аеродинаміки

Окрім підвищення активної та пасивної безпеки, вантажні автомобілі також повинні ставати дедалі економічнішими в експлуатації. На це також суттєво впливає аеродинаміка.

Зменшення запасів нафти у світі та постійно зростаючий обсяг вантажних перевезень останнім часом все більше впливають на розвиток нових поколінь вантажних автомобілів. На додаток до підвищення активної та пасивної безпеки, вони повинні бути більш економічними в експлуатації, а також більш екологічно чистими. В основному мова йде про зменшення споживання палива та кількості небажаних вихлопних газів у вихлопних газах, особливо оксидів азоту NOx, кількості твердих частинок (сажі) та кількості вуглекислого газу CO2. Водночас слід зазначити, що СО2 не є прямим забруднювачем, а зв’язує кисень із повітря, якого тоді не вистачає у людей, тварин та рослин. Останнім часом найголовніше - зменшити кількість СО2, чого можна досягти лише за рахунок зменшення споживання палива. Які технічні можливості?

Ефективний транспорт на тонну

На додаток до зменшення витрати палива в двигуні, дотримання принципів економічної їзди та поліпшення умов дорожнього руху, необхідно терміново зменшити опір руху, особливо для найпоширеніших комбінацій напівпричіпних тракторів. Від чого залежить споживання палива на практиці? Витрата палива в літрах на 100 км вищий, чим вищий питомий витрата палива двигуна, тим вища потужність та повільніший транспортний засіб. Незначною мірою споживання також зростає із зменшенням питомої ваги палива.

Найкращі на сьогоднішній день дизельні вантажні двигуни мають найнижчу питому витрату палива серед усіх двигунів внутрішнього згоряння, 186 г/кВт-год (тобто вони споживають щонайменше грам палива для розвитку одного кіловата на годину) і забезпечують ефективність 46%. Таким чином, що стосується палива, цей транспорт є відносно дешевим. Це також випливає з практичного прикладу: якщо сьогоднішній тракторний комплект із повністю завантаженим напівпричепом має загальну вагу 40 т і споживає в літаку в середньому 30 л/100 км зі швидкістю 85 км/год, то це у перерахунку на одну тонну три чверті літра дизеля на 100 км. Це означає, що такий двигун здатний перевезти 1000 кг загальної ваги автомобіля на відстань 100 км у неймовірних 0,75 л дизеля, що - щоб ви уявили - відповідає половині великої пляшки мінеральної води . Навіть деякі нові напівпричіпні трактори досягають витрати палива близько 25 л/100 км при 85 км/год. Таким чином, їм потрібно лише 0,6 л дизеля для транспортування 1000 кг загальної ваги на відстань 100 км. Водії сучасних легкових автомобілів можуть лише мріяти про таке споживання.

Де резерви?

При вищезазначеному низькому споживанні палива вантажних двигунів їх потужність витрачається під час руху, щоб подолати опір руху. Це опір механізму передачі (від двигуна до ведучих коліс), опір коченню, опір повітря, опір нахилу, опір прискоренню та зчеплення напівпричепа чи причепа.

Більше немає великих можливостей зменшити споживання палива двигунами внутрішнього згоряння. Однак досі існують резерви використання гібридних приводів (комбінацій двигунів внутрішнього згоряння та електродвигунів) при розподілі товарів, особливо у містах. Тут при гальмуванні двигуном та гальмами електрична енергія накопичується в акумуляторах, а потім використовується для живлення автомобіля.

Потужність, яка витрачається на подолання опору механізму передачі, становить близько 10% від загальної потужності двигуна. Тут редуктори з іншими компонентами системи передач, що працюють вручну, мають відносно високий ККД 90% при оптимальній конструкції, на якій особливо багато чого не можна вдосконалити.

Опір коченню залежить від величини коефіцієнта опору коченню шин та від загальної ваги автомобіля. Через високий напірний тиск вантажних шин коефіцієнт їх опору коченню становить близько 0,006, що в 2,5 рази менше, ніж у легкових автомобілів, що мають значно нижчий тиск накачування. Також немає великих можливостей для подальшого технічного вдосконалення. Цікаво, що у вантажних автомобілів тиск накачування шин набагато більше впливає на опір коченню і, отже, на витрату палива, що обумовлено його великою загальною вагою. Ще одним цікавим фактом є те, що тягач із напівпричепом загальною вагою 40 т повинен подолати опір коченню 2354 Н, що споживає 55,6 кВт потужності двигуна.

Опір підйому залежить від підйому на дорогу та загальної ваги автомобіля. Є ще деякі можливості зменшити вагу автомобіля, оптимізуючи їх конструкцію та використовуючи більш легкі матеріали.

