211service.com
Kāpēc ne 40 MPG SUV?
Lai gūtu priekšstatu par automobiļu rūpniecības progresu degvielas patēriņa efektivitātes jomā, meklējiet tikai 2002. gada Chevy Blazer. Modelis ar automātisko pārnesumkārbu, sešiem cilindriem un četru riteņu piedziņu sasniedz 18 jūdzes uz galonu (mpg), kas ir par divām jūdzēm mazāk nekā ar līdzīgi aprīkotu Blazer 1985. gadā. Patiešām, šajos 17 gados visa autoparka vidējā degvielas ekonomija ASV automašīnu un vieglo kravas automobiļu patēriņš daļēji samazinājās no 26 mpg līdz 24 mpg, jo pieaug gāzi absorbējošo sporta komunālo transportlīdzekļu (SUV) īpatsvars. Tomēr martā, kad autoindustrijas lobisti apgalvoja, ka degvielu taupošāku automašīnu izveide būtu pārāk sarežģīta, ASV Senāts atkal nogalināja tiesību aktus, kas paaugstinātu valsts korporatīvos vidējos degvielas ekonomijas standartus. Tā bija pazīstama deja; Kongress šo pašu 17 gadu laikā nav paaugstinājis standartus pat vienu reizi.
Nav tā, ka automobiļu tehnoloģijas nav uzlabojušās; tas ir tas, ka uzlabojumi ir vērsti uz jaudas piegādi, nevis efektivitāti. Kopš 1981. gada automobiļu rūpniecība ir palielinājusi zirgspēku jaudu par 84 procentiem, ļaujot transportlīdzekļiem paātrināties ātrāk, pat ja tie ir kļuvuši smagāki, liecina ASV Vides aizsardzības aģentūras dati. To vēlas patērētāji, saka Frics Indra, General Motors Powertrain nodaļas progresīvās inženierijas izpilddirektors. Katru gadu amerikāņi vēlas mazliet vairāk vietas iekšā, nedaudz vairāk jaudas.
Bet vai tiešām ir pārāk grūti izveidot apvidus auto par saprātīgu cenu, kas var sasniegt 40 mpg un joprojām nodrošināt tādu veiktspēju, komfortu un samazinātu izmešu daudzumu, kādu sagaida patērētāji? Pārsteidzošs ir fakts, ka rūpniecībā un universitāšu laboratorijās pastāv dažādas degvielas efektivitātes tehnoloģijas. Vēl pārsteidzošāk ir tas, ka daudzas no šīm tehnoloģijām ir balstītas uz parasto iekšdedzes dzinēju. Viņiem nav nepieciešami sarežģīti elektriskās un gāzes hibrīdpiedziņas vilcieni, piemēram, tie, kas atrodas zem Toyota Prius un Honda Insight pārsega (skatiet Vizualizēt). To pamatā arī nav nekas tik eksotisks kā kurināmā elementi. Ja automobiļu rūpniecība ieliks korporatīvos zirgspēkus, lai šīs tehnoloģijas ieviestu ražošanā — un tas ir ļoti svarīgi, ja, ņemot vērā ASV noteikumu un patērētāju pieprasījumu trūkumu, gāzi taupošās tehnoloģijas varētu sākt parādīties izstāžu zālēs piecu gadu laikā. Patiešām, ja tā izvēlētos, Detroita līdz desmitgades beigām varētu ražot 40 mpg SUV.
Ieguvumi lielā mērā būtu no jaunām tehnoloģijām, piemēram, uzlabotām vadības sistēmām, kas samazina enerģijas zudumus dzinējā un transmisijā, kā arī efektīviem elektriskiem komponentiem — no ūdens sūkņiem līdz dzinēja vārstiem —, kas varētu aizstāt ar siksnu piedziņas mehāniskās sistēmas. Esošajām tehnoloģijām, piemēram, progresīvām transmisijas un degvielas iesmidzināšanas sistēmām, arī varētu būt svarīga loma, ja tās tiktu ieviestas plašāk.
