Turbulentní proudění
Obsah
Jak moderní technologie mění aerodynamiku automobilu
Nízký odpor vzduchu pomáhá snižovat spotřebu paliva. V tomto ohledu však existují obrovské příležitosti pro rozvoj. Doposud samozřejmě odborníci na aerodynamiku souhlasí s názorem konstruktérů.
„Aerodynamika pro ty, kteří nemohou vyrábět motocykly.“ Tato slova pronesl Enzo Ferrari v 60. letech a jasně demonstrují přístup mnoha tehdejších designérů k tomuto technologickému aspektu automobilu. Avšak až o deset let později přišla první ropná krize a celý jejich systém hodnot se radikálně změnil. Časy, kdy jsou všechny síly odporu v pohybu automobilu, zejména ty, které vznikají v důsledku jeho průchodu vrstvami vzduchu, překonány rozsáhlými technickými řešeními, jako je zvýšení zdvihového objemu a výkonu motorů, bez ohledu na množství spotřebovaného paliva, odejdou a inženýři začínají hledejte efektivnější způsoby, jak dosáhnout svých cílů.
V tuto chvíli je technologický faktor aerodynamiky pokryt silnou vrstvou zapomnění prachu, ale pro designéry to není úplně nové. Historie technologie ukazuje, že už ve dvacátých letech vyspělé a vynalézavé mozky jako Němec Edmund Rumpler a Maďar Paul Jaray (kteří vytvořili kult Tatry T77) formovali zjednodušené povrchy a položili základy aerodynamického přístupu k designu karoserie. Po nich následovala druhá vlna aerodynamických specialistů, jako byli baron Reinhard von Kenich-Faxenfeld a Wunibald Kam, kteří své myšlenky rozvinuli ve 1930. letech.
Každému je jasné, že s rostoucí rychlostí přichází hranice, nad kterou se odpor vzduchu stává kritickým faktorem při řízení auta. Vytváření aerodynamicky optimalizovaných tvarů může tuto hranici posunout výrazně nahoru a je vyjádřeno tzv. průtokovým koeficientem Cx, neboť hodnota 1,05 má krychli obrácenou kolmo k proudění vzduchu (pokud je pootočena o 45 stupňů podél své osy, tak jeho vstupní hrana je snížena na 0,80). Tento koeficient je však pouze jednou částí rovnice odporu vzduchu – jako zásadní prvek je třeba přičíst velikost čelní plochy vozu (A). Prvním z úkolů aerodynamiků je vytvořit čisté, aerodynamicky účinné povrchy (kterých faktorů, jak uvidíme, je v autě mnoho), což v konečném důsledku vede ke snížení koeficientu proudění. K měření posledně jmenovaného je zapotřebí aerodynamický tunel, což je nákladné a extrémně složité zařízení – příkladem toho je tunel BMW za 2009 milionů eur zprovozněný v roce 170. Nejdůležitější součástí v něm není obří ventilátor, který spotřebuje tolik elektřiny, že potřebuje samostatnou trafostanici, ale přesný válečkový stojan, který měří všechny síly a momenty, kterými proud vzduchu na auto působí. Jeho úkolem je vyhodnotit veškerou interakci vozu s prouděním vzduchu a pomoci specialistům prostudovat každý detail a změnit jej tak, aby byl nejen efektivní v proudění vzduchu, ale také v souladu s přáními konstruktérů. . V podstatě hlavní složky odporu, se kterými se auto setkává, pocházejí ze stlačování a posunu vzduchu před ním a – což je nesmírně důležité – z intenzivních turbulencí za ním vzadu. Tam se vytvoří nízkotlaká zóna, která má tendenci vůz táhnout, což se zase mísí se silným vlivem víru, kterému aerodynamika říká také „mrtvé buzení“. Z logických důvodů je za modely kombi vyšší hladina sníženého tlaku, v důsledku čehož se zhoršuje průtokový koeficient.
