Warum kein 40-MPG-SUV?

Um einen Eindruck von den Fortschritten der Autoindustrie bei der Kraftstoffeffizienz zu bekommen, suchen Sie nicht weiter als den 2002 Chevy Blazer. Das Modell mit Automatikgetriebe, sechs Zylindern und Allradantrieb erreicht 18 Meilen pro Gallone (mpg), zwei Meilen weniger als ein vergleichbar ausgestatteter Blazer im Jahr 1985. Tatsächlich war in diesen 17 Jahren der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch der gesamten Flotte von US-Pkw und Light Trucks gingen von 26 mpg auf 24 mpg zurück, teilweise wegen des steigenden Anteils spritfressender Sport-Utility-Vehicles (SUVs). Doch im März, als Lobbyisten der Autoindustrie behaupteten, dass der Bau kraftstoffsparender Autos zu schwierig sei, hat der US-Senat erneut Gesetze abgeschafft, die die durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchsstandards des Landes anheben würden. Es war ein vertrauter Tanz; Der Kongress hat die Standards in diesen 17 Jahren kein einziges Mal angehoben.

Es ist nicht so, dass sich die Automobiltechnologien nicht verbessert hätten; Es ist so, dass die Verbesserungen auf die Bereitstellung von Leistung und nicht auf Effizienz ausgerichtet sind. Seit 1981 hat die Autoindustrie die PS-Leistung um 84 Prozent gesteigert, sodass Fahrzeuge schneller beschleunigen können, obwohl sie schwerer geworden sind, so die US-Umweltschutzbehörde. Das wollen die Verbraucher, sagt Fritz Indra, Executive Director Advanced Engineering der Division Powertrain von General Motors. Die Amerikaner wollen jedes Jahr ein bisschen mehr Platz im Inneren, ein bisschen mehr Leistung.

Aber ist es wirklich zu schwierig, ein preisgünstiges SUV zu bauen, das 40 mpg erreichen kann und trotzdem die Leistung, den Komfort und die reduzierten Emissionen bietet, die die Verbraucher erwarten? Überraschend ist, dass es in Industrie- und Universitätslabors eine Reihe von Technologien zur Kraftstoffeffizienz gibt. Noch erstaunlicher ist, dass viele dieser Technologien auf dem konventionellen Verbrennungsmotor basieren. Sie benötigen keine komplexen Elektro-Gas-Hybrid-Antriebsstränge wie unter den Hauben des Toyota Prius und Honda Insight (siehe Visualisieren ). Sie basieren auch nicht auf etwas so Exotischem wie Brennstoffzellen. Wenn die Automobilindustrie einige Unternehmens-PS in die Produktion dieser Technologien investieren würde – und das ist angesichts der fehlenden US-amerikanischen Vorschriften und der fehlenden Verbrauchernachfrage ein großes Problem – könnten die Spritspartechnologien innerhalb von fünf Jahren in den Ausstellungsräumen Einzug halten. Tatsächlich könnte Detroit, wenn es wollte, bis zum Ende des Jahrzehnts einen 40-mpg-SUV herstellen.



Die Gewinne würden größtenteils aus neuen Technologien wie verbesserten Steuerungssystemen resultieren, die Energieverluste in Motor und Getriebe minimieren, sowie effizienten elektrischen Komponenten – von Wasserpumpen bis zu Motorventilen – die riemengetriebene mechanische Systeme ersetzen könnten. Bestehende Technologien wie fortschrittliche Getriebe und Kraftstoffeinspritzsysteme könnten ebenfalls eine Schlüsselrolle spielen, wenn sie breiter eingesetzt würden.

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Wenn alle neuen Autos und leichten Lastwagen verfügbare und aufkommende Benzinspartechnologien übernehmen würden, würde der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch von US-Autos von heute 27 mpg auf 46 mpg steigen. Und SUVs könnten durchschnittlich 40 mpg betragen, gegenüber den heutigen 21 mpg, laut einer kürzlich durchgeführten Studie, die teilweise von John DeCicco, einem Senior Fellow bei Environmental Defense, einer in New York City ansässigen Umweltgruppe, erstellt wurde. (Die Studie wurde gemeinsam von Feng An, einem Modellierungsexperten am Argonne National Laboratory, und Marc H. Ross, einem Physiker und Experten für Automobilpolitik an der University of Michigan, verfasst.) Zwei Drittel des Nutzens würden aus der Verbesserung des Antriebsstrangs resultieren , und der Rest würde durch die Reduzierung des Gewichts und die Reduzierung des Luft- und Rollwiderstands entstehen. Und obwohl die Verkaufspreise von Fahrzeugen je nach Modell um 1.000 bis 2.000 Dollar steigen würden, würden die Verbraucher innerhalb von fünf Jahren so viel an der Zapfsäule sparen. Der Branche mangelt es nicht an der Technologie, ihr fehlt die Priorität, sagt DeCicco.