Patiešām, ja visās jaunajās automašīnās un vieglajos kravas automobiļos tiktu izmantotas pieejamās un jaunās gāzes taupīšanas tehnoloģijas, ASV automašīnu vidējā degvielas ekonomija pieaugs līdz 46 mpg, salīdzinot ar šodienas 27 mpg. Saskaņā ar neseno pētījumu, ko daļēji sagatavojis Ņujorkā bāzētās vides aizsardzības grupas Environmental Defense vecākais līdzstrādnieks, apvidus automobiļu vidējais svars varētu būt 40 mpg, salīdzinot ar šodienas 21 mpg. (Pētījuma līdzautori ir Argonnas Nacionālās laboratorijas modelēšanas eksperts Fens Ans un Mičiganas Universitātes fiziķis un automobiļu politikas eksperts Marks H. Ross.) Divas trešdaļas no ieguvuma būtu spēka piedziņas uzlabošana. , bet pārējais nāks no svara samazināšanas un aerodinamiskās pretestības un rites pretestības samazināšanas. Un, lai gan transportlīdzekļu mazumtirdzniecības cenas pieaugs no aptuveni 1000 USD līdz 2000 USD, atkarībā no modeļa, patērētāji piecu gadu laikā ietaupītu tik daudz pie gāzes sūkņa. Nozarei netrūkst tehnoloģiju, tai trūkst prioritātes, saka DeCicco.
Šādiem gāzes nobraukuma uzlabojumiem būtu milzīga ietekme uz ASV atkarību no naftas un vidi. Saskaņā ar Norūpēto zinātnieku savienības datiem, ja ASV flotes degvielas patēriņš palielinātos līdz 40 mpg, valsts ietaupītu divus miljonus barelu naftas dienā — 75% no visas naftas, ko ASV importē no Tuvajiem Austrumiem. Un tas varētu nozīmēt siltumnīcefekta gāzu, galvenokārt oglekļa dioksīda, samazinājumu par 30 procentiem.
Autoražotāji, neapspriežot šādu skaitļu būtisku patiesību, saka, ka uzticamas, pieejamas šo jauno komponentu un programmatūras vadības ierīču versijas ir grūtāk ieviest, nekā varētu šķist. Taču ražotāji, lai arī raksturīgi šauras runas par ražošanas plāniem, ir radījuši progresīvus šo tehnoloģiju prototipus un pat uzstādījuši agrīnās vienības dažos transportlīdzekļos. Tā kā daudzas no šīm tehnoloģijām ir viegli pieejamas un balstītas uz iekšdedzes dzinēju, nākamajos gados tām varētu būt milzīga ietekme. Šeit ir daudz potenciālu, saka Džons Heivuds, MIT Sloanas automobiļu laboratorijas direktors. Tā ir mūsu lielākā cerība turpināt samazināt emisijas un degvielas patēriņu mūsu arvien pieaugošajā transportlīdzekļu parkā.
Ātrie starti
Lielāka degvielas patēriņa efektivitāte sākas ar dažām šķietami vienkāršām idejām, piemēram, dzinēja izslēgšanu, lai novērstu izšķērdīgu tukšgaitu ikreiz, kad automašīna nekustas. Taču, lai dzinējs izslēgtos pie katra sarkanā luksofora signāla, transportlīdzeklim būtu nepieciešama lieljaudas ierīce, kas spēj nekavējoties iedarbināt dzinēju — daudz ātrāk nekā tradicionālais startera motors —, kad vadītājs piespiež gāzi. Izklausās vienkārši. Bet sākotnējās versijas parasti bija pārāk lēnas vai pārāk trokšņainas, lai vadītāji būtu apmierināti.
Tas mainās. Vairāki automašīnu piegādātāji ir izveidojuši integrētu startera-ģeneratoru prototipus, kas aizstāj gan startera motoru, gan ģeneratoru, kas ir pietiekami ātri, lai dzinēju iedarbinātu mazāk nekā pussekundē. (skatiet zemāk redzamo informāciju par tukšgaitas beigām) . Liela problēma ir izmaksu samazināšana, saka Tomass Keims, MIT elektroinženieris, kurš vada MIT nozares konsorciju par modernu automobiļu elektroniku.
