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Perché non un SUV da 40 MPG?
Per avere un'idea dei progressi dell'industria automobilistica nell'efficienza del carburante, non guardare oltre la Chevy Blazer del 2002. Il modello con cambio automatico, sei cilindri e quattro ruote motrici ottiene 18 miglia per gallone (mpg), due miglia in meno rispetto a un Blazer di pari equipaggiamento nel 1985. In effetti, in quei 17 anni il consumo medio di carburante dell'intera flotta di Le auto e gli autocarri leggeri statunitensi sono diminuiti da 26 mpg a 24 mpg, in parte a causa della crescente percentuale di veicoli sportivi (SUV) che consumano benzina. Eppure, a marzo, quando i lobbisti dell'industria automobilistica hanno affermato che costruire auto più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante sarebbe stato troppo difficile, il Senato degli Stati Uniti ancora una volta ha annullato la legislazione che avrebbe innalzato gli standard di consumo medio di carburante aziendale del paese. Era una danza familiare; Il Congresso non ha alzato gli standard nemmeno una volta durante quegli stessi 17 anni.
Non è che le tecnologie automobilistiche non siano migliorate; è che i miglioramenti sono stati orientati alla fornitura di potenza, non all'efficienza. Dal 1981 l'industria automobilistica ha aumentato la potenza dell'84%, consentendo ai veicoli di accelerare più velocemente anche se sono diventati più pesanti, secondo l'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti. Questo è ciò che vogliono i consumatori, afferma Fritz Indra, direttore esecutivo dell'ingegneria avanzata per la divisione Powertrain di General Motors. Ogni anno gli americani vogliono un po' più di spazio all'interno, un po' più di potere.
Ma è davvero troppo difficile costruire un SUV a prezzi ragionevoli che possa ottenere 40 mpg e fornire comunque le prestazioni, il comfort e le emissioni ridotte che i consumatori si aspettano? Il fatto sorprendente è che esiste un assortimento di tecnologie per l'efficienza del carburante nei laboratori industriali e universitari. Ancora più sorprendente è che molte di queste tecnologie si basano sul motore a combustione interna convenzionale. Non richiedono complesse trasmissioni ibride elettrico-gas come quelle sotto il cofano della Toyota Prius e della Honda Insight (vedi Visualizza ). Né si basano su qualcosa di esotico come le celle a combustibile. Se l'industria automobilistica mettesse un po' di potenza aziendale dietro lo spostamento di queste tecnologie nella produzione - e questo è un grosso problema, data la mancanza di normative statunitensi e la domanda dei consumatori - le tecnologie per il risparmio di gas potrebbero iniziare a colpire gli showroom entro cinque anni. In effetti, se lo volesse, Detroit potrebbe produrre un SUV da 40 mpg entro la fine del decennio.
I vantaggi deriverebbero in gran parte da tecnologie emergenti come sistemi di controllo migliorati che riducono al minimo le perdite di energia nel motore e nella trasmissione, nonché componenti elettrici efficienti, dalle pompe dell'acqua alle valvole del motore, che potrebbero sostituire i sistemi meccanici a cinghia. Anche le tecnologie esistenti, come le trasmissioni avanzate e i sistemi di iniezione del carburante, potrebbero svolgere un ruolo chiave se fossero adottate più ampiamente.
In effetti, se tutte le nuove auto e autocarri leggeri adottassero le tecnologie di risparmio di gas disponibili ed emergenti, il consumo medio di carburante delle auto statunitensi salirebbe a 46 mpg, rispetto ai 27 mpg di oggi. E i SUV potrebbero avere una media di 40 mpg, in aumento rispetto agli odierni 21 mpg, secondo un recente studio preparato in parte da John DeCicco, un membro anziano di Environmental Defense, un gruppo ambientalista con sede a New York City. (Lo studio è stato co-autore di Feng An, un esperto di modellistica presso l'Argonne National Laboratory, e Marc H. Ross, fisico ed esperto di politiche automobilistiche presso l'Università del Michigan.) Due terzi del beneficio deriverebbero dal miglioramento del gruppo propulsore , e il resto verrebbe dalla riduzione del peso e dalla riduzione della resistenza aerodinamica e al rotolamento. E anche se i prezzi al dettaglio dei veicoli aumenterebbero da $ 1.000 a $ 2.000, a seconda del modello, i consumatori risparmierebbero così tanto alla pompa di benzina entro cinque anni. Al settore non manca la tecnologia, manca la priorità, afferma DeCicco.
