Olbrzymi skok technologii samochodowej to marzenia: latające samochody, motocykle słoneczne napędzane wyłącznie energią słoneczną lub dwukołowe śmigłowce utrzymywane w równowadze przez żyroskopy. Ale ścieżka w kierunku czystszych samochodów będzie kroczyć małymi krokami. Jest miejsce na w pełni elektryczne, a nawet półautonomiczne pojazdy, ale poprawki w projektach, które spalają benzynę, przyniosą znaczną część oszczędności paliwa oczekiwanych w nadchodzących dziesięcioleciach.
Guzzlers wychodzą. Tej wiosny średnie zużycie paliwa wszystkich nowo zakupionych samochodów wzrosło tak wysoko, jak to było kiedykolwiek, do 24, 6 mil na galon, zgodnie z analizą z University of Michigan Transportation Research Institute (UMTRI). Oszczędność paliwa z pewnością wzrośnie jeszcze wyżej: do 2025 r. Normy krajowe wymagają, aby producenci samochodów osiągali średnią flotę wynoszącą co najmniej 54, 5 mil na galon dla samochodów osobowych i lekkich ciężarówek.
Większa oszczędność paliwa może pomóc w panowaniu nad zużyciem ropy i ponad 1, 5 miliarda ton emisji gazów cieplarnianych, które rocznie są wytwarzane przez amerykańskie pojazdy drogowe. I chociaż samochody i ciężarówki o najniższym zużyciu paliwa często sprzedają po wyższej cenie, lepszy przebieg gazu może pomóc kierowcom zaoszczędzić pieniądze na pompie, gdzie typowe amerykańskie gospodarstwo domowe wydaje obecnie około 4 procent rocznego dochodu.
Kiedy ceny benzyny przekraczają 4 USD za galon, oszczędność paliwa staje się jedną z najważniejszych rzeczy, które ludzie rozważają przy zakupie pojazdu, mówi Bruce Belzowski, naukowiec z UMTRI. Ceny oscylowały wokół tego znaku w kraju - chociaż średnia krajowa nie przekroczyła go od 2008 r. - a kupujący wykazują apetyt na lepszą oszczędność paliwa. „Konsumenci mogą mówić:„ Musimy wydostać się z tego czołgu ”- mówi Bełzowski.
Niedawny raport National Research Council stwierdza, że technicznie wykonalne jest zmniejszenie zużycia ropy naftowej i emisji gazów cieplarnianych z samochodów o 80 procent do 2050 r. W porównaniu do poziomów z 2005 r. Jednak poprawa wydajności pojazdów napędzanych konwencjonalnie nie wystarczy sama w sobie, aby zapewnić tak radykalne obniżki. Samochody musiałyby osiągnąć średnią z zadziwiającego - i niezwykle mało prawdopodobnego - 180 mil na galon, aby osiągnąć ten cel na podstawie samego przyrostu wydajności. Tutaj będą miały zastosowanie paliwa alternatywne i pojazdy całkowicie elektryczne.
Wszystkie pojazdy, bez względu na źródło zasilania, muszą stać się znacznie bardziej wydajne, jeśli cele te mają zostać zrealizowane, ale poprawa wydajności pojazdów napędzanych ropą naftową może mieć największy wpływ w najbliższym czasie. Samochody te stanowią dziś ogromną większość pojazdów na drodze, zużywając około jedną trzecią oleju zużywanego w Stanach Zjednoczonych. I jest jeszcze wiele do zrobienia, ponieważ zaledwie jedna czwarta energii w paliwie jest wykorzystywana w dzisiejszych samochodach do poruszania się nimi po drodze. Większość reszty jest tracona jako ciepło w silniku. Minimalizacja ilości pracy, jaką musi wykonać silnik gazowy, jest jednym z najłatwiejszych i najmniej kosztownych sposobów oszczędzania paliwa. Naukowcy, badacze i producenci samochodów uważają, że można to osiągnąć za pomocą wielu strategii, z których wiele jest skatalogowanych poniżej:
Nowa technologia opon
Ulepszanie konstrukcji opon może również przynieść korzyści poprzez zmniejszenie oporów toczenia lub siły spowodowanej spłaszczeniem opony podczas toczenia się po drodze. Rowerzyści wiedzą, że płaska opona wymaga zauważalnie więcej pracy nóg, aby móc jeździć z godnym szacunkiem zaciskiem. Podobnie, minimalizacja spłaszczenia lub deformacji opony samochodowej dzięki zaawansowanym materiałom i konstrukcji może zmniejszyć ilość energii potrzebnej tylko do jej utrzymania.
