Gigantische sprongen van voertuigtechnologie zijn dromen: vliegende auto's, zonnemobielen die alleen op zonne-energie rijden of tweewielige helikopters die in evenwicht worden gehouden door gyroscopen. Maar het pad naar schonere auto's wordt in kleine stappen bewandeld. Er is plaats voor volledig elektrische en zelfs semi-autonome voertuigen, maar aanpassingen aan ontwerpen die benzine verbranden, zullen veel van de verwachte brandstofbesparing opleveren in de komende decennia.
Guzzlers zijn op weg naar buiten. Dit voorjaar is het gemiddelde brandstofverbruik van alle nieuw aangeschafte auto's gestegen tot 24, 6 mijl per gallon, volgens een analyse van het University of Michigan Transportation Research Institute (UMTRI). Het brandstofverbruik zal zeker nog hoger stijgen: tegen 2025 eisen nationale normen dat autofabrikanten een wagenparkgemiddelde van minstens 54, 5 mijl per gallon voor auto's en lichte vrachtwagens halen.
Een beter brandstofverbruik kan helpen het olieverbruik te beheersen en de meer dan 1, 5 miljard ton broeikasgasemissies die jaarlijks worden opgehoest door Amerikaanse wegvoertuigen. En hoewel auto's en vrachtwagens met het beste brandstofverbruik vaak met een premium verkopen, kunnen verbeterde benzineverbruiken automobilisten helpen geld te besparen bij de pomp, waar een typisch Amerikaans huishouden nu ongeveer 4 procent van zijn jaarlijkse inkomen besteedt.
Wanneer de benzineprijzen hoger zijn dan $ 4 per gallon, is het brandstofverbruik vaak een van de belangrijkste dingen die mensen overwegen bij de aankoop van een voertuig, zegt Bruce Belzowski, een wetenschapper bij UMTRI. De prijzen schommelden nationaal rond dat merk - hoewel het nationale gemiddelde het sinds 2008 niet heeft overschreden - en shoppers tonen een honger naar een beter brandstofverbruik. "Consumenten zeggen misschien:" We moeten meer uit deze tank halen ", zegt Belzowski.
Een recent rapport van de National Research Council vindt dat het technisch haalbaar is om het gebruik van aardolie en de uitstoot van broeikasgassen door auto's tegen 2050 met 80 procent te verminderen, vergeleken met de niveaus van 2005. Het verbeteren van de efficiëntie van conventioneel aangedreven voertuigen zal echter niet voldoende zijn om dergelijke dramatische reducties te realiseren. Auto's zouden gemiddeld een verbazingwekkende - en uiterst onwaarschijnlijk - 180 mijl per gallon moeten halen om dat doel te bereiken op basis van alleen efficiëntiewinsten. Dat is waar alternatieve brandstoffen en volledig elektrische voertuigen in het spel zullen komen.
Alle voertuigen, ongeacht hun krachtbron, moeten veel efficiënter worden om die doelen te realiseren, maar het verbeteren van de efficiëntie van die op aardolie rijden zou op de korte termijn de grootste impact kunnen hebben. Deze auto's vormen vandaag de overgrote meerderheid van de voertuigen op de weg en verbruiken ongeveer een derde van alle olie die in de Verenigde Staten wordt gebruikt. En er is veel ruimte voor verbetering, met slechts een kwart van de energie in brandstof voor hedendaagse auto's die daadwerkelijk worden gebruikt om ze op de weg te verplaatsen. Het grootste deel van de rest gaat verloren als warmte in de motor. Het minimaliseren van de hoeveelheid werk die een gasmotor moet uitvoeren, is een van de gemakkelijkste en goedkoopste manieren om brandstof te besparen. Wetenschappers, onderzoekers en autofabrikanten geloven dat dit kan worden bereikt via meerdere strategieën, waarvan er veel hieronder worden opgesomd:
Nieuwe bandentechnologie
Tweaken van bandontwerpen kan ook winst opleveren door de rolweerstand te verminderen, of de kracht die wordt veroorzaakt door de afvlakking van een band terwijl deze over de weg rolt. Fietsers weten dat een lekke band aanzienlijk meer beenwerk vereist om met een respectabele clip mee te rollen. Op dezelfde manier kan het minimaliseren van de hoeveelheid afvlakking of vervorming van een autoband door geavanceerde materialen en ontwerp de hoeveelheid energie verminderen die nodig is om hem gewoon te laten rollen.