Tali miglioramenti nel chilometraggio del gas avrebbero un enorme impatto sulla dipendenza dal petrolio degli Stati Uniti e sull'ambiente. Secondo l'Union of Concerned Scientists, se il consumo di carburante della flotta statunitense migliorasse a 40 mpg, la nazione risparmierebbe due milioni di barili di petrolio al giorno, il 75% di tutto il petrolio che gli Stati Uniti importano dal Medio Oriente. E potrebbe significare una diminuzione del 30% dei gas serra, principalmente anidride carbonica.
Le case automobilistiche, pur non discutendo la verità essenziale di tali numeri, affermano che versioni affidabili e convenienti di questi nuovi componenti e controlli software sono più difficili da implementare di quanto possa sembrare. Ma i produttori, sebbene tipicamente a bocca chiusa sui piani di produzione, hanno creato prototipi avanzati di queste tecnologie e hanno persino installato le prime unità in alcuni veicoli. Poiché molte di queste tecnologie sono prontamente disponibili e basate sul motore a combustione interna, potrebbero avere un impatto enorme nei prossimi anni. C'è molto potenziale qui, afferma John Heywood, direttore dello Sloan Automotive Laboratory al MIT. È la nostra migliore speranza per continuare a ridurre le emissioni e il consumo di carburante della nostra flotta di veicoli in continua crescita.
Avviamenti veloci
Una maggiore efficienza del carburante inizia con alcune idee apparentemente semplici, ad esempio lo spegnimento del motore per eliminare il minimo dispendioso ogni volta che l'auto non è in movimento. Ma affinché un motore si spenga ad ogni semaforo rosso, il veicolo avrebbe bisogno di un dispositivo ad alta potenza in grado di riavviare il motore immediatamente, molto più velocemente di un tradizionale motorino di avviamento, quando il conducente dà gas. Sembra semplice. Ma le prime versioni erano generalmente troppo lente o troppo rumorose per accontentare i conducenti.
Questo sta cambiando. Diversi fornitori di auto hanno costruito prototipi di generatori di avviamento integrati, che sostituiscono sia il motorino di avviamento che l'alternatore, abbastanza veloci da avviare il motore in meno di mezzo secondo (vedi Fine dell'ozio, sotto) . Il grosso problema è ridurre i costi, afferma Thomas Keim, un ingegnere elettrico del MIT che dirige un consorzio industriale del MIT sull'elettronica automobilistica avanzata.