Solche Verbesserungen des Benzinverbrauchs hätten enorme Auswirkungen auf die Ölabhängigkeit der USA und die Umwelt. Laut der Union of Concerned Scientists würde die Nation, wenn sich der Treibstoffverbrauch der US-Flotte auf 40 mpg verbessern würde, zwei Millionen Barrel Öl pro Tag einsparen – 75 Prozent des gesamten Öls, das die Vereinigten Staaten aus dem Nahen Osten importieren. Und es könnte eine Reduzierung der Treibhausgase um 30 Prozent bedeuten, hauptsächlich Kohlendioxid.

Autohersteller - ohne die wesentliche Wahrheit solcher Zahlen zu diskutieren - sagen, dass zuverlässige, erschwingliche Versionen dieser neuen Komponenten und Softwaresteuerungen schwieriger zu implementieren sind, als es den Anschein hat. Aber die Hersteller haben, obwohl sie in Bezug auf Produktionspläne charakteristisch verschwiegen sind, fortschrittliche Prototypen dieser Technologien entwickelt und sogar frühe Einheiten in einigen Fahrzeugen installiert. Da viele dieser Technologien leicht verfügbar sind und auf dem Verbrennungsmotor basieren, könnten sie in den nächsten Jahren enorme Auswirkungen haben. Hier steckt viel Potenzial, sagt John Heywood, Direktor des Sloan Automotive Laboratory am MIT. Es ist unsere größte Hoffnung, die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch unserer ständig wachsenden Fahrzeugflotte weiter zu senken.

Schnellstarts

Eine höhere Kraftstoffeffizienz beginnt mit einigen scheinbar einfachen Ideen, zum Beispiel dem Abschalten des Motors, um unnötigen Leerlauf zu vermeiden, wenn das Auto nicht fährt. Aber damit ein Motor an jeder roten Ampel abstellen kann, bräuchte das Fahrzeug ein Hochleistungsgerät, das den Motor sofort wieder starten kann – viel schneller als ein herkömmlicher Anlasser –, wenn der Fahrer aufs Gas geht. Klingt einfach. Aber frühe Versionen waren im Allgemeinen zu langsam oder zu laut, um die Fahrer zufrieden zu stellen.

neueste technologische Fortschritte

Das ändert sich. Mehrere Automobilzulieferer haben Prototypen von integrierten Starter-Generatoren gebaut, die sowohl den Anlasser als auch die Lichtmaschine ersetzen und die schnell genug sind, um den Motor in weniger als einer halben Sekunde durchzudrehen (siehe Ein Ende des Leerlaufs unten) . Das große Problem sei die Kostensenkung, sagt Thomas Keim, ein Elektroingenieur am MIT, der ein MIT-Industriekonsortium für fortschrittliche Automobilelektronik leitet.


