211service.com
Waarom geen SUV van 40 MPG?
Om een idee te krijgen van de vooruitgang van de auto-industrie op het gebied van brandstofefficiëntie, hoeft u niet verder te zoeken dan de Chevy Blazer uit 2002. Het model met automatische transmissie, zes cilinders en vierwielaandrijving haalt 18 mijl per gallon (mpg), twee mijl minder dan een vergelijkbaar uitgeruste Blazer in 1985. Inderdaad, in die 17 jaar was het gemiddelde brandstofverbruik van de hele vloot van Amerikaanse auto's en lichte vrachtwagens daalden van 26 mpg naar 24 mpg, deels vanwege het toenemende aandeel benzineslurpende sport-utility-voertuigen (SUV's). Maar in maart, toen lobbyisten van de auto-industrie beweerden dat het bouwen van zuinigere auto's te moeilijk zou zijn, heeft de Amerikaanse senaat opnieuw wetgeving afgeschaft die de normen voor het gemiddelde bedrijfsbrandstofverbruik van het land zou verhogen. Het was een bekende dans; Het congres heeft de normen in diezelfde 17 jaar niet één keer verhoogd.
Het is niet zo dat autotechnologieën niet zijn verbeterd; het is dat de verbeteringen zijn gericht op het leveren van kracht, niet op efficiëntie. Sinds 1981 heeft de auto-industrie het vermogen van 84 procent verhoogd, waardoor voertuigen sneller kunnen accelereren, ook al zijn ze zwaarder geworden, volgens het Amerikaanse Environmental Protection Agency. Dat is wat consumenten willen, zegt Fritz Indra, uitvoerend directeur geavanceerde engineering voor de Powertrain-divisie van General Motors. Elk jaar willen Amerikanen een beetje meer ruimte binnen, een beetje meer kracht.
Maar is het echt te moeilijk om een redelijk geprijsde SUV te bouwen die 40 mpg kan halen en toch de prestaties, het comfort en de verminderde uitstoot kan leveren die consumenten verwachten? Het verrassende feit is dat er een assortiment brandstofefficiëntietechnologieën bestaat in industriële en universitaire laboratoria. Nog verrassender is dat veel van deze technologieën gebaseerd zijn op de conventionele verbrandingsmotor. Ze hebben geen complexe hybride aandrijflijnen op elektrisch gas nodig, zoals die onder de motorkap van de Toyota Prius en Honda Insight (zie Visualiseren ). Ze zijn ook niet gebaseerd op zoiets exotisch als brandstofcellen. Als de auto-industrie wat zakelijke pk's zou inzetten om deze technologieën in productie te nemen - en dat is een grote als, gezien het gebrek aan Amerikaanse regelgeving en de vraag van de consument - zouden de gasbesparende technologieën binnen vijf jaar in showrooms kunnen beginnen. Inderdaad, als Detroit dat zou willen, zou Detroit tegen het einde van het decennium een SUV van 40 mpg kunnen produceren.
De winst zou grotendeels komen van opkomende technologieën zoals verbeterde controlesystemen die energieverliezen in de motor en transmissie minimaliseren, evenals efficiënte elektrische componenten - van waterpompen tot motorkleppen - die riemaangedreven mechanische systemen zouden kunnen vervangen. Bestaande technologieën, zoals geavanceerde transmissies en brandstofinjectiesystemen, zouden ook een sleutelrol kunnen spelen als ze op grotere schaal zouden worden toegepast.
Als alle nieuwe auto's en lichte vrachtwagens de beschikbare en opkomende gasbesparende technologieën zouden gebruiken, zou het gemiddelde brandstofverbruik van Amerikaanse auto's inderdaad stijgen tot 46 mpg, tegen de huidige 27 mpg. En SUV's zouden gemiddeld 40 mpg kunnen halen, vergeleken met de huidige 21 mpg, volgens een recent onderzoek dat gedeeltelijk is voorbereid door John DeCicco, een senior fellow bij Environmental Defense, een in New York City gevestigde milieugroep. (De studie is mede-auteur van Feng An, een modelleringsexpert bij Argonne National Laboratory, en Marc H. Ross, een natuurkundige en expert op het gebied van autobeleid aan de Universiteit van Michigan.) Tweederde van het voordeel zou komen van het verbeteren van de aandrijflijn , en de rest zou komen van het verminderen van het gewicht en het verminderen van de aerodynamische weerstand en rolweerstand. En hoewel de verkoopprijzen van auto's, afhankelijk van het model, met zo'n $ 1.000 tot $ 2.000 zouden stijgen, zouden consumenten binnen vijf jaar zoveel aan de benzinepomp besparen. De industrie heeft geen gebrek aan technologie, het ontbreekt aan prioriteit, zegt DeCicco.
