Framtiden för bilar och bilteknik - Hybrid-, el- och förarlösa bilar

Bilar, som i allt högre grad är tillgängliga för vem som helst, har oskärpa skillnader i social klass, expanderat marknader och stimulerat ekonomin. Branschen sysselsätter direkt mer än 2,6 miljoner människor och står enligt Auto Alliance för 3% till 3,5% av landets bruttonationalprodukt (BNP).

Den amerikanska kärleksaffären med bilar är tydlig i antalet ägda. Enligt Bureau of Transportation Statistics fanns det mer än 250 miljoner registrerade fordon i USA 2012, eller ett för varje amerikan över 18 år. Det genomsnittliga hushållet äger 1,75 fordon. Förarna reste mer än 2,8 miljarder miles över 4,5 miljoner miles av vägar och motorvägar och 605 471 broar i landet samma år.

Konsumenterna kan välja mellan en mängd biltillverkare som alla producerar olika märken, modeller och karosserier. Sedan kan fordonen anpassas ytterligare efter färg, motortyp, växellåda, inredning och hjultyp. Dessutom finns det tusentals bilverkstäder, högpresterande mekaniker och butiker som anpassar butiker som är redo att uppfylla alla bils ägares drömmar.

Den negativa inverkan av bilar på det moderna livet

För alla sina bidrag till det moderna livet har bilen också haft betydande negativa konsekvenser för individer och samhället som helhet:

• Bekostnad. Köp och pågående drift av en bil är en av de största utgifterna som den typiska personen gör under livet. Bilar står för ungefär en sjättedel av familjens budget, mer än mat eller sjukvård och försäkring tillsammans, enligt Bureau of Labor Statistics. BLS rapporterar att 2010 den genomsnittliga personbilen i USA var 11,4 år gammal och kördes 11 318 mil medan han brände $ 2,132 på gas och olja. Dessutom spenderade förarna i genomsnitt 787 $ för reparationer och underhåll.
• Dödsfall och skador. Enligt Förenta staternas Census Bureau, sedan 1990 inträffar mer än 10 miljoner olyckor med bilar varje år, vilket orsakar mer än 30 000 dödsfall per år. Medan kursen sjunker varje år - vilket återspeglar förbättringar i design och ny teknik - uppskattar National Highway Traffic Safety Administration att kostnaden för olyckor under 2010 var 871 miljarder dollar..
• Urban Sprawl. USA: s befolkning mer än tredubblades från 76 miljoner människor 1900 till 281 miljoner år 2000. Enligt en USA: s folkräkningstudie från 2002 har dock antalet människor som bor i ett storstadsområde minskat avsevärt sedan 1950. Vid mitten av seklet, mer än 7 000 människor ockuperade en kvadratmil markyta; år 2000 fanns det mindre än 3 000 per kvadratkilometer. Denna spridning minskar effektiviteten i masstransport och ökar trycket för att bygga mer omfattande väg- och motorvägsnät.
• trängsel. Enligt en 2012 Texas A&M mobilitetsstudie tillbringar den genomsnittliga bilpendlaren mer än 50 timmar per vecka sittande i sin bil fast i trafiken. I städer som Los Angeles, Boston och New York är trängseln mer än 60 timmar per år, vilket gör att amerikanerna reser en kumulativ 5,5 miljarder timmar mer än nödvändigt och köper ytterligare 2,9 miljarder liter bränsle.
• Förorening. Medan atmosfärisk förorening föregår bilen, är de flesta forskare eniga om att våra personliga bilar är en viktig orsak till den globala uppvärmningen. Enligt Union of Concerned Scientists svarar bilar och lastbilar för nästan en femtedel av alla amerikanska utsläpp - cirka 24 kilo koldioxid och andra globala uppvärmningsgaser för varje gallon gas som bränns.

Automobiles framtid

Även om bilar har förändrats avsevärt sedan deras introduktion ökar takten på förbättringar i bilar - särskilt relaterade till framsteg för att bekämpa deras negativa effekter. Vissa futurister förutspår utseendet på autonoma bilar - självkörande bilar - inom det kommande decenniet.

ExtremeTech rapporterar att Mercedes-Benz avslöjade sin förarlösa bil på Consumer Electronics Show 2015, lyxfordonet F-105, som kommer med framsäten som svänger så att föraren och passageraren i framsätet kan sitta ansikte mot ansikte med ryggen -sittande passagerare. Under tiden har BMW visat sin i3 EV som självparkeringar och kan söka ett parkeringsgarage efter öppna ytor.