Motor innovaties
De meest dramatische verbeteringen zullen echter waarschijnlijk komen van veranderingen in de motortransmissie, zegt Alan Crane, een senior wetenschapper voor de National Research Council's Board on Energy and Environmental Systems en de onderzoeksdirecteur voor het NRC-rapport. Overbrengingen met een hoger aantal snelheden, transmissies met dubbele koppeling en wrijvingsreducerende coatings kunnen motoren helpen om op een hoger rendement te lopen en energieverlies te verminderen.
Een technologie die bekend staat als cilinderuitschakeling is een optie voor autofabrikanten die een minder dorstig product wensen. Dit doodt in wezen de helft van de motor wanneer het niet nodig is - bijvoorbeeld tijdens snelwegcruises - maar houdt het extra vermogen bij de hand voor versnelling, grote beklimmingen, boottransport of andere situaties die een krachtigere motor vereisen. "Dus je gaat van een zescilindermotor naar een drie", zegt Brandon Schoettle, een onderzoeker bij UMTRI. Als er op minder cilinders wordt gereden, hebben chauffeurs het in beide richtingen, waarbij prioriteit wordt gegeven aan vermogen wanneer u het nodig hebt, en zuinig wanneer u dat niet doet.
Het verkleinen van de motor is een andere manier om de efficiëntie te verhogen en het hoeft niet langer ten koste te gaan van de prestaties. In conventionele gasauto's neemt de verbrandingsmotor een mengsel van benzine en lucht in een cilinder. Een zuiger beweegt omhoog om dit mengsel samen te drukken, en vervolgens ontsteekt een vonk het, waardoor een explosie ontstaat die de zuiger naar beneden drijft. Een klep opent voor uitlaat om de cilinder te verlaten en de cyclus begint opnieuw: inlaat, compressie, verbranding, uitlaat. Turbocompressie, die extra lucht in de cilinders van een motor duwt, maakt het mogelijk voor kleinere motoren om meer vermogen te genereren uit elk van deze kleine explosies.
Kleiner betekent meestal lichter en een vermindering van het gewicht van een auto met 10 procent levert ongeveer zeven procent minder brandstof op, merkt Crane op. Tegen 2050 concludeert het NRC-rapport dat auto's 40 procent minder zouden kunnen wegen. "Dat is zelfs zonder veel [lichtgewicht] koolstofvezel te betrekken, " zegt Crane. "Op dit moment is bijna alles in de auto gewoon staal."
Zwaar staal vervangen
IJzer- en staallegeringen maken ongeveer 45 procent uit van het gewicht van de meeste auto's. Maar in toenemende mate kunnen geavanceerde materialen op een puzzel worden toegepast, met lichtgewicht stukken die op verschillende plaatsen in de staalstructuur worden ingevoegd. "U kunt de kritieke onderdelen versterken", zegt Bill Reinert, nationaal manager van geavanceerde technologische voertuigen voor Toyota. Zeer sterk staal wordt ingeruild als dunnere, sterkere alternatieven voor gewoon staal en het aluminiumgehalte neemt toe. Koolstofvezel en magnesiumcomposieten zijn tegenwoordig relatief dure en moeilijke materialen om mee te werken, maar verderop in de weg kunnen ze het gewicht van sommige componenten met wel 75 procent verminderen.
Het afwerpen van gewicht kan ook domino-effecten hebben, omdat maar weinig onderdelen in een auto geïsoleerd lopen. "Als u 100 pond kunt besparen, kunt u mogelijk overschakelen naar een lichtere, kleinere motor of de remmen kleiner maken", zegt Crane. Op zijn beurt kan een kleinere motor gewoon minder spullen onder de motorkap betekenen, wat meer flexibiliteit voor aerodynamisch ontwerp mogelijk maakt, wat leidt tot een nog betere efficiëntie.