Dergelijke verbeteringen in het benzineverbruik zouden een enorme impact hebben op de Amerikaanse olieafhankelijkheid en het milieu. Volgens de Union of Concerned Scientists zou het land, als het brandstofverbruik van de Amerikaanse vloot zou verbeteren tot 40 mpg, twee miljoen vaten olie per dag besparen - 75 procent van alle olie die de Verenigde Staten uit het Midden-Oosten importeren. En het zou een vermindering van 30 procent van de broeikasgassen kunnen betekenen, voornamelijk koolstofdioxide.
Hoewel autofabrikanten niet in discussie gaan over de essentiële waarheid van dergelijke cijfers, zeggen ze dat betrouwbare, betaalbare versies van deze nieuwe componenten en softwarecontroles moeilijker te implementeren zijn dan het lijkt. Maar de fabrikanten, die kenmerkend zijn over de productieplannen, hebben geavanceerde prototypes van deze technologieën gemaakt en zelfs vroege eenheden in sommige voertuigen geïnstalleerd. Omdat veel van deze technologieën direct beschikbaar zijn en gebaseerd zijn op de verbrandingsmotor, kunnen ze de komende jaren een enorme impact hebben. Er is hier veel potentieel, zegt John Heywood, directeur van het Sloan Automotive Laboratory aan het MIT. Het is onze beste hoop om de uitstoot en het brandstofverbruik van ons steeds groter wordende wagenpark te blijven verminderen.
Snelle start
Een lager brandstofverbruik begint met een paar ogenschijnlijk eenvoudige ideeën, bijvoorbeeld de motor afzetten om onnodig stationair draaien te voorkomen wanneer de auto stilstaat. Maar om een motor bij elk rood stoplicht uit te schakelen, heeft het voertuig een krachtig apparaat nodig dat de motor onmiddellijk kan herstarten - veel sneller dan een traditionele startmotor - wanneer de bestuurder het gaspedaal indrukt. Klinkt rechttoe rechtaan. Maar vroege versies waren over het algemeen te traag of te lawaaierig om bestuurders tevreden te houden.
Dat is aan het veranderen. Verschillende autoleveranciers hebben prototypes gebouwd van geïntegreerde startgeneratoren, die zowel de startmotor als de dynamo vervangen, die snel genoeg zijn om de motor in minder dan een halve seconde te starten (zie Een einde aan stationair draaien, hieronder) . Het grote probleem is het verlagen van de kosten, zegt Thomas Keim, een MIT-elektrotechnisch ingenieur die een MIT-industrieconsortium leidt op het gebied van geavanceerde auto-elektronica.