Faktory aerodynamického odporu
To druhé závisí nejen na faktorech, jako je celkový tvar vozu, ale také na konkrétních dílech a površích. V praxi se celkový tvar a proporce moderních automobilů podílejí 40 procenty na celkovém odporu vzduchu, z čehož čtvrtina je dána strukturou povrchu objektu a prvky, jako jsou zrcátka, světla, SPZ a anténa. 10% odporu vzduchu je způsobeno prouděním skrz otvory k brzdám, motoru a převodovce. 20 % je výsledkem víru v různých konstrukcích podlahy a zavěšení, tedy všeho, co se děje pod vozem. A nejzajímavější je, že až 30 % odporu vzduchu mají na svědomí víry vytvořené kolem kol a křídel. Praktická ukázka tohoto jevu o tom jasně napovídá - součinitel spotřeby z 0,28 na auto klesá po demontáži kol a zakrytí otvorů v křídle s dotvořením tvaru vozu na 0,18. Není náhodou, že všechna auta s překvapivě nízkým nájezdem kilometrů, jako první Honda Insight a elektromobil GM EV1, mají skryté zadní blatníky. Celkový aerodynamický tvar a uzavřená příď díky tomu, že elektromotor nevyžaduje velké množství chladicího vzduchu, umožnily vývojářům GM vyvinout model EV1 s koeficientem proudění pouze 0,195. Tesla model 3 má Cx 0,21. Ke snížení víru kolem kol u vozidel se spalovacími motory, tzv. Z otvoru v předním nárazníku směřují „vzduchové clony“ v podobě tenkého vertikálního proudu vzduchu, který fouká kolem kol a stabilizuje víry. Průtok k motoru je omezen aerodynamickými uzávěry a dno je zcela uzavřeno.
Čím nižší jsou síly naměřené válečkovým stojanem, tím nižší je Cx. Podle normy se měří při rychlosti 140 km/h – hodnota 0,30 například znamená, že 30 procent vzduchu, kterým auto projde, zrychlí na jeho rychlost. Pokud jde o přední plochu, její odečet vyžaduje mnohem jednodušší postup – k tomu se pomocí laseru rýsují vnější obrysy vozu při pohledu zepředu a počítá se uzavřená plocha v metrech čtverečních. Následně se vynásobí faktorem proudění a získá se celkový odpor vzduchu vozidla v metrech čtverečních.
Vrátíme-li se k historickému nástinu našeho aerodynamického popisu, zjistíme, že vytvoření standardizovaného cyklu měření spotřeby paliva (NEFZ) v roce 1996 ve skutečnosti sehrálo negativní roli v aerodynamickém vývoji automobilů (který výrazně pokročil v 1980. letech). ), protože aerodynamický faktor má malý vliv kvůli krátké době vysokorychlostního pohybu. I když součinitel proudění v průběhu času klesá, zvětšování velikosti vozidel v každé třídě má za následek zvětšení čelní plochy a tedy i zvýšení odporu vzduchu. Vozy jako VW Golf, Opel Astra a BMW řady 7 měly vyšší odpor vzduchu než jejich předchůdci v 1990. letech. Tento trend je podporován kohortou působivých modelů SUV s velkou přední plochou a zhoršujícím se provozem. Tomuto typu vozu byla vytýkána především jeho enormní hmotnost, v praxi však tento faktor nabývá s rostoucí rychlostí menší relativní důležitost - zatímco při jízdě mimo město rychlostí cca 90 km/h je podíl odporu vzduchu nižší. asi 50 procent, při rychlostech na dálnici se zvýší na 80 procent celkového odporu, se kterým se vozidlo setká.
Aerodynamická trubice
Dalším příkladem úlohy odporu vzduchu ve výkonu vozidla je typický model Smart city. Dvoumístný vůz může být po ulicích města mrštný a obratný, ale krátká a dobře proporcionální karoserie je z aerodynamického hlediska extrémně neúčinná. Na pozadí nízké hmotnosti se odpor vzduchu stává stále důležitějším prvkem a u modelu Smart začíná mít silný dopad při rychlostech 50 km / h. Není divu, že navzdory své lehké konstrukci nesplnil očekávání ohledně nízkých nákladů.