Geoptimaliseerde productie van onderdelen
Vooruitgang in computerondersteund ontwerp maakt het eenvoudiger om afzonderlijke onderdelen en systemen te optimaliseren voor een gewenst resultaat. "De tools verbeteren", zegt Crane. “Wanneer [autofabrikanten] een revisie voor een auto bedenken, kunnen ze veel meer informatie in de computer invoeren en uitzoeken wat de beste compromissen zijn voor brandstofverbruik, en andere factoren.”
Tweaks in de bochten en hoeken van een auto, en de toevoeging van actieve grillluiken die de luchtstroom blokkeren wanneer het niet nodig is voor motorkoeling, kan tot 5 procent van de luchtweerstand bij hoge snelheden minimaliseren, genoeg om de kas van een voertuig te verminderen gasemissies met ongeveer 1 gram per mijl en opbrengst extra brandstofverbruik. Maar externe veranderingen hoeven niet dramatisch te zijn voor auto's om 50 of meer mijl naar de gallon te bereiken. Een brandstofzipper van de toekomst, zegt Crane, "zou er ongeveer uit moeten zien als huidige voertuigen."
Nauwkeurige inspectie of een draai achter het stuur kan echter enkele verschillen aan het licht brengen. “Omdat het aanzienlijk lichter is, kan [een efficiëntere auto van de toekomst] iets anders aanvoelen. Het zal beter omgaan, het zweeft beter een hoek om, 'zegt Crane. Bij het analyseren van de mogelijke paden naar die 2050-doelen, ging het NRC-team ervan uit dat voertuigen min of meer in hun huidige vorm zouden blijven rijden. Die auto's zullen er 'wat meer winderig uitzien', zegt Crane, maar niets radicaals. Voertuigen "worden niet kleiner of zo geveegd dat je niemand op de achterbank kunt plaatsen."
Een helpende hand van computers
Meer dan tien jaar na de introductie van de Prius in de VS, vormen hybriden nog steeds slechts een klein deel van de totale automarkt - ongeveer drie procent van de verkochte voertuigen in de Verenigde Staten. Maar een deel van de technologie in de hybriden van vandaag kan een groot deel van de auto's van morgen helpen een beter benzineverbruik te behalen. Een van de belangrijkste onderdelen is start-stoptechnologie, die de motor uitschakelt wanneer het voertuig stilstaat en vervolgens opnieuw start wanneer de bestuurder op het gaspedaal trapt.
In hybriden wordt dit vaak gecombineerd met regeneratief remmen, dat kinetische energie gebruikt tijdens het vertragen en remmen om een batterij op te laden. De opgeslagen elektriciteit kan vervolgens worden gebruikt om de motor opnieuw te starten. "Regeneratief remmen en start-stop worden in principe de meest voorkomende ontwerpelementen in de komende jaren", zegt Crane.
Natuurlijk is het gedrag van de bestuurder ook belangrijk als het gaat om brandstofbesparing. Het verschil in brandstofverbruik tussen een agressieve, loodhoudende bestuurder en een gelijkmatige, conservatieve bestuurder kan oplopen tot 20 procent. Tot op zekere hoogte kan technologie bestuurders wegsturen van hun verspillende neigingen. Hoewel autonoom rijden waarschijnlijk niet zal resulteren in auto's zonder bestuurder, althans niet snel, zei de CEO van Renault-Nissan, Carlos Ghosn, tijdens een recent evenement aan de Stanford University: "Je zult veel auto's zien met minder input van de bestuurder. ”Die auto's kunnen worden geoptimaliseerd voor brandstofverbruik en efficiënte routebepaling.
In de meer verre toekomst kunnen kruispunten plaatsen zijn waar auto's zijn geprogrammeerd om te vertragen en zich een weg er doorheen te banen, in plaats van de remmen te vertragen of rotondes te navigeren, suggereert Schoettle van UMTRI. "Als niemand stopt, hebt u het brandstofverbruik verbeterd", merkt hij op.
"Het zou geweldig zijn als er een magische kogel zou zijn, " zegt Toyota's Reinert - een technologie die een vuile auto schoon zou kunnen maken zonder dat we ooit een verschil in prestaties, keuze, gemak of prijs opmerken. De realiteit is dat meerdere technologieën in de juiste combinaties een heel eind kunnen zijn voor het opruimen van onze voertuigen. "Al deze dingen zijn klein, " zegt Reinert, "maar het klopt allemaal."