Enligt CNBC förutspår vissa analytiker att nya tillverkare som Google och Apple kommer att ersätta traditionella massbiltillverkare som General Motors, Ford, Honda och Volkswagen med sitt första start på ny teknik. Andra förutsägelser inkluderar följande:

• Färre bilar kommer att ägas av familjer eftersom en enda bil kan betjäna olika medlemmar i följd och samtidigt utan att vänta på en förare. Till exempel kan en förarlös bil återvända till sin hemmabas efter att ha levererat en arbetare på kontoret och vara tillgänglig för att transportera andra familjemedlemmar under dagen innan han återvände för att hämta pendlaren senare på kvällen.
• Delad mobilitet kommer att öka där människor använder bilar utan att äga dem.

Delar av betydande förändring

Betydande förbättringar kommer att minska den negativa effekten av bilar i framtiden. Dessa inkluderar följande aspekter och element.

Design

De första bilarna liknade de hästdragna vagnarna som de bytte ut, enkla lådor på hjul. Tidigare tillverkare hade liten kunskap om aerodynamik - motståndet hos föremål som rör sig genom luften, eller "drag". Dra ökar proportionellt med hastigheten. Formen på bilen, särskilt frontområdet, påverkar direkt den energi som förbrukas när fordonet rör sig framåt.

En annan effekt av ökad hastighet är ytterligare lyft - bilkarossens tendens att stiga upp från vägytan - från luft som strömmar under bilen, vilket minskar dragkraften och stabiliteten under svängar. Användningen av vindtunnlar har guidat biltekniker för att minska skarpa kanter och förbättra strömlinjeformningen och därmed minska drag, lyft och energiförbrukning.

Som en följd verkar märken och modeller vara lika eftersom varje tillverkare snabbt utnyttjar alla fördelar som en rival har fått. Framtida bilar kommer troligen att bli kortare med fler kurvor medan de bibehåller eller ökar inre utrymmet för passagerare.

material

En bils vikt påverkar direkt bränsleförbrukningen som används under drift. University of Washington rapporterar att utbredd användning av unibody-konstruktion, lätta material och mindre motorer minskade den genomsnittliga bilens vikt med 1 700 pund mellan 1975 och 2009. Men mycket av fördelen kompenserades av en ökning av fordonsstorleken och ökad funktionalitet.

Fortsatt federalt tryck för att öka bränsleekonomin kommer att resultera i en ökad användning av lättviktigt stål, aluminium, kompositmaterial och plast för att minska vikten och förbättra krockvärdigheten. Tesla Roadsters kropp är till exempel konstruerad av en lätt kolfiber / epoxikomposit som är lika stark som stål och väger 30% mindre. När tillverkningskostnaderna för materialet sjunker kommer fler tillverkare att vända sig till de revolutionerande nya kompositmaterialen för sina fordon.

Mekanisk effektivitet

Fyrtaktsförbränningsmotorn har varit den främsta kraftkällan för bilar i årtionden. Under årens lopp har tekniska framsteg som dubbla överheadkammar med fyra ventiler med variabel ventiltiming, tvingad induktion av luft, bränsleinsprutning, datorjusterad bränsleinsprutning och variabel ventiltid ökat motoreffektivitet och kraft.

Den utbredda användningen av motorstyrenheten - en inbyggd dator som reglerar tändningstid, luft / bränsleblandning och tomgångshastighet - skapar högre bränsleeffektivitet och konstant motordiagnos. Växellådorna är mer effektiva, utvecklas från manuell växling av tre växlar framåt och bakåt, till automatisk växling av sex till åtta växlar och bakåt. Förbättrad hydraulik möjliggör enkel servostyrning, medan låsbromsarna har minskat stopptiden och utrymmet drastiskt.

Från 2015 har hybrider - en kombination av bensinmotorn och elmotorn - inte blivit populära i delar av USA. Enligt Experian Automotive (via Adam Goldfein) har en av fyra hybrider sålts i Kalifornien, ett större belopp än de nästa fem staterna (Florida, Texas, New York, Virginia och Washington) tillsammans.