Džona Makneila ilustrācija
Lielākajā daļā konstrukciju tiek izmantoti asinhronie motori, kas jāvada ar dārgu elektroniku, kas var ātri pārslēgties starp startera un ģeneratora dubultajām lomām, proti, iedarbināt dzinēju un darboties kā ģeneratoram elektroenerģijas ražošanai. Bet MIT konsorcijs ir izstrādājis starteri-ģeneratoru ar vienkāršāku elektronikas versiju, kas varētu samazināt izmaksas par 20 procentiem. Automobiļu pasaulē tehnoloģija, kas ir par 20 procentiem lētāka, mēdz izstumt dārgāko izvēli no tirgus, saka Keims. Ford ir izveidojis konsorcija dizaina prototipu un pabeidzis sākotnējos testus. Bet ir vēl viens šķērslis: grūtības ģenerēt pietiekami daudz enerģijas, lai šādas ierīces nedarbotos. Ātra palaišana paņem daudz jaudas. Tāpat kā vairums citu eksperimentālo starteru-ģeneratoru, MIT ierīce, kas ir izveidota, paredzot nākotni, kurā automašīnām tiks izmantots augstāks sprieguma standarts, darbojas ar 42 voltiem. Problēma ir tāda, ka gandrīz visas mūsdienu automašīnas joprojām izmanto 12 voltu sistēmu. (Izņēmumi ir gāzes un elektriskie hibrīdi un 42 voltu luksusa Toyota sedans, ko pārdod tikai Japānā.) Teorētiski ir iespējama startera-ģeneratora piesaiste 12 voltu sistēmai, taču starteris-ģenerators ir tikai viens no pieaugošajiem uzlabotajiem modeļiem. automobiļu elektriskās sastāvdaļas uz nozares rasēšanas dēļiem. Kopumā tie pārsniedz sistēmas ierobežojumus. Daži nozares eksperti saka, ka sprieguma maiņa prasīs vairākus gadus: visas elektriskās sistēmas nomaiņa, kas jaunā automašīnā parasti maksā tikpat daudz, cik dzinējs un transmisija kopā, ir dārgs un sarežģīts uzdevums. Bet pat bez pilnīgas nomaiņas sprieguma paaugstināšanās varētu nodrošināt sprieguma paaugstināšanos. Ražotāji izstrādā veidus, kā uzstādīt 42 voltu sistēmas blakus esošajām 12 voltu sistēmām. Esošā mazjaudas sistēma paliktu vietā, turpinātu nodrošināt elektrību pazīstamām vieglajām iekārtām, piemēram, gaismām, radioaparātiem, elektriskiem sēdekļiem un logu motoriem. Jaunā lieljaudas sistēma apkalpotu tikai lieljaudas iekārtas, piemēram, starteri-ģeneratorus un elektriskos kompresorus. Duālā sistēma acīmredzami palielinātu izmaksas, saka Xingyi Xu, inženieris Ford pētniecības laboratorijā Dīrbornā, MI. Viņš saka, ka autoražotājiem būtu jāredz ievērojams ieguvums degvielas ekonomijā un patērētāju ērtībās, tāpēc pašlaik ir grūti to pamatot. Pat ja tas būtu attaisnojams, šādām sistēmām būtu nepieciešami vismaz pieci gadi, lai sasniegtu tirgu, saka Xu. Taču, tā kā tās var nodrošināt jaudu, kas nepieciešama, lai vidusmēra automašīnu no mehāniskas pārveidotu par efektīvāku elektromehānisko iekārtu, 42 voltu sistēmas ir veicinoša tehnoloģija.
Souped Up programmatūra
Jauns aprīkojums, piemēram, jaudīgi starteri-ģeneratori, palielinātu degvielas efektivitāti. Tomēr transportlīdzeklis varētu sasniegt vēl lielākus ieguvumus, ja visu spēka piedziņu vadītu elektroniski.
