America v Southfield, MI, uvádí téma do perspektivy: Co zákazník požaduje? Co vláda požaduje? Tak se na to díváme.

Pro výzkumníky to odrazuje řeči. Heywood z MIT říká, že většina těchto technologií se vyvíjela roky. Pokud by automobilky chtěly, říká, mohli by je snadno vyrobit levně a spolehlivě. Automobilky nedávají svým inženýrům dostatek uznání za to, že jsou schopni řešit praktické problémy, říká Heywood. Dokud vedení neřekne: Dobře, pojďme do toho,‘ technologie nepřekoná pokročilý vývojový prototyp. Dodává, že k vydávání takových příkazů nedojde, dokud si vedení nebude myslet, že má důkazy, že díky této technologii se produkt prodá na trhu nebo vytvoří nový trh.

I když budou schváleny nové přísné zákony o účinnosti, nedávná historie naznačuje, že automobilový průmysl nepřistoupí bez boje. Vedoucí představitelé průmyslu bojovali s katalyzátory. Bojovali s bezpečnostními pásy. Říkali, že airbagy by zbankrotovaly průmysl. Ale jakmile jsou požadavky splněny, najdou cestu, poznamenává Hwang.

V současnosti je automobilový průmysl stále spokojen s tím, že zaplní showroomy věčnými plynovými prasaty. Efektivnější technologie – a software k jejich ovládání – však čekají na konečný posun do hromadné výroby.

skrýt