Správa o aerodynamike Správa Modely šetriace palivo z aerodynamického tunela AUTO MOTOR UND SPORT
Nízky odpor vzduchu pomáha šetriť palivo. Je dobré, že aerodynamici majú veľa priestoru na to, aby bolo auto efektívnejšie.
„Aerodynamika je pre ľudí, ktorí nemôžu vyrábať motory.“ Tento citát pochádza od Enza Ferrariho v šesťdesiatych rokoch. Len o desať rokov neskôr svet uviazol vo svojej prvej ropnej kríze, ktorá prinútila technikov prehodnotiť to. Časy, v ktorých boli jazdné odpory potlačené monster motormi, bez ohľadu na to, koľko pohltili, sa zdali konečne skončené, aerodynamicky prepracované karosérie zrazu získali na dôležitosti.
Nebolo ani potrebné prelomiť nové základy, pretože základné vzťahy medzi zjednodušenými telami a jazdným odporom uznali vizionári ako Edmund Rumpler a Paul Jaray už v 20. rokoch 20. storočia.
Odpor vzduchu nezávisí iba od kvality formy a koeficientu odporu
Iba o niečo neskôr aerodynamici Freiherr Reinhard Koenig-Fachsenfeld a Wunibald Kamm spresnili svoje nápady. Tvary karosérie, ktoré navrhli, samozrejme nemohli zmeniť skutočnosť, že odpor vzduchu nad určitou rýchlosťou je väčší ako všetky ostatné jazdné odpory. Ale s konkrétnym aerodynamickým dolaďovaním sa dá táto hranica určite posunúť smerom nahor.
Aerodynamický odpor nezávisí iba od kvality tvaru vozidla, a teda od takzvaného koeficientu odporu - čelná plocha (A) je druhým určujúcim geometrickým parametrom, ktorý vozidlo poskytuje. Ako úplne rovný povrch by mal jeho koeficient odporu 1,0. Úlohou aerodynamiky je teraz zmenšiť efektívne efektívnu plochu zjednodušeným dizajnom. Čím lepšie to bude úspešné, tým nižší bude koeficient odporu.
Ako sa merajú najdôležitejšie množstvá cW a A? Na stanovenie koeficientu odporu je nevyhnutný aerodynamický tunel, ktorého centrálnou súčasťou nie je silné dúchadlo, ale veľmi presná váha, na ktorej auto stojí. Zaznamenáva všetky sily a momenty, ktorými vzduch ťahá za stojaci automobil, ktorého kolesá by sa mali krútiť, aby sa dosiahol realistický výsledok.
Viac mŕtvej vody pod hatchbackom
Vzduch pred autom je stlačený skôr, ako dôjde k jeho premiestneniu, vzadu sa odtrhne a vytvorí podtlak alebo sanie. Pri tomto saní sa vytvorí vzduchový valec, ktorý aerodynamici nazývajú mŕtva voda. Hatchback zvyčajne vytvára viac podtlaku ako nižší zadný sedan.
Čím nižšie sú sily merané váhami, tým nižší je koeficient odporu. Tieto sily sa merajú jednotne pri rýchlosti 140 km/h. Napríklad koeficient odporu 0,30 znamená, že 30 percent vzduchu, ktorým auto cestuje, sa zrýchli na rýchlosť jazdy.
Na účely určenia čelnej plochy vozidla sa vonkajší obrys prednej strany skenuje laserom a plocha sa určuje v štvorcových metroch. Ak vynásobíte koeficient odporu touto oblasťou, získate efektívny odpor vzduchu, ktorý je uvedený v metroch štvorcových.
Rovnako dôležitá ako aerodynamika v konštrukcii vozidiel, zavedenie nového európskeho jazdného cyklu (NEDC) v roku 1996 znamenalo, že pri určovaní oficiálnej spotreby hral iba vedľajšiu úlohu (pozri rámček). Výrobcovia pohotovo zareagovali. Dovtedy efektívny odpor (cd x A) nepretržite klesal, ale u mnohých ľudí klesol iba efektívny koeficient odporu, proti čomu mu čelila narastajúca čelná plocha A stále väčších automobilov. VW Golf, Opel Astra alebo BMW radu 7 teraz ponúkajú vetru väčší efektívny cieľ ako v 90. rokoch.
SUV a Smart sú v aerodynamickom tuneli porazení
Potom je tu rozmáhajúci sa cech SUV s ich obrovskými prednými plochami. Na verejnosti sa však kritizovala väčšinou iba vysoká hmotnosť, aj keď vplyv klzkej karosérie na spotrebu je väčší ako pri samotnej hmote: V priemere je asi 50 percent na úkor zaťaženia vetrom, pri rýchlostiach na diaľnici to môže byť 80 percent a viac.
