Przepływ burzliwy
Zawartość
Jak nowoczesna technologia zmienia aerodynamikę samochodu
Niski opór powietrza pomaga zmniejszyć zużycie paliwa. Pod tym względem istnieją jednak ogromne możliwości rozwoju. Jak dotąd eksperci w dziedzinie aerodynamiki oczywiście zgadzają się z opinią projektantów.
„Aerodynamika dla tych, którzy nie potrafią produkować motocykli”. Te słowa wypowiedział Enzo Ferrari w latach 60. i wyraźnie pokazują stosunek wielu ówczesnych projektantów do tego technologicznego aspektu samochodu. Jednak dopiero dziesięć lat później przyszedł pierwszy kryzys naftowy i cały system wartości radykalnie się zmienił. Czasy, w których wszystkie siły oporu w ruchu samochodu, a zwłaszcza te, które powstają w wyniku jego przejścia przez warstwy powietrza, są przezwyciężane przez rozległe rozwiązania techniczne, takie jak zwiększenie objętości roboczej i mocy silników, niezależnie od ilości zużytego paliwa, znikają, a inżynierowie zaczynają szukaj bardziej skutecznych sposobów na osiągnięcie swoich celów.
W tej chwili czynnik technologiczny aerodynamiki pokryty jest grubą warstwą zapomnianego pyłu, ale nie jest to zupełnie nowe dla projektantów. Historia technologii pokazuje, że nawet w latach dwudziestych zaawansowane i pomysłowe mózgi, takie jak niemiecki Edmund Rumpler i Węgier Paul Jaray (który stworzył kultową Tatrę T77), tworzyły opływowe powierzchnie i kładły podwaliny pod aerodynamiczne podejście do projektowania karoserii. Następnie wzięła udział druga fala ekspertów w dziedzinie aerodynamiki, takich jak baron Reinhard von Kenich-Faxenfeld i Wunibald Kam, którzy opracowali swoje pomysły w latach 1930. XX wieku.
Dla każdego jest jasne, że wraz ze wzrostem prędkości dochodzi do granicy, powyżej której opór powietrza staje się krytycznym czynnikiem w prowadzeniu samochodu. Tworzenie aerodynamicznie zoptymalizowanych kształtów może znacznie przesunąć tę granicę w górę i wyraża się to tak zwanym współczynnikiem przepływu Cx, ponieważ wartość 1,05 ma sześcian odwrócony prostopadle do kierunku przepływu powietrza (jeśli jest obrócony o 45 stopni wzdłuż własnej osi, tak że jego górna krawędź jest zmniejszona do 0,80). Współczynnik ten jest jednak tylko częścią równania oporu powietrza – jako istotny element należy dodać wielkość powierzchni czołowej samochodu (A). Pierwszym z zadań aerodynamików jest stworzenie czystych, wydajnych aerodynamicznie nawierzchni (których czynników, jak zobaczymy, jest wiele w samochodzie), co ostatecznie prowadzi do zmniejszenia współczynnika przepływu. Aby zmierzyć to drugie, potrzebny jest tunel aerodynamiczny, który jest kosztownym i niezwykle złożonym obiektem – przykładem tego jest tunel BMW za 2009 milionów euro oddany do użytku w 170 roku. Najważniejszym elementem nie jest gigantyczny wentylator, który zużywa tak dużo prądu, że potrzebuje oddzielnej stacji transformatorowej, ale precyzyjny stojak rolkowy, który mierzy wszystkie siły i momenty, jakie strumień powietrza wywiera na samochód. Jego zadaniem jest ocena wszystkich interakcji samochodu z przepływem powietrza i pomoc specjalistom w przestudiowaniu każdego szczegółu i zmianie go w taki sposób, aby nie tylko był wydajny w przepływie powietrza, ale także zgodnie z życzeniami projektantów . Zasadniczo główne elementy oporu, na które napotyka samochód, pochodzą z kompresji i przemieszczania się powietrza przed nim oraz – co jest niezwykle ważne – z intensywnych turbulencji za nim z tyłu. Tworzy się tam strefa niskiego ciśnienia, która ma tendencję do ciągnięcia samochodu, co z kolei miesza się z silnym wpływem wiru, który aerodynamicy nazywają również „martwym wzbudzeniem”. Z logicznych powodów za modelami kombi poziom obniżonego ciśnienia jest wyższy, w wyniku czego pogarsza się współczynnik przepływu.