Även om de flesta av de stora biltillverkarna för närvarande erbjuder en hybridmodell, har Toyota Prius-modeller dominerat marknaden med cirka 5 miljoner totala försäljning sedan 2000, enligt 24/7 Wall St. Eftersom USA: s årliga försäljning av bilar sedan 2000 har varierat så lågt som 10,4 miljoner (år 2009) till 17,4 miljoner (år 2000), har hybrider representerat mindre än 3% av den totala försäljningen sedan 2000 och enligt Green Car Reports i genomsnitt cirka 3% av den totala årliga försäljningen för närvarande.

Många observatörer tror att kombinationen av följande har begränsat försäljningen av hybrider hittills:

• Höga konsumentpriser i förhållande till traditionella motormodeller ($ 5000 eller mer för en jämförbar bil)
• Färre oberoende serviceanläggningar som kan serva eller reparera hybrider eller elbilar, vilket kräver att bilen underhålls av säljaren
• Brist på kunskap om konsumenten med den nya tekniken
• Ökad bränsleeffektivitet för gasmotorer
• En bilkultur som idealiserar hästkrafter och motorvägshastighet

Medan rent elektriska fordon som drivs av bränsleceller (inte hybrider) har fångat allmänhetens fantasi, har förbättringar av bränsleceller inte gått så snabbt som planeras. Den genomsnittliga elbilen har en körsträcka på 150 mil och kräver 20 till 30 minuter för att ladda.

Däremot kan en Ford Focus 2015 med en fyrcylindrig motor med flexbränsle (bensin eller bensin-etanol) och en tank på 12,4 gallon resa mer än 360 mil utan tankning. Även om elbilar kan ersätta traditionella kraftkällor i framtiden, är det mest troliga resultatet en ökad popularitet hos hybridmotorn, den logiska övergången mellan gas- och elmotorer.

bränslen

Under större delen av sin existens har bilen förlitat sig på bensin - en raffinerad petroleumprodukt - för sitt bränsle. Tetraetyl-bly tillsattes historiskt för att ge mer motståndskraft mot självantändning, ett tillstånd som drivrutiner kallas ”bankar” när tändningen stängdes av. Sedan 1970-talet har etanol - ett förnybart bränsle blandat med bensin - ersatt bly, kombinationen ibland kallat "flexbränsle."

Andra bränslen inkluderar följande:

• Komprimerad naturgas. Vissa fordon, särskilt stora lastbilar och bussar, är utformade för att arbeta med komprimerad naturgas, ett fossilt bränsle som bränner renare än petroleum och producerar färre föroreningar. Förespråkare som oljeman T. Boone Pickens har förespråkat CNG som ett bättre miljö- och billigare alternativ till bensin. Infrastrukturen för att tillhandahålla CNG som ett genomförbart alternativ till en nation av bilar finns dock inte, vilket begränsar dess vädjan till bilister.
• Elektricitet. Elektriska och hybridfordon är allt vanligare, med en bränsleekonomi cirka 33% större än en bensindriven motor. Medan de batteridrivna bilarna kan laddas hemma eller på offentliga laddningsstationer, är utbudet för endast elektriska fordon betydligt mindre än en bensindriven bil med en lagringskapacitet på 12 eller fler gallon. Förbättringarna i batteritekniken har varit långsammare än vad som ursprungligen beräknades, och de elektriska fordonen förblir dyrare än ett bensindrivet alternativ. Trots detta kommer elbilar att fortsätta samla in en större marknadsandel när tillverkningskostnaderna minskar och deras miljöfördelar blir mer uppenbara. Hybridmodeller som förlitar sig på en bensinmotor för att ladda batterier eller driva elmotorn kan köras längre än bensindrivna fordon och behålla en fördel med bränsleekonomi.
• Väte. Vissa forskare och biltillverkare förespråkar väte som framtidens bränsle, främst för dess miljöfördelar. 2014 började Hyundai leasa det första vätendrivna fordonet i USA, medan Toyota tillkännagav planer på att sälja sin första vätgasdrivna bil 2015. De flesta av de stora tillverkarna har vätgasdrivna bilar under utveckling. Den bränsleinfrastruktur som behövs för att stödja väte som ett primärt bränsle finns dock ännu inte.