Illustratie door John MacNeil
De meeste ontwerpen maken gebruik van inductiemotoren, die moeten worden bestuurd door dure elektronica die snel kan schakelen tussen de dubbele rol van de starter-generator, namelijk het starten van de motor en het optreden als dynamo om elektriciteit op te wekken. Maar het MIT-consortium heeft een starter-generator ontwikkeld met een eenvoudigere versie van de elektronica, die de kosten met 20 procent zou kunnen verlagen. In de autowereld heeft een technologie die 20 procent goedkoper is de neiging om de duurdere keuze uit de markt te verdrijven, zegt Keim. Ford heeft een prototype van het ontwerp van het consortium gebouwd en de eerste tests uitgevoerd. Maar er is nog een andere wegversperring: de moeilijkheid om voldoende stroom te genereren om dergelijke apparaten te laten zoemen. Snel starten kost veel kracht. Net als de meeste andere experimentele starter-generatoren, werkt het MIT-apparaat, gebouwd in afwachting van een toekomst waarin auto's een hogere spanningsstandaard gebruiken, op 42 volt. Het probleem is dat vrijwel alle auto's van tegenwoordig nog steeds een 12 volt-systeem gebruiken. (Uitzonderingen zijn gas-elektrische hybrides en een 42-volt luxe Toyota-sedan die alleen in Japan wordt verkocht.) Het is theoretisch mogelijk om een startgenerator aan een 12-voltsysteem te koppelen, maar de startgenerator is slechts een van een groeiend aantal geavanceerde elektrische auto-onderdelen op industriële tekenborden. Samen overschrijden ze de limieten van het systeem. Sommige experts uit de sector zeggen dat de spanningsverschuiving jaren zal duren: het vervangen van een volledig elektrisch systeem - dat in een nieuwe auto over het algemeen net zoveel kost als de motor en transmissie samen - is een dure en complexe taak. Maar zelfs zonder een volledige vervanging kan een noodoplossing een spanningsboost opleveren. Fabrikanten bedenken manieren om 42-volt-systemen naast bestaande 12-volt-systemen te installeren. Het bestaande systeem met laag vermogen zou op zijn plaats blijven en elektriciteit blijven leveren aan bekende lichte apparatuur zoals lichten, radio's, elektrisch bedienbare stoelen en raammotoren. Het nieuwe krachtige systeem zou alleen geschikt zijn voor zware apparatuur, zoals startgeneratoren en elektrische compressoren. Het dubbele systeem zou uiteraard kosten met zich meebrengen, zegt Xingyi Xu, een ingenieur bij Ford Research Laboratory in Dearborn, MI. Autofabrikanten zouden aanzienlijke winsten moeten zien op het gebied van brandstofverbruik en consumentengemak, zegt hij, dus op dit moment is het moeilijk om die rechtvaardiging te maken. Zelfs als het gerechtvaardigd is, zouden dergelijke systemen minstens vijf jaar nodig hebben om op de markt te komen, zegt Xu. Maar omdat ze het vermogen kunnen leveren dat nodig is om de gemiddelde auto van een mechanische naar een efficiëntere elektromechanische machine te transformeren, vertegenwoordigen 42-voltsystemen een ondersteunende technologie.
Opgevoerde software
Nieuwe apparatuur, zoals krachtige startgeneratoren, zou het brandstofverbruik verhogen. Toch zou een voertuig nog meer winst kunnen behalen als de hele aandrijflijn elektronisch zou worden aangestuurd.
Elk onderdeel kan continu worden aangepast om zo min mogelijk stroom te verbruiken als de rijomstandigheden veranderen en, net zo belangrijk, kan op een geïntegreerde manier worden geregeld voor systeembrede besparingen. Het brandstofverbruik zou zelfs groter zijn dan de som van de componenten, zegt Frank Lohrenz, elektrotechnisch ingenieur bij Siemens VDO Automotive in Regensburg, Duitsland.
De besparingen kunnen aanzienlijk zijn. Geïntegreerde software-besturingssystemen kunnen een brandstofbesparing van 10 procent opleveren (zie The Networked Car, TR september 2002) . De software van Siemens optimaliseert bijvoorbeeld de levering van koppel, de draaikracht van de aandrijflijn. Hiervoor registreert het systeem elektronisch hoe ver en hoe snel de bestuurder het gaspedaal indrukt. Door elektronische besturing van mechanische basiscomponenten zoals de motor, transmissie en een toekomstige startgenerator, levert hij vervolgens het gevraagde koppel. De technologie van Siemens houdt rekening met 20 parameters, waaronder voertuigsnelheid, motortoerental en transmissieversnelling, voordat wordt besloten hoe het koppel het beste kan worden geleverd door de gecombineerde inspanningen van motorgasregeling, overbrengingsverhouding van de transmissie en activering van de startgenerator.
Ingenieurs beschouwden elk onderdeel traditioneel als een op zichzelf staande eenheid, maar er is veel belangstelling voor geïntegreerde besturing omdat het goedkoop is: geïntegreerde besturing is grotendeels afhankelijk van software, en dus komt de 10 procent brandstofefficiëntieverbetering tegen relatief lage kosten. Als een fabrikant een miljoen auto's verkoopt, zegt Lohrenz, kunnen de kosten minder dan $ 5 per voertuig zijn.
digitale motor
De meest radicale vooruitgang voor het verbeteren van het benzineverbruik zou tot stand komen door de motor zelf opnieuw te maken. Dit betekent een heroverweging van de eeuwenoude mechanica die de motorkleppen openen en sluiten, waardoor een mengsel van brandstof en lucht in de verbrandingskamers komt en uitlaatgassen vrijkomen. Decennialang heeft een nokkenas dit werk gedaan. Deze draaiende as beweegt hendels die kleppen ongeveer 100 keer per seconde openen en sluiten in een vast patroon.