Innowacje silnika
Alan Crane, starszy naukowiec z Rady ds. Systemów Energetycznych i Środowiskowych Krajowej Rady ds. Energii i Systemów Środowiska oraz dyrektor badania raportu NRC, najprawdopodobniej jednak najbardziej radykalna poprawa nastąpi prawdopodobnie dzięki zmianom w przekładni silnika. Przekładnie z większą liczbą prędkości, przekładnie z podwójnym sprzęgłem i powłoki zmniejszające tarcie mogą pomóc silnikom pracować z wyższą wydajnością i zmniejszyć straty energii.
Technologia znana jako dezaktywacja cylindra jest jedną z opcji dla producentów samochodów, którzy pragną mniej spragnionego produktu. To w zasadzie zabija połowę silnika, gdy nie jest potrzebny - na przykład podczas jazdy po autostradzie - ale utrzymuje dodatkową moc na poboczu dla przyspieszenia, dużych podjazdów, holowania łodzi lub innych sytuacji wymagających mocniejszego silnika. „A więc przechodzisz z silnika sześciocylindrowego na trzy”, mówi Brandon Schoettle, badacz z UMTRI. Praca na mniejszej liczbie cylindrów pozwala kierowcom korzystać z nich w obie strony, stawiając na pierwszym miejscu moc, gdy jej potrzebujesz, i oszczędność, gdy jej nie potrzebujesz.
Zmniejszenie rozmiarów silnika to kolejny sposób na zwiększenie wydajności i nie musi już kosztować wydajności. W konwencjonalnych samochodach na gaz silnik wewnętrznego spalania przenosi mieszankę benzyny i powietrza do cylindra. Tłok przesuwa się w górę, aby sprasować tę mieszaninę, a następnie iskra zapala ją, powodując wybuch, który powoduje tłok w dół. Otwiera się zawór wydechowy opuszczający cylinder i cykl zaczyna się od nowa: wlot, sprężanie, spalanie, spaliny. Turbodoładowanie, które wtłacza dodatkowe powietrze do cylindrów silnika, może umożliwić mniejszym silnikom generowanie większej mocy z każdej z tych małych eksplozji.
Mniejszy zwykle oznacza lżejsze, a 10-procentowe zmniejszenie masy samochodu daje około 7-procentowe zmniejszenie zużycia paliwa, zauważa Crane. W raporcie NRC do 2050 r. Stwierdzono, że samochody mogłyby ważyć o 40 procent mniej. „To nawet bez angażowania dużej ilości [lekkiego] włókna węglowego”, mówi Crane. „W tej chwili prawie wszystko w samochodzie to zwykła stal.”
Zastępowanie ciężkiej stali
Żelazo i stopy stali stanowią około 45 procent masy większości samochodów. Jednak coraz częściej zaawansowane materiały mogą być nakładane w sposób układanki, a lekkie elementy umieszczane są w różnych miejscach konstrukcji stalowej. „Możesz wzmocnić kluczowe części” - mówi Bill Reinert, krajowy menedżer ds. Zaawansowanych pojazdów w Toyocie. Wymieniane są stale o wysokiej wytrzymałości jako cieńsze, mocniejsze alternatywy dla zwykłej stali, a zawartość aluminium rośnie. Kompozyty z włókna węglowego i magnezu są dziś stosunkowo drogimi i trudnymi materiałami, ale w dalszej perspektywie mogą pomóc obniżyć masę niektórych komponentów nawet o 75 procent.
Zrzucenie ciężaru może mieć również efekt domina, ponieważ kilka części w samochodzie pracuje osobno. „Jeśli możesz zaoszczędzić 100 funtów, możesz przełączyć się na lżejszy, mniejszy silnik lub zmniejszyć rozmiar hamulców”, mówi Crane. Z kolei mniejszy silnik może oznaczać po prostu mniej rzeczy pod maską, co zapewnia większą elastyczność aerodynamicznej konstrukcji, co prowadzi do jeszcze lepszej wydajności.
Zoptymalizowana produkcja części
Postępy w projektowaniu wspomaganym komputerowo ułatwiają optymalizację poszczególnych części i systemów pod kątem pożądanego rezultatu. „Narzędzia są ulepszane” - mówi Crane. „Gdy [producenci samochodów] opracowują wersję samochodu, mogą wprowadzić do komputera znacznie więcej informacji i dowiedzieć się, jakie są najlepsze kompromisy w zakresie oszczędności paliwa, a także innych czynników.”