I přes nedostatky Smartu je však přístup mateřské společnosti Mercedes k aerodynamice příkladem metodického, konzistentního a proaktivního přístupu k procesu vytváření efektivních tvarů. Lze namítnout, že výsledky investic do aerodynamických tunelů a dřiny v této oblasti jsou v této společnosti obzvlášť viditelné. Zvláště nápadným příkladem efektu tohoto procesu je skutečnost, že současná třída S (Cx 0,24) má menší odpor větru než Golf VII (0,28). V procesu hledání většího vnitřního prostoru získal tvar kompaktního modelu poměrně velkou přední plochu a koeficient proudění je horší než u třídy S kvůli kratší délce, která neumožňuje dlouhé aerodynamické povrchy. a to především díky ostrému přechodu dozadu, podporujícímu tvorbu vírů. VW byl skálopevně přesvědčen o tom, že nová osmá generace Golfu bude mít výrazně menší odpor vzduchu a nižší a efektivnější tvar, ale navzdory novému designu a testovacím schopnostem se to pro vůz ukázalo jako extrémně náročné. s tímto formátem. S faktorem 0,275 se však jedná o nejaerodynamičtější Golf, jaký byl kdy vyroben. Nejnižší zaznamenaný poměr spotřeby paliva 0,22 na vozidlo se spalovacím motorem má Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Výhoda elektrických vozidel
Dalším příkladem důležitosti aerodynamického tvaru na pozadí hmotnosti jsou moderní hybridní modely a ještě více elektromobily. Například v případě modelu Prius je potřeba vysoce aerodynamického tvaru dána také skutečností, že s rostoucí rychlostí se snižuje účinnost hybridního hnacího ústrojí. V případě elektrických vozidel je vše, co souvisí se zvýšeným počtem kilometrů v elektrickém režimu, nesmírně důležité. Podle odborníků úbytek hmotnosti o 100 kg zvýší kilometrový výkon vozu jen o několik kilometrů, ale na druhou stranu má pro elektromobil zásadní význam aerodynamika. Zaprvé proto, že velká hmotnost těchto vozidel jim umožňuje rekuperovat část energie spotřebované rekuperací, a zadruhé proto, že vysoký točivý moment elektromotoru umožňuje kompenzovat účinek hmotnosti během startování a jeho účinnost klesá při vysokých rychlostech a vysokých rychlostech. Výkonová elektronika a elektromotor navíc vyžadují méně chladicího vzduchu, což umožňuje menší otvor v přední části vozu, což je, jak jsme již poznamenali, hlavní příčinou sníženého průtoku těla. Dalším prvkem motivujícím designéry k vytváření aerodynamicky efektivnějších forem v moderních plug-in hybridních modelech je režim bez akcelerace pouze s elektrickým pohonem, tzv. plachtění. Na rozdíl od plachetnic, kde se tento výraz používá a vítr musí pohybovat lodí, by se u automobilů zvýšil počet kilometrů na elektrický pohon, kdyby měl vůz menší odpor vzduchu. Vytvoření aerodynamicky optimalizovaného tvaru je nákladově nejefektivnějším způsobem, jak snížit spotřebu paliva.
Koeficienty spotřeby některých slavných automobilů:
Mercedes Simplex
Výroba 1904, Cx = 1,05
Přepravní vůz Rumpler
Výroba 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Výroba 1927, Cx = 0,70
Kama experimentální model
Vyrobeno v roce 1938, Cx = 0,36.
Rekordní vůz Mercedes
Výroba 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Výroba 1950, Cx = 0,44
Volkswagen "želva"
Výroba 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Vyrobeno v roce 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Vyrobeno v roce 1957, Cx = 0,36.
MG EX 181
Výroba z roku 1957, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Výroba 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Výroba 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Výroba 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Combi
Výroba 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Výroba 1983, Cx = 0,31
Mercedes W 124
Výroba 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Výroba 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Výroba 1997, Cx = 0,29