Illustration von John MacNeil

Die meisten Konstruktionen verwenden Induktionsmotoren, die von einer teuren Elektronik gesteuert werden müssen, die schnell zwischen den Doppelrollen des Starter-Generators wechseln kann, nämlich den Motor zu starten und als Generator zur Stromerzeugung zu fungieren. Aber das MIT-Konsortium hat einen Starter-Generator mit einer einfacheren Version der Elektronik entwickelt, der die Kosten um 20 Prozent senken könnte. In der Automobilwelt verdrängt eine um 20 Prozent günstigere Technologie die teurere Alternative vom Markt, sagt Keim. Ford hat einen Prototyp des Designs des Konsortiums gebaut und erste Tests abgeschlossen. Aber es gibt noch eine weitere Hürde: die Schwierigkeit, genug Strom zu erzeugen, um solche Geräte am Summen zu halten. Schnelles Ankurbeln kostet viel Kraft. Wie die meisten anderen experimentellen Starter-Generatoren arbeitet das MIT-Gerät, das in Erwartung einer Zukunft gebaut wurde, in der Autos einen höheren Spannungsstandard verwenden, mit 42 Volt. Das Problem ist, dass praktisch alle heutigen Autos noch ein 12-Volt-System verwenden. (Ausnahmen sind Gas-Elektro-Hybride und eine 42-Volt-Luxuslimousine von Toyota, die nur in Japan verkauft wird.) Die Anbindung eines Starter-Generators an ein 12-Volt-System ist theoretisch möglich, aber der Starter-Generator ist nur einer von einer wachsenden Zahl fortschrittlicher Kfz-Elektrokomponenten auf Reißbrettern der Industrie. Zusammengenommen überschreiten sie die Grenzen des Systems. Einige Branchenexperten sagen, dass die Spannungsverschiebung Jahre dauern wird: Der Austausch eines gesamten elektrischen Systems – das bei einem Neuwagen in der Regel so viel kostet wie Motor und Getriebe zusammen – ist eine teure und komplexe Aufgabe. Aber auch ohne vollständigen Ersatz könnte ein Notlösungsansatz für eine Spannungserhöhung sorgen. Hersteller arbeiten daran, 42-Volt-Systeme neben bestehenden 12-Volt-Systemen zu installieren. Das bestehende Low-Power-System würde bestehen bleiben und bekannte leichte Geräte wie Lichter, Radios, elektrisch verstellbare Sitze und Fenstermotoren weiterhin mit Strom versorgen. Das neue Hochleistungssystem würde nur Hochleistungsgeräten wie Starter-Generatoren und elektrischen Kompressoren dienen. Das duale System würde offensichtlich zusätzliche Kosten verursachen, sagt Xingyi Xu, ein Ingenieur am Ford Research Laboratory in Dearborn, MI. Autohersteller müssten erhebliche Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch und beim Verbraucherkomfort erzielen, sagt er, daher ist es derzeit schwierig, diese Rechtfertigung zu machen. Selbst wenn es vertretbar wäre, würden solche Systeme mindestens fünf Jahre brauchen, um auf den Markt zu kommen, sagt Xu. Aber weil sie die nötige Leistung liefern können, um ein durchschnittliches Auto von einer mechanischen in eine effizientere elektromechanische Maschine zu verwandeln, stellen 42-Volt-Systeme eine Schlüsseltechnologie dar.

Souped Up Software

Neue Geräte wie leistungsstarke Starter-Generatoren würden die Kraftstoffeffizienz erhöhen. Noch mehr Vorteile könnte ein Fahrzeug jedoch erzielen, wenn der gesamte Antriebsstrang elektronisch gesteuert würde.

Jede Komponente könnte kontinuierlich angepasst werden, um bei sich ändernden Fahrbedingungen den geringsten Strombedarf zu verbrauchen, und – was ebenso wichtig ist – könnte für systemweite Einsparungen auf integrierte Weise gesteuert werden. Die Kraftstoffeffizienz wäre noch größer als die Summe der Komponenten, sagt Frank Lohrenz, Elektroingenieur bei Siemens VDO Automotive in Regensburg.

Die Einsparungen könnten erheblich sein. Integrierte Software-Steuerungssysteme könnten die Kraftstoffeffizienz um 10 % steigern (siehe Das vernetzte Auto, TR September 2002) . Die Software von Siemens beispielsweise optimiert die Drehmomentabgabe – die Drehkraft des Antriebsstrangs. Dazu registriert das System elektronisch, wie weit und wie schnell der Fahrer das Gaspedal durchdrückt. Dann liefert er durch die elektronische Steuerung grundlegender mechanischer Komponenten wie Motor, Getriebe und einem zukünftigen Starter-Generator das angeforderte Drehmoment. Die Technologie von Siemens berücksichtigt 20 Parameter – darunter Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl und Getriebegang –, bevor entschieden wird, wie das Drehmoment aus den kombinierten Anstrengungen von Motordrosselung, Getriebeübersetzung und Starter-Generator-Aktivierung am besten bereitgestellt wird.

Ingenieure haben traditionell jede Komponente als eigenständige Einheit betrachtet, aber das Interesse an integrierter Steuerung ist groß, weil sie billig ist: Die integrierte Steuerung hängt weitgehend von Software ab, und daher ist ihre Kraftstoffeffizienzsteigerung um 10 Prozent relativ kostengünstig. Wenn ein Hersteller eine Million Autos verkauft, könnten die Kosten weniger als 5 US-Dollar pro Fahrzeug betragen, sagt Lohrenz.

Digitale Engine

Der radikalste Fortschritt zur Verbesserung des Benzinverbrauchs würde durch eine Überarbeitung des Motors selbst erfolgen. Dies bedeutet, die jahrhundertealte Mechanik zu überdenken, die die Motorventile öffnet und schließt, die ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Brennräume lassen und Abgase freisetzen. Seit Jahrzehnten übernimmt eine Nockenwelle diese Aufgabe. Als rotierende Welle bewegt er Hebel, die Ventile etwa 100 Mal pro Sekunde in einem festen Muster öffnen und schließen.