Illustrazione di John MacNeil
La maggior parte dei progetti utilizza motori a induzione, che devono essere controllati da dispositivi elettronici costosi in grado di passare rapidamente dal doppio ruolo del generatore di avviamento all'avvio del motore e al funzionamento dell'alternatore per generare elettricità. Ma il consorzio del MIT ha sviluppato un generatore di avviamento con una versione più semplice dell'elettronica, che potrebbe ridurre i costi del 20 percento. Nel mondo automobilistico, una tecnologia più economica del 20% tende a eliminare dal mercato la scelta più costosa, afferma Keim. Ford ha costruito un prototipo del design del consorzio e ha completato i test iniziali. Ma c'è un altro ostacolo: la difficoltà di generare energia sufficiente per mantenere in funzione tali dispositivi. L'avviamento rapido richiede molta potenza. Come la maggior parte degli altri generatori di avviamento sperimentali, il dispositivo MIT, costruito in previsione di un futuro in cui le auto utilizzino uno standard di tensione più elevato, funziona a 42 volt. Il problema è che praticamente tutte le auto di oggi utilizzano ancora un sistema a 12 volt. (Eccezioni includono ibridi gas-elettrici e una berlina Toyota di lusso da 42 volt venduta solo in Giappone.) Collegare un generatore di avviamento a un sistema a 12 volt è teoricamente possibile, ma il generatore di avviamento è solo uno dei tanti modelli avanzati componenti elettrici per autoveicoli su tavole da disegno industriali. Nel loro insieme superano i limiti del sistema. Alcuni esperti del settore affermano che il cambio di tensione richiederà anni: sostituire un intero sistema elettrico, che in una nuova auto costa generalmente tanto quanto il motore e la trasmissione messi insieme, è un'operazione costosa e complessa. Ma anche senza una sostituzione completa, un approccio temporaneo potrebbe fornire un aumento di tensione. I produttori stanno creando modi per installare sistemi a 42 volt accanto ai sistemi a 12 volt esistenti. Il sistema a bassa potenza esistente rimarrebbe in vigore, continuando a fornire elettricità alle apparecchiature familiari per impieghi leggeri come luci, radio, sedili elettrici e motorini dei finestrini. Il nuovo sistema ad alta potenza servirebbe solo attrezzature pesanti come generatori di avviamento e compressori elettrici. Il doppio sistema ovviamente aggiungerebbe dei costi, afferma Xingyi Xu, un ingegnere del Ford Research Laboratory a Dearborn, MI. Le case automobilistiche avrebbero bisogno di vedere guadagni considerevoli in termini di risparmio di carburante e comodità per i consumatori, dice, quindi al momento è difficile dare una giustificazione. Anche se giustificabili, tali sistemi impiegherebbero almeno cinque anni per raggiungere il mercato, afferma Xu. Ma poiché possono fornire la potenza necessaria per trasformare l'auto media da una macchina meccanica a una macchina elettromeccanica più efficiente, i sistemi a 42 volt rappresentano una tecnologia abilitante.
Software truccato
Nuove attrezzature come potenti generatori di avviamento aumenterebbero l'efficienza del carburante. Tuttavia, un veicolo potrebbe ottenere vantaggi ancora maggiori se l'intero gruppo propulsore fosse controllato elettronicamente.
Ogni componente potrebbe essere regolato continuamente per consumare la minima potenza necessaria al variare delle condizioni di guida e, cosa altrettanto importante, potrebbe essere controllato in modo integrato per risparmi a livello di sistema. L'efficienza del carburante sarebbe persino maggiore della somma dei componenti, afferma Frank Lohrenz, ingegnere elettrico presso Siemens VDO Automotive a Regensburg, in Germania.
Il risparmio potrebbe essere significativo. I sistemi di controllo software integrati potrebbero fornire un aumento dell'efficienza del carburante del 10% (vedi The Networked Car, TR settembre 2002) . Il software di Siemens, ad esempio, ottimizza l'erogazione della coppia, ovvero la forza di rotazione dell'apparato propulsore. Per fare ciò, il sistema registra elettronicamente la distanza e la velocità con cui il conducente preme il pedale dell'acceleratore. Quindi, attraverso il controllo elettronico di componenti meccanici di base come il motore, la trasmissione e un futuro generatore di avviamento, fornisce la coppia richiesta. La tecnologia Siemens tiene conto di 20 parametri, tra cui la velocità del veicolo, la velocità di rotazione del motore e l'ingranaggio di trasmissione, prima di decidere come erogare al meglio la coppia dagli sforzi combinati di strozzamento del motore, rapporto di trasmissione e attivazione del generatore di avviamento.
Gli ingegneri hanno tradizionalmente considerato ogni componente come un'unità autonoma, ma c'è molto interesse per il controllo integrato perché è economico: il controllo integrato dipende in gran parte dal software e, quindi, il suo aumento dell'efficienza del carburante del 10% ha un costo relativamente basso. Se un produttore vende un milione di auto, afferma Lohrenz, il costo potrebbe essere inferiore a $ 5 per veicolo.
