Aerodynamika i nie tylko

Każdy producent pojazdów użytkowych oferuje tzw. pakiety oszczędnościowe, po zastosowaniu których samochód będzie zużywał mniej paliwa. Pakiety te zawierają wiele elementów, od oferty szkoleń dla kierowców, zmniejszania masy własnej pojazdu, po zestaw osłon aerodynamicznych. W czasach drogiego paliwa wszędzie szukamy oszczędności.

Pomóc człowiekowi

Podobno najbardziej zawodnym i nieprzewidywalnym „elementem” ciężarówki jest kierowca. Szkolenia z techniki jazdy mają na celu wyeliminowanie błędów i złych przyzwyczajeń skutkujących zwiększonym użyciem paliwa. Gdyby jednak kierowca zapomniał, czego nauczono go na kursie, powszechnie wprowadza się w ciężarówkach zautomatyzowane skrzynie biegów, które dzięki odpowiedniemu oprogramowaniu zmieniają biegi wtedy, kiedy trzeba, a nie wtedy, gdy kierowca ma na to ochotę.

Udowodniono, że wielu kierowców nie kontroluje ciśnienia powietrza w oponach. Ciśnienie powietrza niższe od optymalnego o 2 bary powoduje wzrost zużycia paliwa o 0,2 l na 100 km. Co prawda, system monitorujący ciśnienie powietrza w oponach nie jest w Europie wymagany, lecz już teraz takie urządzenia stają się coraz popularniejsze. Koncerny oponiarskie oferują ogumienie o zmniejszonych oporach toczenia, jednak ze względu na wysoką cenę, nie jest ono jeszcze powszechne.

Silnikowe kompromisy

Silnik spalinowy jest wyjątkowo niekorzystnym źródłem napędu pojazdów, gdyż ma małą sprawność (do 50%) i może pracować oszczędnie w dość wąskim zakresie prędkości obrotowych. Ponieważ, jak na razie, nie wymyślono niczego lepszego, trzeba go udoskonalać, a więc komplikować.

W dzisiejszych czasach rozwój konstrukcyjny silników jest zależny od kolejnych norm emisji spalin. Norma Euro VI, która zacznie obowiązywać w 2013 roku, w stosunku do Euro V drastycznie ogranicza emisję tlenków azotu (z 2,0 do 0,4) i cząstek stałych (z 0,03 do 0,01). Producenci samochodów nie mają wyjścia - muszą instalować urządzenia zmniejszające emisję tych składników poza silnikiem. Nie wdając się w szczegóły techniczne, warto jednak zauważyć, że obniżając zawartość cząstek stałych w spalinach, podnosi się jednocześnie zawartość tlenków azotu. Jeśli zwiększymy stopień recyrkulacji spalin w silniku, zmniejszy się emisja tlenków azotu, ale zwiększy emisja cząstek stałych. Jak poradzić sobie z tym problemem, skoro normy nakazują jednoczesne zmniejszenie emisji obu tych substancji? Do zmniejszenia emisji tlenków azotu możemy zastosować układ recyrkulacji spalin (EGR) lub układ selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) z wtryskiwaniem do spalin wodnego roztworu mocznika (AdBlue). Wszyscy producenci silników są zgodni, że w silnikach Euro 6 trzeba stosować dwa układy jednocześnie – EGR i SCR, dodając jeszcze filtr cząstek stałych, katalizator utleniający i niekiedy katalizator nieprzereagowanego amoniaku. Scania i Mercedes-Benz, którzy obecnie produkują silniki Euro VI, są zdania, że połączenie EGR i SCR spowodowało „optymalizację” sterowania pracą silnika i mniejsze zużycie paliwa. Jednak z punktu widzenia kosztów eksploatacji pojazdu, do ceny paliwa trzeba dodać koszt płynu AdBlue. Taniej więc nie będzie.

Konstruktorzy silników zwrócili też uwagę na osprzęt silnika. Renault Trucks w swoim eksperymentalnym pojeździe Optifuel Lab zastosował dwubiegową pompę cieczy chłodzącej silnik.

