Гигантские скачки в технологиях транспортных средств - это мечта: летающие машины, солнечные автомобили, работающие исключительно на солнечной энергии, или двухколесные вертолеты, удерживаемые гироскопами в равновесии. Но путь к более чистым автомобилям будет идти крошечными шагами. Есть место для полностью электрических и даже полуавтономных транспортных средств, но доработка конструкций, которые сжигают бензин, принесет большую часть выгод экономии топлива, ожидаемых в ближайшие десятилетия.
Жадные выходят. Весной этого года средняя экономия топлива всех вновь приобретенных автомобилей поднялась до рекордных 24, 6 миль на галлон, согласно анализу Института транспортных исследований Мичиганского университета (UMTRI). Экономия топлива, несомненно, вырастет еще выше: к 2025 году национальные стандарты требуют, чтобы автопроизводители достигли в среднем не менее 54, 5 миль на галлон для легковых и легких грузовых автомобилей.
Лучшая экономия топлива может помочь в регулировании потребления нефти, и более чем 1, 5 миллиарда тонн выбросов парниковых газов ежегодно кашляют автомобильными транспортными средствами США. И хотя легковые и грузовые автомобили с наилучшей экономией топлива часто продаются с наценкой, увеличение пробега бензина может помочь автомобилистам сэкономить деньги на насосе, где типичное американское домохозяйство сейчас тратит около 4 процентов своего годового дохода.
Когда цены на бензин превышают 4 доллара за галлон, экономия топлива становится одной из главных вещей, которую люди учитывают при покупке автомобиля, говорит Брюс Бельзовски, исследователь UMTRI. Цены колебались вокруг этой отметки по всей стране - хотя в среднем по стране ее не пересекали с 2008 года - и покупатели демонстрируют аппетит к лучшей экономии топлива. «Потребители могут говорить:« Нам нужно больше убираться из этого бака », - говорит Белзовский.
Недавний отчет Национального исследовательского совета показывает, что технически возможно сократить использование нефти и выбросы парниковых газов в автомобилях на 80 процентов к 2050 году по сравнению с уровнями 2005 года. Однако повышение эффективности транспортных средств с обычным двигателем само по себе не будет достаточным для достижения таких значительных сокращений. Автомобили должны были бы в среднем превышать удивительные - и крайне маловероятные - 180 миль на галлон, чтобы достичь этой цели только на основе повышения эффективности. Вот где в игру вступят альтернативные виды топлива и электромобили.
Все транспортные средства, независимо от их источника энергии, должны стать намного более эффективными, если эти цели будут реализованы, но повышение эффективности тех, которые работают на нефти, может оказать наибольшее влияние в ближайшей перспективе. Эти автомобили составляют подавляющее большинство транспортных средств на дорогах сегодня, потребляя примерно треть всего масла, используемого в Соединенных Штатах. И есть много возможностей для совершенствования: всего лишь одна четверть энергии в топливе для современных автомобилей фактически используется для их продвижения по дороге. Большая часть остального теряется в виде тепла в двигателе. Минимизация объема работ, которые должен выполнять газовый двигатель, является одним из самых простых и наименее затратных способов экономии топлива. Ученые, исследователи и производители автомобилей считают, что это может быть достигнуто с помощью нескольких стратегий, многие из которых перечислены ниже:
Новая технология шин
Настраиваемые конструкции шин также могут обеспечить выигрыш за счет снижения сопротивления качению или силы, вызванной сплющиванием шины при ее движении по дороге. Велосипедисты знают, что спущенная шина требует заметно больше работы для ног, чтобы катиться вперед за респектабельный зажим. Точно так же, минимизация степени сплющивания или деформации автомобильной шины благодаря использованию современных материалов и конструкции может уменьшить количество энергии, необходимой только для ее вращения.
Инновации в двигателе
Однако наиболее существенные улучшения, вероятно, произойдут благодаря изменениям в трансмиссии двигателя, говорит Алан Крейн, старший научный сотрудник Совета Национального исследовательского совета по энергетике и окружающей среде и директор по исследованиям в отчете NRC. Трансмиссии с большим числом скоростей, трансмиссии с двумя сцеплениями и антифрикционные покрытия могут помочь двигателям работать с более высокой эффективностью и сократить потери энергии.
Технология, известная как дезактивация цилиндров, является одним из вариантов для автопроизводителей, которые хотят получить менее жаждущий продукт. Это по существу убивает половину двигателя, когда в этом нет необходимости - например, во время движения по шоссе, - но сохраняет дополнительную мощность при разгоне, больших подъемах, перевозке лодок или других ситуациях, требующих более мощного двигателя. «Таким образом, вы переходите с шестицилиндрового двигателя на три», - говорит Брэндон Шеттл, исследователь из UMTRI. Работа на меньшем количестве цилиндров позволяет водителям использовать оба способа: расставлять приоритеты по мощности, когда вам это нужно, и экономить, когда вы этого не делаете.
Уменьшение размера двигателя - это еще один способ повысить эффективность, и это больше не должно происходить за счет производительности. В обычных газовых автомобилях двигатель внутреннего сгорания забирает смесь бензина и воздуха в цилиндр. Поршень движется вверх, чтобы сжать эту смесь, и затем искра зажигает ее, производя взрыв, который приводит поршень вниз. Клапан открывается для выхлопа, чтобы покинуть цилиндр, и цикл начинается снова: впуск, сжатие, сгорание, выхлоп. Турбонаддув, который нагнетает дополнительный воздух в цилиндры двигателя, может позволить двигателям меньшего размера генерировать больше энергии от каждого из этих крошечных взрывов.