Cítia to dokonca aj mestské runabouty ako Smart, ktorých vysoký, hranatý a krátky tvar je obzvlášť nepriaznivý. Podľa vedúceho aerodynamiky Mercedesu Teddyho Wolla navyše zaťaženie vetrom dominuje ľahkému automobilu od 50 km/h. Hlavné dôvody, prečo nie je dvojmiestny vozeň taký ekonomický, ako by sa očakávalo vzhľadom na jeho nízku hmotnosť.
Oproti trendu sa sesterské modely značky Mercedes vyznačujú stále nižšími hodnotami cd x A. Bez ohľadu na trend, švábska automobilka naďalej ambiciózne pracuje vo svojich aerodynamických tuneloch a iba mierne zväčšila čelnú plochu svojich modelov. Takto sa zrodil najefektívnejší veľkovýrobný automobil na svete, E-Coupé, s vynikajúcim koeficientom odporu 0,24. Ale viedlo to aj k groteskným výsledkom (pre konkurenciu): Súčasný Mercedes triedy S ponúka menšiu odolnosť proti vetru ako VW Golf VI. Jeho vysoký tvar so strechou, ktorá je sotva sklonená dozadu, priaznivo ovplyvňuje množstvo dostupného priestoru, ale zhoršuje aerodynamiku. Preto je v špecifikáciách modelu Golf VII výrazné zníženie celkového aerodynamického odporu (nižšia, aerodynamickejšia karoséria).
Vsuvky Toyota Prius, Honda Insight a Opel Ampera
Aký dôležitý je nízky odpor vzduchu bez ohľadu na nereálne hodnoty NEDC, ukazuje aj pohľad na súčasné špičkové šetriče benzínových motorov. Toyota Prius, Honda Insight aj pripravovaný Opel Ampera sa vyznačujú menej svojou veľmi nízkou hmotnosťou (náročné na zložitú technológiu a veľké batérie) ako na veľmi zjednodušené karosérie s hodnotami koeficientu odporu okolo 0,26. Ak sa pozriete na tri hybridy zboku, zistíte veľké podobnosti s tvarom tela v tvare kvapky.
Frank Weber, bývalý projektový manažér spoločnosti General Motors pre Ampera twin Volt, už na začiatku vývojovej fázy vysvetlil, že úspora hmotnosti 100 kilogramov prinesie v porovnaní s elektrickým dojazdom iba o pár kilometrov viac. Naopak, aerodynamika je obzvlášť dôležitá pre všetky automobily s plne alebo čiastočne elektrickým pohonom. Pretože na rozdiel od automobilov s čistým spaľovaním môžu svoje batérie využívať na rekuperáciu veľkého množstva predtým kineticky generovanej energie (čím je auto ťažšie, tým viac). Ak sa však energia pohonu nezvratne odparí ako teplo vo veternom trení, logicky ju nemožno ďalej používať. Okrem toho, najmä elektrické pohony s ich silným krútiacim momentom, umožňujú pomerne ľahko akcelerovať veľkú váhu aj pri stojacom štarte. Namiesto toho majú tendenciu slabnúť pri vysokých rýchlostiach.
Súčasné hybridné vozidlá však profitujú aj zo zjednodušeného tvaru. Najmä funkcia plachtenia tu má novú definíciu. Na rozdiel od lodí hybridné vozidlá „plachtia“ s vypnutým motorom a súčasne odpojeným (na rozdiel od prerušenia palivovej nádrže) s asistujúcim elektromotorom, a to zvlášť dlho, keď má jazdný odpor, a teda predovšetkým všetok vzduch, zodpovedajúci malý povrch na napadnutie. Na aerodynamike je pekné to, že jej vylepšenia sú porovnateľne lacné. Podľa Teddyho Wolla nestoja nič, pokiaľ ide o základné plánovanie formy. Na druhej strane sú panely podvozku, spojlery alebo aktívne opatrenia, ako sú elektricky uzamykateľné žalúzie chladiča, o niečo nákladnejšie. Sotva existuje iné opatrenie na zníženie spotreby paliva tak lacno, ako prostredníctvom aerodynamiky.
Šéf aerodynamiky Daimer Teddy Woll o dôležitosti odporu vzduchu
Woll: Aerodynamika má zásadný vplyv na spotrebu paliva a táto spotreba rastie so zvyšujúcou sa rýchlosťou. Podľa toho, ktoré auto si vyberiete, je dominantným jazdným odporom odpor vzduchu od 50, 60 alebo 70 km/h. Vezmite si Smart, je to veľmi ľahké, ale nemá koeficient odporu vzduchu majstra sveta. Od 50 km/h prevažuje odpor vzduchu nad valivým odporom. V triede S dominuje odpor vzduchu pri rýchlosti okolo 70 km/h a v novej triede B pri rýchlosti 60 km/h.