Det är osannolikt att ett enda alternativt bränsle kommer att förskjuta bensin som bilens primära bränsle före 2025. Elektriska bilar och hybridfordon kommer att fortsätta att samla in betydande marknadsandelar när avståndet per elektrisk laddning ökar. Världspriset för olja kommer också att påverka den eventuella grossistkonverteringen till ett alternativt bränsle. Om priserna fortsätter med 4,00 $ per gallon eller högre kommer övergången till alternativa bränslen att sporras.

kommunikationer

Elektronisk kommunikation mellan bilen och miljön där den verkar har genomgått de mest dramatiska förändringarna. GPS (Global Positioning System) finns i de flesta nya bilar, om än som ett tilläggsprodukt för många. Eftersom dessa system blir standard för alla nya bilar kommer realtidsspårning av fordon att öka tillgängligt, liksom motorövervakning på plats. Ett GPS-system är avgörande för förarlösa fordon.

Kommunikation mellan fordon och fordon (V2V) och kommunikation mellan fordon och infrastruktur (V2I) kommer att bli vanliga så att bilar automatiskt blir medvetna om andra fordons position och rörelse, utöver förändrade vägförhållanden. Interaktiva trafikskyltar och trafiksignaler ger automatisk, konstant kommunikation till fordon som möjliggör korrigering av kurs och hastighet utan förarens ingripande. Eftersom dessa element - redan tekniskt tillgängliga - kommer på plats kommer den förarlösa bilen att bli verklighet.

Vägar och motorvägar

Under de kommande decennierna kommer USA att bygga om sin åldrande infrastruktur och inkludera den nya kommunikationstekniken. Begränsade körfält för stora lastbilar är vanliga på motorvägar idag. Att planera på mellanstatliga motorvägar - enskilda bilar kopplade elektroniskt och resa tillsammans som en enhet - kommer att bli vanligt när landet bygger om sina motorvägar för att rymma kommunikationsförmågan.

Skälen för hastighetsbegränsningar har historiskt varit följande:

• Förarens säkerhet. Att köra i lägre hastigheter ger förare mer tid att justera vid behov och minskar slagkrafterna. Motorvägolyckor kommer att minskas drastiskt när datorer ersätter mänskliga förare, de förra gör omedelbara justeringar när väg- och trafikförhållandena förändras. Läsarna bör notera att Autobahn i Västtyskland har inga övre hastighetsgränser och har upplevt en trafikdödlighet långt under det amerikanska motorvägssystemet i åratal.
• Bränsleekonomi. En hastighetsgräns på 55 mil per timme infördes av den federala regeringen via Emergency Highway Energy Conservation Act 1974 för att minska bensinförbrukningen. Gränserna höjdes till 65 km / h 1987 och upphävdes 1995. Det finns lite bevis för att de lägre hastighetsgränserna resulterade i betydande nationella bränslebesparingar.

När motorvägsinfrastrukturen ersätts och antalet robotbilar ökar proportionellt försvinner de maximala hastighetsgränserna på statlig nivå.

Säkerhet

Förarens och passagerarsäkerheten har ökat dramatiskt de senaste åren genom bättre fordonsdesign och användningen av automatiskt spridande krockkuddar. Automatisk ljusstrålekontroll av ljus är för närvarande standard på många bilar, och nattsynfunktionerna med automatisk fotgängarsdetektering på lyxmodeller kan vara standard fram till 2025. Bakmonterad radar och multiriktningskameror med flera sensorer visas redan i lyx modeller av bilar, och kommer troligen att bli standard under kommande år.

Automatiska nödstyrningssystem som kombinerar bromsning och undvikande styrning kommer att minska eller undvika farliga kollisioner i framtiden. Nissan Motor Corporation är bland de företag som utvecklar enheter för att upptäcka förarens oförmåga att säkert använda ett fordon - sensorer som upptäcker alkohol, kameror för att övervaka ansiktsuttryck eller programvara för att känna igen felaktig körning - för eventuell användning.

Slutord

Framtidens bilar kommer att vara lika annorlunda än idag som de första bilarna skilde sig från häst och vagn. Förarlösa bilar kommer att vara betydligt mer energieffektiva, säkrare, mindre skadliga för miljön och mer ekonomiska att använda än något transportsätt i den mänskliga upplevelsen.

Övergången till bilens framtid kommer inte att gå snabbt, det tar minst ett dussin eller fler år att ersätta den befintliga bilparken i landet. Att återuppbygga landets motorvägar och vägar för att tillgodose den nya tekniken kommer sannolikt att ta ännu längre tid när landets ledare brottas med motstridiga nationella prioriteringar. Den tekniska förbättringstakten kommer att fortsätta öka, men fördelarna med dessa förbättringar kommer sannolikt inte att förverkligas förrän 2050 eller senare.

Vilka förutsägelser har du angående bilens framtid?