De nokkenastechnologie werkt goed, maar verspilt brandstof. De traditionele configuratie biedt geen manier om patronen te veranderen om bijvoorbeeld veel vermogen te leveren voor het accelereren op een snelweg en om te bezuinigen op onnodige energiebesparende brandstof - bij kruissnelheden op de snelweg. In de afgelopen jaren hebben ingenieurs echter mechanische apparatuur aan de nokkenas toegevoegd, waardoor een verbeterde klepregeling mogelijk is. Deze regeling omvat bijvoorbeeld de mogelijkheid om kleppen slechts gedeeltelijk te openen wanneer er weinig vermogen nodig is. Honda en BMW hebben dergelijke variabele klepsystemen in veel productieauto's ontwikkeld en geïnstalleerd, waardoor het brandstofverbruik met 5 tot 10 procent is verbeterd.
Maar de ultieme stap naar optimalisatie gooit de nokkenas weg. In plaats daarvan zouden elektromechanische aandrijvingen softwaregestuurde besturing voor elke klep bieden (zie De Camless Engine, hieronder) . Door volledige controle te bieden over de timing, de lift en de duur van elke klepbeweging, optimaliseert een dergelijke motor zonder motor de vermogensafgifte met zo min mogelijk brandstof bij elk toerental van de motor. Het resultaat is enorm: een ongestuurde motor zou het brandstofverbruik met 10 tot 18 procent kunnen verbeteren en tegelijkertijd het motorkoppel met 15 tot 20 procent kunnen verhogen bij lage snelheden voor snellere acceleratie.
Illustratie door John MacNeil
Het probleem is dat om overmatige slijtage te voorkomen en motorgeluid en trillingen te minimaliseren, kleppen moeten vertragen voordat ze landen. Een nokkenas, hoewel relatief inefficiënt, doet dit vrij goed, dankzij zijn eivormige vorm, die een overeenkomstige versnelling en vertraging in de klepbeweging produceert. Actuatoren zijn anders; ze slaan op en neer, aan en uit. De manier om actuatoren zo zacht als nokkenassen te maken, vereist een combinatie van hardware en software, en veel bedrijven werken aan het probleem. Anna Stefanopoulou, een werktuigbouwkundig ingenieur aan de Universiteit van Michigan, heeft al verschillende veelbelovende softwareprogramma's ontworpen. In het afgelopen jaar heeft het team van Stefanopoulou verschillende algoritmen geoptimaliseerd en test nu manieren om feedback van de kleppen te gebruiken om snelle bewegingen met zachte landingen te bereiken. Ondertussen test Mohammad Haghgooie, een natuurkundige bij Ford Motor, om te helpen bij deze zachte landing, veren en pneumatische en hydraulische dempers om de impact van kleppen te verminderen zonder ze te vertragen. Als dit lukt, kunnen deze verbeteringen in de software en hardware voor elektromechanische kleppen in 2008 een ongestuurde motor op de markt brengen, zegt Haghgooie.
Rem voor vooruitgang
Niet alle geavanceerde technologieën voor brandstofefficiëntie bevinden zich nog in een opkomende fase. Zelfs zonder ongestuurde motoren en geavanceerde software zijn er diverse technologieën beschikbaar om een lager brandstofverbruik te bereiken. De lijst omvat de continu variabele transmissie. In tegenstelling tot de huidige automatische transmissies, die over het algemeen vier vaste overbrengingsverhoudingen hebben die op hun plaats klonteren zodra de rotatiesnelheid van de motor tot een bepaald niveau stijgt, levert een continu variabele transmissie een oneindig aantal overbrengingsverhoudingen tijdens de vlucht. Een Nederlands bedrijf patenteerde de technologie decennia geleden; nu verlopen de patenten en wordt de transmissie al in sommige modellen in de Verenigde Staten geïnstalleerd. De beloning kan groot zijn: in de Saturn VUE 2002 verhoogt de continu variabele transmissie het brandstofverbruik volgens General Motors met 7 tot 11 procent.