Chłodzenie silnika uzależnione jest od jego temperatury, gdyż zimna jednostka napędowa zużywa więcej paliwa. W efekcie prędkość przepływu płynu chłodzącego w obiegu zimnego silnika jest minimalna, by jak najszybciej osiągnął on właściwą temperaturę pracy. Podobnie jest z przepływem oleju silnikowego, którego prędkość można regulować dzięki pompie o zmiennym wydatku. W ramach dalszych oszczędności okresowo wyłączane są niektóre urządzenia, np. sprężarka powietrza układu hamulcowego.

Wydaje się, że możliwości oszczędzania w obrębie jednostki napędowej wkrótce się skończą. Przypomniano więc sobie o aerodynamice.

Powietrze jest wszędzie

W projektowaniu pojazdów użytkowych najmniej wykorzystywanym obszarem powodującym zmniejszenie zużycia paliwa jest polepszenie własności aerodynamicznych. Do tej pory stosowano co prawda owiewki montowane na dachu kabiny czy między kabiną a naczepą, ale nie traktowano aerodynamiki kompleksowo. Badania w tunelu aerodynamicznym są dość kosztowne i długotrwałe, a ich efekt można łatwo popsuć, np. opuszczając szybę w kabinie. Jednak coraz głośniej mówi się o wpływie oporów aerodynamicznych na zużycie paliwa. Niektórzy producenci, jak Scania, budują nawet własny kanał aerodynamiczny. W zasadzie teoria aerodynamiki jest opracowana od wielu, a praktykę poznano podczas badań nadwozi samochodów osobowych.

Najprostszą drogą poszedł Renault Trucks w prototypowym zestawie drogowym Optifuel Lab dokonując modyfikacji w produkowanym seryjnie modelu Premium. W ciągniku wydłużono o 30 cm zderzak, zmieniono kształt dachu kabiny i usunięto lusterka zewnętrzne, zastępując je kamerami. Między kabiną, a naczepą zastosowano spoilery boczne. Najwięcej zmian dokonano w naczepie: osłonięto koła jezdne, zastosowano dyfuzory powietrza optymalizujące jego przepływ pod zestawem. Z tyłu naczepy zamontowano spojlery o długości 70 cm pozwalające na maksymalne ograniczenie strefy turbulencji powietrza. Powstaje ona za samochodem podczas jazdy i działa hamująco na jego ruch. Zmieniono też kształt dachu naczepy z płaskiego na wypukły. Zestaw porusza się na oponach o zmniejszonych oporach toczenia Michelin Energy SaverGreen. Według Renault Trucks, eksperymentalny zestaw Optifuel Lab ze zmianami aerodynamicznymi napędzany silnikiem Euro 5 zużywa o 13% mniej paliwa w stosunku do porównywanego, obecnie produkowanego zestawu drogowego.

Jakie oszczędności daje sama aerodynamiczna naczepa? Na to pytanie starał się odpowiedzieć Mercedes-Benz, który opracował eksperymentalną naczepę o niskich oporach aerodynamicznych. Naczepę połączono z seryjnym, obecnie produkowanym ciągnikiem siodłowym Actros. W stosunku do wersji typowej, zestaw ciągnik siodłowy Actros i eksperymentalna naczepa ma o 17 - 18% mniejszy współczynnik oporu powietrza. Zdaniem Mercedesa-Benza zmniejszenie tego współczynnika o 18% powoduje zmniejszenie zużycia paliwa o 5%. Przy rocznych przebiegach rzędu 150 tys. km aerodynamiczna naczepa pozwala więc zaoszczędzić ok. 2000 litrów oleju napędowego. W aerodynamicznej naczepie zastosowano:

- spoiler między naczepą a ciągnikiem – oszczędność o 1%,

- boczne osłony – oszczędność o 8%

- tylny dyfuzor i panele podwoziowe – oszczędność o 1-2%

- tylne osłony o długości 40 cm – oszczędność o 7%.