Dostosowuje się do krzywych i kątów samochodu, a dodanie aktywnych żaluzji grilla, które blokują przepływ powietrza, gdy nie jest ono potrzebne do chłodzenia silnika, może zminimalizować nawet 5 procent oporu samochodu przy dużych prędkościach, wystarczając do zmniejszenia szklarni pojazdu emisja gazu o około 1 gram na milę, co dodatkowo obniża zużycie paliwa. Ale zmiany zewnętrzne nie muszą być dramatyczne, aby samochody osiągnęły 50 lub więcej mil na galon. Crane mówi, że „przyszłościowy zbiornik na paliwo” powinien „przypominać obecne pojazdy”.
Dokładna kontrola lub obrót za kierownicą może jednak ujawnić pewne różnice. „Ponieważ jest znacznie lżejszy, [bardziej wydajny samochód przyszłości] może wydawać się nieco inny. Poradzi sobie lepiej, będzie lepiej bić za rogiem - mówi Crane. Analizując możliwe ścieżki do tych celów na 2050 r., Zespół NRC założył, że pojazdy będą kontynuowane mniej więcej w obecnej formie. Te samochody „będą wyglądały trochę bardziej smagane wiatrem”, mówi Crane, ale nic radykalnego. Pojazdy „nie zmniejszają się ani nie są tak pochylane do tyłu, że nie można zmieścić nikogo na tylnym siedzeniu”.
Pomocna dłoń od komputerów
Ponad dekadę po wprowadzeniu Priusa w USA hybrydy nadal stanowią jedynie niewielką część całego rynku samochodowego - około trzech procent pojazdów sprzedawanych w Stanach Zjednoczonych. Ale niektóre technologie współczesnych hybryd mogą pomóc w pokonywaniu przyszłościowych samochodów lepszym przebiegiem paliwa. Jednym z najważniejszych elementów jest technologia Start-Stop, która wyłącza silnik, gdy pojazd jest w spoczynku, a następnie uruchamia się ponownie, gdy kierowca naciska na pedał gazu.
W hybrydach jest to często łączone z hamowaniem regeneracyjnym, które wykorzystuje energię kinetyczną podczas zwalniania i hamowania w celu naładowania akumulatora. Zgromadzoną energię elektryczną można następnie wykorzystać do ponownego uruchomienia silnika. „Hamowanie regeneracyjne i start-stop będą w zasadzie bardzo powszechnymi elementami projektu w ciągu najbliższych kilku lat”, mówi Crane.
Oczywiście, jeśli chodzi o zużycie paliwa, ważne jest także zachowanie kierowcy. Różnica w zużyciu paliwa między agresywnym, ołowiowym kierowcą, a zrównoważonym, konserwatywnym może wynosić nawet 20 procent. Do pewnego stopnia technologia może odciągnąć kierowców od ich bardziej marnotrawczych tendencji. Podczas gdy jazda autonomiczna raczej nie doprowadzi do powstania samochodów bez kierowców, przynajmniej w najbliższym czasie, dyrektor generalny Renault-Nissan, Carlos Ghosn, powiedział podczas niedawnego wydarzenia na Uniwersytecie Stanforda, „zobaczysz wiele samochodów z mniej wkładu ze strony kierowcy. ”Samochody te można zoptymalizować pod kątem oszczędności paliwa i wydajnego prowadzenia.
W bardziej odległej przyszłości skrzyżowania mogą być miejscami, w których samochody są zaprogramowane, aby zwalniać i przejeżdżać, zamiast zatrzaskiwać hamulce lub nawigować na rondach, sugeruje Schoettle z UMTRI. „Jeśli nikt nie przestaje, poprawiasz zużycie paliwa” - zauważa.
„Byłoby wspaniale, gdyby pojawiła się jakaś magiczna kula”, mówi Reinert - technologia, która może zmienić brudny samochód w czysty, bez zauważenia przez nas różnicy w wydajności, wyborze, wygodzie lub cenie. Rzeczywistość jest taka, że wiele technologii w odpowiednich kombinacjach może znacznie przyczynić się do oczyszczenia naszych pojazdów. „Wszystkie te rzeczy są małe” - mówi Reinert - „ale wszystko się sumuje”.