Katru komponentu var nepārtraukti regulēt, lai patērētu vismazāko nepieciešamo jaudu, mainoties braukšanas apstākļiem, un, kas ir tikpat svarīgi, to var kontrolēt integrētā veidā, lai ietaupītu visu sistēmu. Degvielas efektivitāte būtu pat lielāka nekā sastāvdaļu summa, saka Frenks Lorencs, Siemens VDO Automotive elektroinženieris Rēgensburgā, Vācijā.
Ietaupījumi varētu būt ievērojami. Integrētās programmatūras vadības sistēmas varētu nodrošināt degvielas patēriņa efektivitātes palielinājumu par 10 procentiem (skatiet The Networked Car, TR 2002. gada septembris) . Piemēram, Siemens programmatūra optimizē griezes momenta - spēka piedziņas pagrieziena spēka - piegādi. Lai to izdarītu, sistēma elektroniski reģistrē, cik tālu un cik ātri vadītājs nospiež gāzes pedāli. Pēc tam, izmantojot tādu pamata mehānisko komponentu kā dzinējs, transmisija un topošais starteris-ģenerators elektronisko vadību, tas nodrošina vajadzīgo griezes momentu. Siemens tehnoloģija ņem vērā 20 parametrus, tostarp transportlīdzekļa ātrumu, dzinēja griešanās ātrumu un transmisijas pārnesumu, pirms tiek izlemts, kā vislabāk nodrošināt griezes momentu, apvienojot dzinēja droseles, transmisijas pārnesuma attiecību un startera-ģeneratora aktivizēšanu.
Inženieri tradicionāli ir uzskatījuši katru komponentu par atsevišķu vienību, taču ir liela interese par integrēto vadību, jo tā ir lēta: integrētā vadība lielā mērā ir atkarīga no programmatūras, un tādējādi tās degvielas patēriņa efektivitātes palielinājums par 10 procentiem ir par salīdzinoši zemām izmaksām. Ja ražotājs pārdod vienu miljonu automašīnu, Lohrenz saka, izmaksas varētu būt mazākas par 5 USD par transportlīdzekli.
Digitālais dzinējs
Radikālākais progress gāzes nobraukuma uzlabošanā būtu, pārtaisot pašu dzinēju. Tas nozīmē pārdomāt gadsimtu veco mehāniku, kas atver un aizver dzinēja vārstus, kas ielaiž degvielas un gaisa maisījumu sadegšanas kamerās un izdala izplūdes gāzes. Gadu desmitiem šo darbu ir veikusi sadales vārpsta. Rotējoša vārpsta, tā pārvieto sviras, kas atver un aizver vārstus aptuveni 100 reizes sekundē fiksētā veidā.
Sadales vārpstas tehnoloģija darbojas labi, taču tā tērē degvielu. Tradicionālā konfigurācija nenodrošina iespēju mainīt modeļus, lai, piemēram, nodrošinātu daudz jaudas paātrinājumam uz šosejas un samazinātu nevajadzīgu enerģijas taupīšanas degvielas patēriņu, braucot pa šoseju. Tomēr pēdējos gados inženieri ir pievienojuši sadales vārpstai mehānisku aprīkojumu, ļaujot nedaudz uzlabot vārstu vadību. Šī vadība ietver, piemēram, iespēju atvērt vārstus tikai daļēji, ja ir nepieciešama maza jauda. Honda un BMW ir izstrādājuši un uzstādījuši šādas mainīgas vārstu sistēmas daudzos sērijveida automobiļos, uzlabojot degvielas ekonomiju par 5 līdz 10 procentiem.