«Меньше» обычно означает «легче», а снижение веса автомобиля на 10% приводит к снижению расхода топлива примерно на 7%, отмечает Крейн. К 2050 году в отчете NRC говорится, что автомобили могут весить на 40 процентов меньше. «Это даже без использования большого количества [легкого] углеродного волокна», - говорит Крейн. «Прямо сейчас, почти все в машине просто сталь».
Замена тяжелой стали
Железо и стальные сплавы составляют около 45 процентов веса большинства автомобилей. Но все чаще передовые материалы могут применяться в виде мозаики с легкими деталями, вставленными в различные места в стальной конструкции. «Вы можете усилить детали, которые имеют решающее значение», - говорит Билл Рейнерт, национальный менеджер по передовым технологиям автомобилей Toyota. Высокопрочные стали заменяются на более тонкие и прочные альтернативы обычной стали, а содержание алюминия растет. Композиты из углеродного волокна и магния являются относительно дорогими и сложными материалами для работы сегодня, но в дальнейшем они могут помочь снизить вес некоторых компонентов на целых 75 процентов.
Снижение веса также может иметь эффект домино, так как лишь немногие части автомобиля работают изолированно. «Если вы сможете сэкономить 100 фунтов, вы сможете перейти на более легкий двигатель меньшего размера или уменьшить размер тормозов», - говорит Крейн. В свою очередь, двигатель меньшего размера может означать просто меньше вещей под капотом, что обеспечивает большую гибкость для аэродинамического дизайна, что приводит к еще большей эффективности.
Оптимизированное производство деталей
Достижения в области компьютерного проектирования облегчают оптимизацию отдельных деталей и систем для достижения желаемого результата. «Инструменты улучшаются, - говорит Крейн. «Когда [автопроизводители] придумывают ревизию для автомобиля, они могут подавать гораздо больше информации в компьютер и выяснять, какие из лучших компромиссов можно добиться экономии топлива, а также других факторов».
Настройка на изгибы и углы автомобиля, а также добавление активных жалюзи гриля, которые блокируют воздушный поток, когда он не нужен для охлаждения двигателя, может минимизировать до 5 процентов сопротивления автомобиля на высоких скоростях, что достаточно для уменьшения теплицы автомобиля. Выбросы газа примерно на 1 грамм за милю и дают дополнительную экономию топлива. Но внешние изменения не должны быть существенными для автомобилей, чтобы достигнуть 50 или больше миль к галлону. По словам Крейна, топливная гильза будущего «должна выглядеть почти как современные автомобили».
Однако тщательный осмотр или вращение за рулем может выявить некоторые различия. «Поскольку он значительно легче, [более эффективный автомобиль будущего] может показаться немного другим. Он будет лучше справляться, лучше будет поворачивать за угол », - говорит Крейн. Анализируя возможные пути достижения этих целей 2050 года, команда СРН предполагала, что автомобили будут более или менее сохранены в их нынешнем виде. По словам Крейна, эти машины «будут выглядеть немного более ветренными», но ничего радикального. Транспортные средства «не уменьшаются и не сметаются так, что на заднем сиденье никто не помещается».
Рука помощи от компьютеров
Спустя более чем десятилетие после введения Prius в США, гибриды все еще составляют лишь крошечную полосу общего автомобильного рынка - около трех процентов автомобилей, продаваемых в Соединенных Штатах. Но некоторые технологии в современных гибридах могут помочь широкому кругу машин завтрашнего дня получить лучший расход бензина. Одним из наиболее важных элементов является технология «старт-стоп», которая отключает двигатель, когда автомобиль находится в состоянии покоя, а затем перезапускается, когда водитель нажимает на педаль газа.
У гибридов это часто сочетается с рекуперативным торможением, которое использует кинетическую энергию при замедлении и торможении для зарядки аккумулятора. Затем накопленное электричество можно использовать для перезапуска двигателя. «Регенеративное торможение и запуск-остановка будут в основном очень распространенными элементами дизайна в ближайшие несколько лет», - говорит Крейн.
Конечно, когда дело доходит до экономии топлива, поведение водителя также имеет значение. Разница в расходе топлива между агрессивным водителем со свинцовыми колесами и даже консервативным водителем может достигать 20 процентов. В некоторой степени технологии могут оттолкнуть водителей от их более расточительных тенденций. В то время как автономное вождение вряд ли приведет к появлению автомобилей без водителя, по крайней мере, в ближайшее время, исполнительный директор Renault-Nissan Карлос Гон сказал на недавнем мероприятии в Стэнфордском университете: «Вы увидите много автомобилей с меньше водителя. ”Эти автомобили могут быть оптимизированы для экономии топлива и эффективной маршрутизации.
В более отдаленном будущем перекрестки могут стать местами, где автомобили запрограммированы на замедление и прохождение, а не на резкое торможение или навигацию по кольцевым дорогам, предлагает Schoettle из UMTRI. «Если никто не останавливается, вы улучшили экономию топлива», - отмечает он.
«Было бы замечательно, если бы существовала какая-то волшебная пуля», - говорит Рейнерт из Toyota - технология, которая может сделать грязный автомобиль чистым, и мы никогда не заметим разницу в производительности, выборе, удобстве или цене. Реальность такова, что множество технологий в правильных комбинациях могут иметь большое значение для очистки наших транспортных средств. «Все это мало, - говорит Рейнерт, - но все это складывается».