Aerodynamiczne czynniki oporu
To ostatnie zależy nie tylko od czynników takich jak ogólny kształt samochodu, ale także od konkretnych części i powierzchni. W praktyce ogólny kształt i proporcje nowoczesnych samochodów mają 40-procentowy udział w całkowitym oporze powietrza, z czego jedna czwarta jest określana przez strukturę powierzchni obiektu i cechy, takie jak lusterka, światła, tablica rejestracyjna i antena. 10% oporu powietrza wynika z przepływu przez otwory do hamulców, silnika i skrzyni biegów. 20% to efekt zawirowań w różnych konstrukcjach podłogi i zawieszenia, czyli wszystkiego, co dzieje się pod samochodem. A najciekawsze jest to, że do 30% oporu powietrza jest spowodowane przez wiry powstające wokół kół i błotników. Praktyczna demonstracja tego zjawiska daje dobitny o tym pogląd – współczynnik zużycia z 0,28 na samochód spada do 0,18 po zdjęciu kół i zakryciu otworów w błotniku wraz z dopełnieniem kształtu auta. To nie przypadek, że wszystkie samochody o zaskakująco niskim przebiegu, takie jak pierwsza Honda Insight i samochód elektryczny EV1 firmy GM, mają ukryte tylne błotniki. Ogólny aerodynamiczny kształt i zamknięty przód, dzięki temu, że silnik elektryczny nie wymaga dużej ilości powietrza chłodzącego, pozwoliły konstruktorom GM opracować model EV1 o współczynniku przepływu wynoszącym zaledwie 0,195. Tesla model 3 ma Cx 0,21. Do redukcji wirów wokół kół w pojazdach z silnikami spalinowymi, tzw. „Kurtyny powietrzne” w postaci cienkiego pionowego strumienia powietrza kierowane są z otworu w przednim zderzaku, nadmuchując wokół kół i stabilizując zawirowania. Dopływ do silnika jest ograniczony przez aerodynamiczne żaluzje, a dno jest całkowicie zamknięte.
Im mniejsze siły mierzone przez stojak rolkowy, tym niższy Cx. Według normy mierzy się ją przy prędkości 140 km/h – wartość np. 0,30 oznacza, że 30 proc. powietrza, przez które przechodzi samochód, rozpędza się do swojej prędkości. Jeśli chodzi o obszar przedni, jego odczyt wymaga znacznie prostszej procedury - w tym celu za pomocą lasera obrysowuje się zewnętrzne kontury samochodu patrząc od przodu i oblicza się zamkniętą powierzchnię w metrach kwadratowych. Następnie mnoży się go przez współczynnik przepływu, aby uzyskać całkowity opór powietrza pojazdu w metrach kwadratowych.
Wracając do historycznego zarysu naszego opisu aerodynamiki, stwierdzamy, że stworzenie znormalizowanego cyklu pomiaru zużycia paliwa (NEFZ) w 1996 r. faktycznie odegrało negatywną rolę w ewolucji aerodynamicznej samochodów (która znacznie posunęła się naprzód w latach 1980.). ), ponieważ czynnik aerodynamiczny ma niewielki wpływ ze względu na krótki okres ruchu z dużą prędkością. Chociaż współczynnik przepływu maleje z upływem czasu, zwiększenie gabarytów pojazdów w poszczególnych klasach skutkuje zwiększeniem powierzchni czołowej, a co za tym idzie wzrostem oporu powietrza. Samochody takie jak VW Golf, Opel Astra i BMW serii 7 miały większy opór powietrza niż ich poprzednicy z lat 1990. Trend ten jest napędzany przez kohortę imponujących modeli SUV-ów z dużą powierzchnią czołową i zmniejszającym się natężeniem ruchu. Ten typ samochodu był krytykowany głównie za ogromną masę, jednak w praktyce czynnik ten nabiera względnego znaczenia wraz ze wzrostem prędkości – podczas jazdy poza miastem z prędkością około 90 km/h udział oporu powietrza jest około 50 procent przy prędkościach autostradowych wzrasta do 80 procent całkowitego oporu, jaki napotyka pojazd.
Rurka aerodynamiczna
Innym przykładem roli oporu powietrza w prowadzeniu samochodu jest typowy model Smart City. Dwumiejscowy może być zwinny i zwinny na ulicach miasta, ale krótkie i proporcjonalne nadwozie jest wyjątkowo nieefektywne z aerodynamicznego punktu widzenia. Na tle lekkości opór powietrza staje się coraz ważniejszym elementem, a dzięki Smart zaczyna mieć silny wpływ przy prędkościach 50 km / h. Nic dziwnego, że pomimo lekkiej konstrukcji nie spełnił oczekiwań niskich kosztów.