Taču galīgā virzība uz optimizāciju atmet sadales vārpstu. Tā vietā elektromehāniskie izpildmehānismi nodrošinātu programmatūras vadītu vadību katram vārstam (skatiet zemāk esošo The Camless Engine) . Nodrošinot pilnīgu kontroli pār katra vārsta kustības laiku, pacelšanos un ilgumu, šāds bezkameru dzinējs optimizē jaudas padevi ar mazāko iespējamo degvielu pie katra dzinēja griešanās ātruma. Ienesīgums ir milzīgs: bezkameru dzinējs varētu uzlabot degvielas ekonomiju par 10–18 procentiem, vienlaikus palielinot dzinēja griezes momentu par 15–20 procentiem pie maziem apgriezieniem, lai nodrošinātu ātrāku paātrinājumu.
Džona Makneila ilustrācija
Problēma ir tāda, ka, lai novērstu pārmērīgu nodilumu un samazinātu dzinēja troksni un vibrāciju, vārstiem pirms nosēšanās ir jāpalēninās. Sadales vārpsta, kaut arī salīdzinoši neefektīva, to dara diezgan labi, pateicoties tās olveida formai, kas vārsta kustībā rada atbilstošu paātrinājumu un palēninājumu. Izpildmehānismi ir dažādi; tie slīd uz augšu un uz leju, ieslēdzas un izslēdzas. Veids, kā padarīt izpildmehānismus tikpat maigus kā sadales vārpstas, ir saistīts ar aparatūras un programmatūras kombināciju, un daudzi uzņēmumi strādā pie šīs problēmas. Anna Stefanopoulou, Mičiganas universitātes mehāniķa inženiere, jau ir izstrādājusi vairākas daudzsološas programmatūras shēmas. Pagājušā gada laikā Stefanopoulou komanda ir optimizējusi vairākus algoritmus un tagad pārbauda veidus, kā izmantot atgriezenisko saiti no vārstiem, lai panāktu ātrgaitas kustību ar maigu nosēšanos. Tikmēr, lai atvieglotu šo mīksto piezemēšanos, Mohammad Haghgooie, Ford Motor fiziķis, testē atsperes un pneimatiskos un hidrauliskos amortizatorus, lai samazinātu vārstu triecienu, tos nepalēninot. Ja šie elektromehānisko vārstu programmatūras un aparatūras uzlabojumi būs veiksmīgi, 2008. gadā tirgū varētu tikt piedāvāts bezkameru dzinējs, saka Haghgooie.
Bremze progresam
Ne visas progresīvās degvielas patēriņa efektivitātes tehnoloģijas joprojām ir attīstības stadijā. Pat bez bezkameru dzinējiem un sarežģītas programmatūras ir pieejamas dažādas tehnoloģijas labākas degvielas patēriņa efektivitātes sasniegšanai. Sarakstā ir iekļauta nepārtraukti mainīga transmisija. Atšķirībā no mūsdienu automātiskajām pārnesumkārbām, kurām parasti ir četri fiksēti pārnesumu skaitļi, kas nofiksējas vietā, kad dzinēja griešanās ātrums palielinās līdz noteiktam līmenim, nepārtraukti mainīga pārnesumkārba nodrošina jebkuru no bezgalīga pārnesumu attiecību diapazona lidojuma laikā. Nīderlandes uzņēmums patentēja tehnoloģiju pirms gadu desmitiem; tagad patenti beidzas, un transmisija jau tiek uzstādīta dažiem modeļiem ASV. Atmaksa var būt liela: 2002. gada Saturn VUE bezpakāpju mainīgā transmisija palielina degvielas ekonomiju par 7 līdz 11 procentiem, norāda General Motors.
Uzlabojumi degvielas iesmidzināšanā ir arī plauktā, pateicoties nesenajam progresam, kas pazīstams kā benzīna tiešā iesmidzināšana. Aizstājot tradicionālo netiešās iesmidzināšanas dzinēju ar šo tehnoloģiju, 2002. gada Volkswagen Polo ir uzlabojis degvielas ekonomiju braukšanai pilsētā par 13 procentiem. Ieguvums rodas no degvielas un gaisa sajaukšanās dinamikas izmantošanas. Tradicionālajā netiešās iesmidzināšanas iestatījumā gāze un gaiss tiek sajaukti ārpus cilindra un pēc tam tiek ievadīti. Izmantojot tiešo iesmidzināšanu, degviela un gaiss sāk sajaukties tikai tad, kad tie atrodas cilindrā, ļaujot dzinējam izmantot īpaši liesu degvielas maisījumu vienmērīgas, mazjaudas braukšanas laikā.