Die Nockenwellentechnologie funktioniert gut, aber sie verschwendet Kraftstoff. Die traditionelle Konfiguration bietet keine Möglichkeit, das Muster zu ändern, um beispielsweise viel Kraft zum Beschleunigen auf einer Autobahn zu liefern und unnötigen kraftsparenden Kraftstoff zu reduzieren - bei Autobahn-Reisegeschwindigkeiten. In den letzten Jahren haben Ingenieure der Nockenwelle jedoch mechanische Ausrüstung hinzugefügt, die eine verbesserte Ventilsteuerung ermöglicht. Diese Steuerung beinhaltet zum Beispiel die Möglichkeit, Ventile nur teilweise zu öffnen, wenn wenig Leistung benötigt wird. Honda und BMW haben in vielen Serienfahrzeugen solche variablen Ventilsysteme entwickelt und eingebaut, die den Kraftstoffverbrauch um 5 bis 10 Prozent senken.

Aber der ultimative Schritt in Richtung Optimierung wirft die Nockenwelle weg. Stattdessen würden elektromechanische Aktuatoren eine softwaregesteuerte Steuerung für jedes Ventil bereitstellen (Siehe The Camless Engine, unten) . Durch die vollständige Kontrolle über das Timing, den Hub und die Dauer jeder Ventilbewegung optimiert ein solcher nockenloser Motor die Leistungsabgabe mit dem geringstmöglichen Kraftstoffverbrauch bei jeder Motordrehzahl. Der Gewinn ist enorm: Ein nockenloser Motor könnte den Kraftstoffverbrauch um 10 bis 18 Prozent senken und gleichzeitig das Motordrehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten um 15 bis 20 Prozent erhöhen, um eine schnellere Beschleunigung zu erzielen.


Illustration von John MacNeil

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Das Problem besteht darin, dass die Ventile vor der Landung abgebremst werden müssen, um übermäßigen Verschleiß zu verhindern und Motorgeräusche und -vibrationen zu minimieren. Eine Nockenwelle, wenn auch relativ ineffizient, tut dies dank ihrer eiförmigen Form recht gut, die eine entsprechende Beschleunigung und Verzögerung der Ventilbewegung erzeugt. Aktuatoren sind unterschiedlich; sie knallen auf und ab, an und aus. Aktuatoren so sanft wie Nockenwellen zu machen, erfordert eine Kombination aus Hard- und Software, an der viele Unternehmen arbeiten. Anna Stefanopoulou, Maschinenbauingenieurin an der University of Michigan, hat bereits mehrere vielversprechende Softwareprogramme entworfen. Im vergangenen Jahr hat das Team von Stefanopoulou mehrere Algorithmen optimiert und testet nun Möglichkeiten, das Feedback der Ventile zu nutzen, um eine Hochgeschwindigkeitsbewegung mit sanften Landungen zu erreichen. Um diese sanfte Landung zu erleichtern, testet Mohammad Haghgooie, Physiker bei Ford Motor, Federn sowie pneumatische und hydraulische Dämpfer, um den Aufprall von Ventilen zu verringern, ohne sie zu verlangsamen. Bei Erfolg könnten diese Verbesserungen der elektromechanischen Ventilsoftware und -hardware 2008 einen nockenlosen Motor auf den Markt bringen, sagt Haghgooie.

Bremse für den Fortschritt

Nicht alle fortschrittlichen Technologien zur Kraftstoffeffizienz befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Auch ohne nockenwellenlose Motoren und ausgeklügelte Software stehen verschiedene Technologien zur Erzielung einer besseren Kraftstoffeffizienz zur Verfügung. Die Liste umfasst das stufenlose Getriebe. Im Gegensatz zu heutigen Automatikgetrieben, die in der Regel über vier feste Übersetzungsverhältnisse verfügen, die bei einer Erhöhung der Motordrehzahl auf ein bestimmtes Niveau rasten, liefert ein stufenloses Getriebe im laufenden Betrieb einen unendlichen Übersetzungsbereich. Ein niederländisches Unternehmen hat die Technologie vor Jahrzehnten patentieren lassen; jetzt laufen die Patente aus und in den USA wird das Getriebe bereits in einigen Modellen verbaut. Die Auszahlung kann groß sein: Im Saturn VUE von 2002 erhöht das stufenlose Getriebe den Kraftstoffverbrauch laut General Motors um 7 bis 11 Prozent.