Jednak pomimo niedociągnięć Smarta podejście firmy macierzystej Mercedesa do aerodynamiki jest przykładem metodycznego, konsekwentnego i proaktywnego podejścia do procesu tworzenia wydajnych kształtów. Można stwierdzić, że efekty inwestycji w tunele aerodynamiczne i ciężkiej pracy w tym zakresie są szczególnie widoczne w tej firmie. Szczególnie uderzającym przykładem efektu tego procesu jest fakt, że obecna Klasa S (Cx 0,24) ma mniejszy opór powietrza niż Golf VII (0,28). W procesie znajdowania większej przestrzeni wewnętrznej, kształt kompaktowego modelu uzyskał dość dużą powierzchnię czołową, a współczynnik przepływu jest gorszy niż w klasie S ze względu na krótszą długość, która nie pozwala na długie opływowe powierzchnie a głównie z powodu ostrego przejścia do tyłu, sprzyjającego tworzeniu się wirów. VW był nieugięty, że nowy Golf ósmej generacji będzie miał znacznie mniejszy opór powietrza oraz niższy i bardziej opływowy kształt, ale pomimo nowego projektu i możliwości testowania okazało się to niezwykle trudne dla samochodu. z tym formatem. Jednak ze współczynnikiem 0,275 jest to najbardziej aerodynamiczny Golf, jaki kiedykolwiek powstał. Najniższy odnotowany wskaźnik zużycia paliwa wynoszący 0,22 na pojazd z silnikiem spalinowym to Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Zaleta pojazdów elektrycznych
Kolejnym przykładem znaczenia formy aerodynamicznej na tle masy są nowoczesne modele hybrydowe, a tym bardziej samochody elektryczne. Na przykład w przypadku Priusa potrzeba wysoce aerodynamicznego kształtu podyktowana jest również tym, że wraz ze wzrostem prędkości spada wydajność elektrowni hybrydowej. W przypadku pojazdów elektrycznych wszystko związane ze zwiększonym przebiegiem w trybie elektrycznym jest niezwykle ważne. Według ekspertów utrata masy ciała o 100 kg zwiększy przebieg samochodu o zaledwie kilka kilometrów, ale z drugiej strony aerodynamika ma ogromne znaczenie dla pojazdu elektrycznego. Po pierwsze dlatego, że duża masa tych samochodów pozwala im zwrócić część energii zużywanej przez odzysk, a po drugie, ponieważ wysoki moment obrotowy silnika elektrycznego pozwala zrekompensować wpływ ciężaru podczas uruchamiania, a jego wydajność zmniejsza się przy dużych prędkościach i dużych prędkościach. Ponadto elektronika mocy i silnik elektryczny wymagają mniej powietrza chłodzącego, co zmniejsza otwór z przodu samochodu, co, jak już zauważyliśmy, jest główną przyczyną pogorszenia przepływu ciała. Kolejnym elementem motywującym projektantów do tworzenia bardziej aerodynamicznie wydajnych form we współczesnych modelach hybrydowych z modułem plug-in jest tryb ruchu bez przyspieszenia tylko za pomocą silnika elektrycznego lub tzw. Żeglarstwo. W przeciwieństwie do żaglówek, w których używa się tego terminu i wiatr powinien poruszać łodzią, w samochodach przebieg prądu z prądem wzrósłby, gdyby samochód miał mniejszy opór powietrza. Stworzenie aerodynamicznie zoptymalizowanego kształtu jest najbardziej opłacalnym sposobem na zmniejszenie zużycia paliwa.
Natężenia przepływu niektórych znanych samochodów:
Mercedes Simplex
Produkcja 1904, Cx = 1,05
Rumpler upuść samochód
Produkcja 1921, Cx = 0,28
Ford Model T.
Produkcja 1927, Cx = 0,70
Model eksperymentalny Kama
Produkcja 1938, Cx = 0,36.
Rekordowy samochód Mercedesa
Produkcja 1938, Cx = 0,12
Autobus VW
Produkcja 1950, Cx = 0,44
Volkswagen „Żółw”
Produkcja 1951, Cx = 0,40
Panhard Dina
Produkcja 1954, Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Produkcja 1957, Cx = 0,36.
MGEX 181
Produkcja z 1957 r., Cx = 0,15
Citroen DS 19
Produkcja 1963, Cx = 0,33
NSU Sport Prince
Produkcja 1966, Cx = 0,38
Mercedes C 111
Produkcja 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 Kombi
Produkcja 1975, Cx = 0,47
Audi 100
Produkcja 1983, Cx = 0,31
Mercedes W124
Produkcja 1985, Cx = 0,29
Lamborghini Countach
Produkcja 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Produkcja 1997, Cx = 0,29