Motore digitale
Il progresso più radicale per migliorare il chilometraggio del gas avverrebbe rifacendo il motore stesso. Questo significa ripensare alla meccanica centenaria che apre e chiude le valvole del motore, che immettono una miscela di aria e carburante nelle camere di combustione e rilasciano i gas di scarico. Per decenni, un albero a camme ha svolto questo lavoro. Un albero rotante, muove le leve che aprono e chiudono le valvole circa 100 volte al secondo in uno schema fisso.
La tecnologia dell'albero a camme funziona bene, ma spreca carburante. La configurazione tradizionale non fornisce alcun modo per modificare i modelli per fornire, ad esempio, molta potenza per accelerare su un'autostrada e ridurre il risparmio energetico non necessario a velocità di crociera in autostrada. Negli ultimi anni, tuttavia, gli ingegneri hanno aggiunto attrezzature meccaniche all'albero a camme, consentendo un controllo migliorato delle valvole. Questo controllo include, ad esempio, la possibilità di aprire le valvole solo parzialmente quando è necessaria poca potenza. Honda e BMW hanno sviluppato e installato tali sistemi di valvole variabili in molte auto di produzione, migliorando il risparmio di carburante dal 5 al 10 percento.
Ma l'ultima mossa verso l'ottimizzazione getta via l'albero a camme. Invece, gli attuatori elettromeccanici fornirebbero un controllo guidato dal software per ciascuna valvola (vedi Il motore senza camme, sotto) . Fornendo il pieno controllo sulla fasatura, sull'alzata e sulla durata di ogni movimento della valvola, un tale motore senza camme ottimizza l'erogazione di potenza con il minor carburante possibile a ogni velocità di rotazione del motore. Il guadagno è enorme: un motore senza camme potrebbe migliorare il risparmio di carburante dal 10 al 18 percento, aumentando anche la coppia del motore dal 15 al 20 percento a basse velocità per un'accelerazione più rapida.
Illustrazione di John MacNeil
Il problema è che per prevenire un'usura eccessiva e ridurre al minimo il rumore e le vibrazioni del motore, le valvole devono decelerare prima dell'atterraggio. Un albero a camme, sebbene relativamente inefficiente, lo fa abbastanza bene, grazie alla sua forma ovoidale, che produce una corrispondente accelerazione e decelerazione nel movimento della valvola. Gli attuatori sono diversi; sbattono su e giù, dentro e fuori. Il modo per rendere gli attuatori delicati come gli alberi a camme prevede una combinazione di hardware e software e molte aziende stanno lavorando al problema. Anna Stefanopoulou, ingegnere meccanico presso l'Università del Michigan, ha già progettato diversi schemi software promettenti. Nell'ultimo anno il team di Stefanopoulou ha ottimizzato diversi algoritmi e ora sta testando modi per utilizzare il feedback delle valvole per ottenere un movimento ad alta velocità con atterraggi delicati. Nel frattempo, per aiutare in questo atterraggio morbido, Mohammad Haghgooie, un fisico della Ford Motor, sta testando molle e ammortizzatori pneumatici e idraulici per ridurre l'impatto delle valvole senza rallentarle. In caso di successo, questi miglioramenti nel software e nell'hardware delle valvole elettromeccaniche potrebbero portare sul mercato un motore senza camme nel 2008, afferma Haghgooie.
Freno per il progresso
Non tutte le tecnologie avanzate per l'efficienza dei consumi sono ancora in una fase emergente. Anche senza motori senza camme e software sofisticato, sono disponibili tecnologie assortite per ottenere una migliore efficienza del carburante. L'elenco include la trasmissione a variazione continua. A differenza delle trasmissioni automatiche di oggi, che generalmente hanno quattro rapporti di trasmissione fissi che si incastrano una volta che la velocità di rotazione del motore aumenta fino a un certo livello, una trasmissione a variazione continua offre una gamma infinita di rapporti di trasmissione al volo. Una società olandese ha brevettato la tecnologia decenni fa; ora i brevetti sono in scadenza e la trasmissione è già in fase di installazione su alcuni modelli negli Stati Uniti. Il guadagno può essere grande: nel Saturn VUE del 2002, la trasmissione a variazione continua aumenta il risparmio di carburante dal 7 all'11 percento, secondo General Motors.