Verbesserungen bei der Kraftstoffeinspritzung sind auch dank eines jüngsten Fortschritts, der als Benzindirekteinspritzung bekannt ist, in der Schublade. Durch den Ersatz des traditionellen Motors mit indirekter Einspritzung durch diese Technologie hat der Volkswagen Polo 2002 den Kraftstoffverbrauch für den Stadtverkehr um 13 Prozent gesenkt. Der Vorteil ergibt sich aus der Nutzung der Dynamik der Mischung von Kraftstoff und Luft. Bei der traditionellen indirekten Einspritzung werden Gas und Luft außerhalb des Zylinders gemischt und dann eingespritzt. Bei der Direkteinspritzung beginnen sich Kraftstoff und Luft erst dann zu vermischen, wenn sie sich im Zylinder befinden, sodass der Motor bei gleichmäßiger Fahrt mit geringer Leistung ein ultramageres Kraftstoffgemisch verwenden kann.

Alles in allem mangelt es nicht an Technologie, die fast reif für die Autoindustrie ist. Und doch bekommen SUVs immer noch einen Durchschnitt von nur 21 mpg. Auf die Frage nach dem Grund führt Indra von General Motors bekannte Argumente aus der Branche an: Innovationen sind zu teuer; Neue Komponenten erhöhen das Gewicht und negieren die Vorteile. Er sagt auch, dass die Gewichtsreduktion, die laut der DiCicco-Studie fast ein Drittel der Formel zur Steigerung der Kilometerleistung ausmacht, die Sicherheit senkt. Das ist das Argument, das die Industrie im Rahmen ihres Lobbying-Blitzes im vergangenen März verwendet hat, um strengere Gesetze zur Kraftstoffeffizienz zu vernichten.

Roland Hwang, ein Fahrzeugexperte beim National Resources Defense Council, einer Umweltgruppe mit Sitz in New York City, hält diese Argumentation für unverantwortlich. Er behauptet, die Autohersteller schüren die Sicherheitsängste der Verbraucher nur, um sie zum Kauf größerer Fahrzeuge zu bewegen, die seiner Meinung nach die höchsten Gewinne abwerfen. Er stellt fest, dass Tests der Bundes- und Versicherungsbranche zeigen, dass die Sicherheitsbilanz von SUVs ungefähr der von anderen Autos entspricht. Sogar Honda Americas Manager für Umwelt- und Energieanalysen, John German, stimmt zu, dass es keine Auswirkungen auf die Sicherheit geben würde, wenn alle Fahrzeuge 100 Pfund weniger wiegen würden.

Der größere Punkt ist einfach, dass die Autoindustrie ohne Mandat von Washington oder der Öffentlichkeit wenig Motivation hat, sich zu ändern. Doug Patton, Senior Vice President bei Denso International America in Southfield, MI, relativiert das Thema: Was fordert der Kunde? Was verlangt die Regierung? So sehen wir es.

Für Forscher ist dies ein entmutigendes Gerede. Heywood vom MIT sagt, dass die meisten dieser Technologien seit Jahren in der Entwicklung sind. Wenn die Autohersteller wollten, sagt er, könnten sie sie ohne weiteres kostengünstig und zuverlässig herstellen. Die Autokonzerne zollen ihren Ingenieuren nicht genug Anerkennung, um praktische Probleme lösen zu können, sagt Heywood. Bis das Management sagt: Okay, los geht's“, kommt die Technologie nicht an einem fortgeschrittenen Entwicklungsprototyp vorbei. Er fügt hinzu, dass solche Aufträge nicht erteilt werden, bis das Management der Meinung ist, dass es Beweise dafür hat, dass die Technologie das Produkt auf dem Markt verkaufen oder einen neuen Marktplatz schaffen wird.

Auch wenn strenge neue Effizienzgesetze verabschiedet werden, weisen andere darauf hin, dass die jüngste Geschichte darauf hindeutet, dass die Autoindustrie nicht kampflos beitreten wird. Branchenführer kämpften gegen Katalysatoren. Sie kämpften gegen Sicherheitsgurte. Sie sagten, Airbags würden die Branche bankrott machen. Aber sobald die Anforderungen erfüllt sind, finden sie einen Weg, bemerkt Hwang.

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Vorerst begnügt sich die Autoindustrie noch damit, Ausstellungsräume mit mehrjährigen Benzinfressern zu füllen. Aber effizientere Technologien – und die Software zu ihrer Steuerung – warten auf den endgültigen Schub in die Massenproduktion.

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