Aký je vzťah medzi aerodynamikou a spotrebou?
Woll: Existuje všeobecné pravidlo: ak zlepšíme koeficient odporu o 0,01, spotreba ECE poklesne asi o 0,04 l/100 km alebo o jeden gram oxidu uhličitého. Pri skutočnej spotrebe zákazníka je to dokonca desatina litra, ktorú je možné týmto vylepšením ušetriť. Pri vysokých rýchlostiach na diaľnici môže ísť dokonca až na pol litra.
Kde je zvuková bariéra pre hodnotu c?
Woll: Dnes môžeme navrhnúť autá s hodnotou nižšou ako 0,2 Cd. Vyzerajú inak ako súčasné vozidlá. Napriek tomu by ste s nimi mohli ísť. Hodnota 0,2 bude pre nás na chvíľu cieľovou hodnotou.
Čo náklady na aerodynamické vylepšenia?
Woll: Mnoho aerodynamických opatrení nestojí nič, patria k nim všetky opatrenia v základných pomeroch. Aktívne prvky, ako napríklad mriežka chladiča v novej triede B, samozrejme nie sú k dispozícii zadarmo, zlepšujú však koeficient odporu o 0,01.
Existuje ešte priestor na zlepšenie pri znižovaní čelnej plochy automobilu?
Woll: Áno, ale dochádza ku konfliktu cieľov s pocitom priestoru. Dnes nemôžete predať auto zákazníkovi, v ktorom sa cíti stiesnenejšie ako v predchádzajúcom modeli.
Prajete si autá bez vonkajších spätných zrkadiel?
Woll: Keby sme sa zaobišli bez veľmi dobre tvarovaných súčasných zrkadiel, ktoré máme v novej triede E, mohli by sme zlepšiť koeficient odporu zhruba o 0,007. Kupé triedy E by si polepšilo z 0,242 na 0,235. Nesmieme však zabúdať, že v dnešnej dobe je v zrkadlách veľa vecí, napríklad ukazovatele, displeje asistenta mŕtveho uhla alebo okolité osvetlenie. Ak vymieňate zrkadlá za kamery, musí tu byť najskôr priestor pre monitory. Okrem toho musia poskytovať obraz ostrý ako britva - na aký je zvyknutý zrkadlový obraz. Fotoaparáty tohto typu sú navyše zákonom schválené až v Európe od roku 2016, zatiaľ však nie na celom svete.
Je pravda, že aerodynamika je pre elektrické autá dôležitejšia ako pre konvenčne poháňané automobily?
Woll: Máte pravdu - asi dvakrát tak dôležité. V bežných automobiloch sa stráca veľa kinetickej energie. Pri elektromobile je však asi polovica z nich spätne privádzaná do automobilu pomocou rekuperácie. To znamená, že nezvratné straty v dôsledku valenia a odporu vzduchu sú čoraz dôležitejšie.
Aký to má zmysel znížiť telo?
Woll: Desať milimetrov prináša medzi 0,003 a 0,004, to je niečo. Preto majú modely Mercedes so vzduchovým odpružením automatické spúšťanie v závislosti od rýchlosti - napríklad o 20 milimetrov od 140 km/h.
Ako presne môžete dnes zobraziť aerodynamické simulácie na počítači?
Woll: Dnes máme odchýlku hlboko pod jedno percento v porovnaní so skutočnou hodnotou. Ak máme vypočítanú úpravu, bude to trvať jednu noc - s čo najväčším výpočtovým výkonom. Pred desiatimi rokmi by rovnaká operácia trvala šesť mesiacov.
Veterný tunel bude čoskoro nadbytočný?
Woll: Vôbec. Ak dobre pripravíte sériu testov v aerodynamickom tuneli, môžete za deň vykonať 40 až 50 testov. Počítač to nedokáže. Silným argumentom je hluk vetra. Určite bude trvať ďalších 20 rokov, kým budeme môcť tieto zložité vzťahy v počítači rozumne znázorniť. Dnes nám počítač slúži na pochopenie ovplyvňujúcich premenných a na nájdenie optimalizačných prístupov. Veterný tunel je vhodný najmä na rýchle prepracovanie rôznych variantov. Počítač a veterný tunel sú vynikajúce nástroje a pracujú ruka v ruke.