Anche i miglioramenti nell'iniezione del carburante sono sullo scaffale, grazie a un recente progresso noto come iniezione diretta di benzina. Sostituendo il tradizionale motore a iniezione indiretta con questa tecnologia, la Volkswagen Polo del 2002 ha migliorato del 13% i consumi per la guida in città. Il vantaggio deriva dallo sfruttamento delle dinamiche di come il carburante e l'aria si mescolano. Nella configurazione tradizionale dell'iniezione indiretta, gas e aria vengono miscelati all'esterno del cilindro e quindi iniettati. Con l'iniezione diretta, il carburante e l'aria iniziano a miscelarsi solo quando si trovano all'interno del cilindro, consentendo al motore di utilizzare una miscela di carburante estremamente povera durante una guida costante e a bassa potenza.
Tutto sommato, non c'è carenza di tecnologia disponibile e quasi pronta per l'adozione da parte dell'industria automobilistica. Eppure, i SUV ottengono ancora una media di soli 21 mpg. Alla domanda sul perché, Indra di General Motors cita argomenti familiari del settore: le innovazioni sono troppo costose; i nuovi componenti aggiungono peso, annullando i benefici. Dice anche che la riduzione del peso, che, secondo lo studio DiCicco, rappresenta quasi un terzo della formula per aumentare il chilometraggio, riduce la sicurezza. Questo è l'argomento che l'industria ha usato come parte del suo blitz di lobby per eliminare la legislazione più severa sull'efficienza del carburante lo scorso marzo.
Roland Hwang, un esperto di veicoli presso il National Resources Defense Council, un gruppo ambientalista con sede a New York City, afferma che l'argomento è irresponsabile. Afferma che le case automobilistiche stanno alimentando le paure dei consumatori sulla sicurezza solo per convincerli ad acquistare veicoli più grandi, che, dice, producono i profitti più alti. Nota che i test del settore federale e assicurativo mostrano che il record di sicurezza dei SUV è più o meno lo stesso di quello delle altre auto. Anche il responsabile delle analisi ambientali ed energetiche di Honda America, John German, concorda sul fatto che se tutti i veicoli pesassero 100 libbre in meno, non ci sarebbe alcun impatto sulla sicurezza.
Il punto più importante è semplicemente che senza mandato da Washington o dal pubblico, l'industria automobilistica ha poche motivazioni per cambiare. Doug Patton, vicepresidente senior presso Denso International America a Southfield, MI, mette l'argomento in prospettiva: cosa chiede il cliente? Cosa chiede il governo? Ecco come la guardiamo.
Per i ricercatori, questo è un discorso scoraggiante. Heywood del MIT afferma che la maggior parte di queste tecnologie è in sviluppo da anni. Se le case automobilistiche lo volessero, afferma, potrebbero facilmente renderle poco costose e affidabili. Le case automobilistiche non danno ai loro ingegneri abbastanza credito per essere in grado di risolvere problemi pratici, dice Heywood. Fino a quando la direzione non dice: 'Ok, andiamoci davvero', la tecnologia non supera un prototipo di sviluppo avanzato. Dare tali ordini, aggiunge, non accadrà fino a quando la direzione non pensa di avere le prove che la tecnologia farà vendere il prodotto sul mercato o creerà un nuovo mercato.
Anche se vengono approvate nuove e severe leggi sull'efficienza, altri notano, la storia recente suggerisce che l'industria automobilistica non aderirà senza combattere. I leader del settore hanno combattuto i convertitori catalitici. Hanno combattuto con le cinture di sicurezza. Hanno detto che gli airbag avrebbero mandato in bancarotta l'industria. Ma una volta che i requisiti sono stati superati, trovano un modo, osserva Hwang.
Per ora, l'industria automobilistica si accontenta ancora di riempire gli showroom di perenni maiali di benzina. Ma le tecnologie più efficienti, e il software per controllarle, stanno aspettando la spinta finale alla produzione di massa.