Kopumā pieejamo tehnoloģiju netrūkst, un tās ir gandrīz gatavas lietošanai automobiļu rūpniecībā. Un tomēr SUV joprojām vidēji sasniedz tikai 21 mpg. Vaicāta, kāpēc, General Motors Indra min pazīstamus nozares argumentus: inovācijas ir pārāk dārgas; jaunas sastāvdaļas palielina svaru, liedzot priekšrocības. Viņš arī saka, ka svara samazināšana, kas saskaņā ar DiCicco pētījumu veido gandrīz vienu trešdaļu no formulas, lai palielinātu nobraukumu, samazina drošību. Tas ir arguments, ko nozare izmantoja kā daļu no lobēšanas, lai pagājušā gada martā iznīcinātu stingrākus tiesību aktus par degvielas patēriņa efektivitāti.
Rolands Hvangs, transportlīdzekļu eksperts no Nacionālās resursu aizsardzības padomes, vides grupas, kas atrodas Ņujorkā, saka, ka šis arguments ir bezatbildīgs. Viņš apgalvo, ka autoražotāji veicina patērētāju bažas par drošību, lai pārliecinātu viņus iegādāties lielākus transportlīdzekļus, kas, pēc viņa teiktā, dod vislielāko peļņu. Viņš atzīmē, ka federālās un apdrošināšanas nozares testi liecina, ka SUV drošības rādītāji ir aptuveni tādi paši kā citām automašīnām. Pat Honda America vides un enerģijas analīžu vadītājs Džons Germans piekrīt, ka, ja visi transportlīdzekļi svērtu par 100 mārciņām mazāk, tas neietekmētu drošību.
Galvenais ir vienkārši tas, ka bez Vašingtonas vai sabiedrības mandāta automobiļu rūpniecībai ir maz motivācijas mainīties. Dags Patons, Denso International America vecākais viceprezidents Sautfīldā, MI, aplūko šo tēmu perspektīvā: Ko pieprasa klients? Ko valdība pieprasa? Tā mēs uz to skatāmies.
Pētniekiem tā ir atturoša runa. MIT Heywood saka, ka lielākā daļa šo tehnoloģiju ir izstrādātas gadiem ilgi. Viņš saka, ka, ja autoražotāji vēlētos, viņi varētu viegli padarīt tos lētus un uzticamus. Automašīnu kompānijas saviem inženieriem nepiešķir pietiekami daudz atzinības, lai viņi varētu atrisināt praktiskas problēmas, saka Heivuds. Kamēr vadība nesaka: Labi, ķersimies pie tā, tehnoloģija nepārspēj progresīvu izstrādes prototipu. Viņš piebilst, ka šādu pasūtījumu došana nenotiks, kamēr vadība neuzskatīs, ka tai ir pierādījumi, ka tehnoloģija liks produktu pārdot tirgū vai radīs jaunu tirgu.
Pat ja tiek pieņemti stingri jauni efektivitātes likumi, citi atzīmē, nesenā vēsture liecina, ka automobiļu rūpniecība nepievienosies bez cīņas. Nozares līderi cīnījās ar katalizatoriem. Viņi cīnījās ar drošības jostām. Viņi teica, ka gaisa spilveni bankrotēs nozari. Bet, tiklīdz prasības ir izpildītas, viņi atrod veidu, atzīmē Hvangs.
Pagaidām automobiļu rūpniecība joprojām ir apmierināta, piepildot izstāžu zāles ar daudzgadīgiem gāzes cūkām. Taču efektīvākas tehnoloģijas un programmatūra to kontrolei gaida pēdējo virzību uz masveida ražošanu.