MAN opracował aerodynamiczny zestaw drogowy od podstaw. Prototypowy zestaw - ciągnik siodłowy i naczepa o futurystycznych kształtach nazwano sugestywnie Concept S. Zestaw zbadano w tunelu aerodynamicznym. Firma twierdzi, że współczynnik oporu powietrza tego zestawu jest porównywalny z samochodem osobowym. Podaje się, że zużycie paliwa Concept S jest aż o 25% niższe od porównywalnego 40-tonowego ciągnika o tradycyjnej budowie.

Dlaczego nie wprowadza się do seryjnej produkcji aerodynamicznych naczep? Nie pozwalają na to obowiązujące przepisy. Eksperymentalne, aerodynamiczne naczepy przy zachowaniu dotychczasowych wymiarów przestrzeni ładunkowej przekraczają o ok. 50 cm dopuszczalny limit długości określony obowiązującymi przepisami. Jest to spowodowane głównie zastosowaniem tylnych osłon. Potrzebna jest więc zmiana przepisów. Wydaje się, że ten producent, który jako pierwszy wprowadzi do seryjnej produkcji aerodynamiczną naczepę, osiągnie sukces finansowy i przychylność ekologów.

Historia aerodynamiki

Aerodynamiką pojazdów samochodowych zainteresowano się po I wojnie światowej. Zauważono, że samochód porusza się nie tylko po drodze, ale również w powietrzu. Pionierami byli m.in. Edmund Rumpler i Paul Jaray, który w 1921 r., uzyskał patent na aerodynamiczne nadwozie zamknięte auta osobowego oraz Wunibald Kamm, który opracował charakterystyczny tył nadwozia. W latach 30. zaczęto budować pierwsze tunele aerodynamiczne i stworzono podstawy teoretyczne, tworząc wzory na opory aerodynamiczne. Producenci samochodów osobowych zainteresowali się aerodynamiką dopiero w latach 70., gdy kryzys paliwowy (1973 r.) zmusił ich do redukcji zużycia paliwa w swoich wyrobach. Można sadzić, że w przypadku producentów ciężarówek i naczep, ten moment nadszedł teraz.
Siła oporu aerodynamicznego wyraża się wzorem:

P = ½ C ρ V2 A [N], gdzie:

P – siła oporu aerodynamicznego,
C – bezwymiarowy współczynnik oporu,
ρ – gęstość powietrza [kg/m3],
V – prędkość jazdy pojazdu [m/s],
A – umowna powierzchnia odniesienia, w przybliżeniu przekrój poprzeczny nadwozia [m2].

Zwróćmy uwagę, że siła oporu aerodynamicznego wzrasta z kwadratem prędkości jazdy – im szybciej jedziemy, tym większa siła oporu i większe zużycie paliwa.
Całkowity opór aerodynamiczny jest sumą oporów składowych. Najważniejsze z nich to:
- opór profilowy (ok. 60% oporu całkowitego), którego wartość zależy od podłużnego przekroju pojazdu. Struga powietrza opływającego nadwozie powinna zachować ciągłość,
- opór zakłóceń (ok. 15%) – zakłócenia opływu powietrza wokół wystających elementów (np. lusterek),
- opór wewnętrzny (ok. 10%) – przepływ powietrza przez kabinę (wentylacja wnętrza) i komorę silnika,
- opór tarcia (5-8%) – powietrza o nadwozie, które powinno być gładkie (plandeki się nie nadają),
- opór indukcyjny – powietrze płynące pod nadwoziem ma mniejszą prędkość i wyższe ciśnienie od powietrza płynącego po bokach nadwozia. Strugi powietrza pod nadwoziem odchylają się na zewnątrz, kierując się do góry, gdyż tam jest niższe ciśnienie. W ten sposób powstają zawirowania.

Konstruktorzy nadwozi starają się zmniejszyć współczynnik oporu czołowego Cx, który odzwierciedla stopień aerodynamicznej doskonałości nadwozia. Współczynnik ten wyznacza się doświadczalnie w kanale aerodynamicznym lub przez symulacje komputerowe. Najdokładniejsze wyniki dają badania w tunelu aerodynamicznym modelu pojazdu w skali 1:1. Dla porównania kilku pojazdów ze sobą korzystniej jest brać pod uwagę iloczyn Cx A, a nie tylko sam Cx.