Verbeteringen in brandstofinjectie zijn ook op de plank, dankzij een recente vooruitgang die bekend staat als directe benzine-injectie. Door de traditionele motor met indirecte injectie te vervangen door deze technologie, heeft de Volkswagen Polo uit 2002 het brandstofverbruik voor stadsritten met 13 procent verbeterd. Het voordeel komt van het benutten van de dynamiek van hoe brandstof en lucht zich vermengen. Bij de traditionele opstelling met indirecte injectie worden gas en lucht buiten de cilinder gemengd en vervolgens geïnjecteerd. Met directe injectie beginnen brandstof en lucht zich pas te mengen wanneer ze zich in de cilinder bevinden, waardoor de motor een ultraarm brandstofmengsel kan gebruiken tijdens stabiel rijden met laag vermogen.
Al met al is er geen tekort aan technologie die beschikbaar is en bijna klaar voor de auto-industrie om te adopteren. En toch halen SUV's nog steeds een gemiddelde van slechts 21 mpg. Op de vraag waarom, haalt Indra van General Motors bekende brancheargumenten aan: innovaties zijn te duur; nieuwe componenten voegen gewicht toe, waardoor de voordelen teniet worden gedaan. Hij zegt ook dat gewichtsvermindering, die volgens de DiCicco-studie goed is voor bijna een derde van de formule voor het stimuleren van het verminderen van het aantal kilometers in veiligheid. Dat is het argument dat de industrie gebruikte als onderdeel van haar lobbyblitz om de strengere wetgeving op het gebied van brandstofefficiëntie afgelopen maart te vernietigen.
Roland Hwang, een voertuigexpert bij de National Resources Defense Council, een milieugroep in New York City, zegt dat dat argument onverantwoordelijk is. Hij beweert dat de autofabrikanten de angst van de consument over de veiligheid alleen maar aanwakkeren om hen over te halen grotere voertuigen te kopen, die, zegt hij, de hoogste winst opleveren. Hij merkt op dat tests uit de federale en verzekeringssector aantonen dat het veiligheidsrecord van SUV's ongeveer hetzelfde is als dat van andere auto's. Zelfs de manager milieu- en energieanalyses van Honda America, John German, is het ermee eens dat als alle voertuigen 100 pond minder zouden wegen, er geen impact zou zijn op de veiligheid.
Het grotere punt is eenvoudig dat zonder mandaat van Washington of het publiek, de auto-industrie weinig motivatie heeft om te veranderen. Doug Patton, senior vice-president bij Denso International America in Southfield, MI, relativeert het onderwerp: wat eist de klant? Wat vraagt de overheid? Zo kijken wij ernaar.
Voor onderzoekers is dit ontmoedigend praten. Heywood van MIT zegt dat de meeste van deze technologieën al jaren in ontwikkeling zijn. Als de autofabrikanten dat wilden, zouden ze ze gemakkelijk goedkoop en betrouwbaar kunnen maken, zegt hij. De autobedrijven geven hun ingenieurs niet genoeg krediet voor het oplossen van praktische problemen, zegt Heywood. Totdat het management zegt: Oké, laten we er echt voor gaan, komt de technologie niet verder dan een geavanceerd ontwikkelingsprototype. Het geven van dergelijke orders, voegt hij eraan toe, zal pas gebeuren als het management denkt dat het bewijs heeft dat de technologie het product op de markt zal verkopen of een nieuwe markt zal creëren.
Zelfs als er strenge nieuwe efficiëntiewetten worden aangenomen, merken anderen op, suggereert de recente geschiedenis dat de auto-industrie niet zonder slag of stoot zal toetreden. Marktleiders vochten tegen katalysatoren. Ze vochten tegen veiligheidsgordels. Ze zeiden dat airbags de industrie failliet zouden maken. Maar zodra aan de eisen is voldaan, vinden ze een manier, merkt Hwang op.
Voorlopig is de auto-industrie nog steeds tevreden om showrooms te vullen met eeuwige gasvreters. Maar efficiëntere technologieën - en de software om ze te besturen - wachten op die laatste duw in de massaproductie.