Опір інерції під час розгону залежить від загальної ваги автомобіля, але також від його обертових мас (двигуна, трансмісії та коліс) і, звичайно, також від необхідного прискорення, на яке впливають техніка руху та щільність руху.

Опір буксируванню напівпричепа чи причепа визначається подібними опірами руху, як і буксирувальному транспортному засобу.

Потенціал зменшення опору повітря

Однак найбільші прогалини у зменшенні споживання пального полягають у зменшенні опору повітря напівпричіпних тракторів. Тим часом чинні норми ЄС, які обмежують загальну довжину вантажівок максимум до 16,5 м, значною мірою перешкоджають цьому. Це пов’язано з тим, що двигун споживає значну кількість енергії для подолання опору повітря. Ця потужність залежить насамперед від квадрата швидкості руху повітря навколо транспортного засобу (у разі відсутності вітру) від швидкості руху), від коефіцієнта опору повітря автомобіля, його передньої поверхні, а також від щільності повітря. Тому, коли холодно, повітря має вищу щільність, тому машині доводиться «проникати» з більш густим повітрям і, отже, має більший витрата палива.

Взагалі кажучи, чим вища потужність двигуна, тим більше палива він споживає. З метою зацікавлення зазначимо, що сучасні комплекти тракторів з напівпричепом мають коефіцієнт опору повітря від 0,6 до 0,8 та площа фронту менше 10 м2. Тільки для порівняння: пасажирські автомобілі сьогодні мають коефіцієнт опору повітря від 0,25 до 0,45 і передню поверхню близько 2 м2. Тоді при розглянутій щільності повітря 1,2 кг/м3, коефіцієнту опору повітря 0,8 та безвітряній швидкості 85 км/год, комбінація трактор-причіп має опір повітря 2673 Н, а двигун повинен видавати 63 кВт до подолати це. При їзді зі швидкістю 90 км/год опір повітря збільшується до 3000 Н, а необхідна потужність двигуна - до 75 кВт. Ситуація дуже погана під час зустрічного вітру. Наприклад, якби вітер дув у зворотному напрямку зі швидкістю 40 км/год на осі з коефіцієнтом опору повітря 0,8 при швидкості руху 90 км/год, опір повітря збільшився б до 6 255 Н і необхідна потужність двигуна до 226 кВт.!

Промисловий дослідницький проект

З цих причин виробники тракторів Daimler, Iveco та MAN, а також виробники напівпричепів Kögel, Krone та Schmitz Cargobull витратили близько року на використання великого потенціалу автомобільної промисловості щодо опору повітря для зменшення споживання палива тракторами. з причепом. Співпрацююча компанія FluiDyna GmbH провела всі чисельні дослідження і відповідала за будівництво моделей аеродинамічних тунелів та вимірювання в них.

Дослідницька робота була зосереджена на формуванні передньої частини трактора, поздовжньої стінки трактора та напівпричепа та задньої частини транспортного засобу. Безперервний безперервний потік повітря навколо автомобіля без відриву повітряних струменів має вирішальне значення для низького опору повітря. Також важливо формувати передні заокруглення, які не повинні перевищувати певний мінімальний радіус. При швидкості руху не менше 60 км/год вона становить менше 118 мм.

При поздовжньому формуванні автомобіля представляє інтерес досягти плавного потоку повітря навколо шасі автомобіля. Це зменшує енергію потоку в нижній частині біля автомобіля, тим самим зменшуючи середню швидкість потоку. Це, в свою чергу, призведе до меншого збільшення протитиску в задній частині автомобіля. Тому були розроблені різні підлогові та бічні покриття, а також різні контури даху.

За причепом створюється круговий вихор. Заднє заокруглення розсіює повітряний потік позаду автомобіля та збільшує відстань між круговим вихором та задньою частиною автомобіля. Таким чином, площа вакууму, що позначається круговим вихором, має менший вплив на основний тиск у задній частині причепа.

Дослідження проводили на моделі вантажівки в масштабі 1: 2,5. Ця основна форма транспортного засобу була використана в чисельних та експериментальних дослідженнях. Спойлер на даху основного кузова автомобіля був сконструйований таким чином, що його кут регулювання з'єднувався з верхнім краєм причепа. Для простоти не розглядалися ні сонцезахисні козирки, направляючі пластини, ні третє дзеркало. Деякі частини шасі, такі як однак запасні колеса, компоненти приводу та бак були враховані, оскільки вони мали особливий вплив на потік повітря.

Розробка напівпричепа була зосереджена на його підлозі, оскільки вантажний простір усіх напівпричепів має однакову ширину 2,55 м. Підлога причепа містить, зокрема, поздовжні та поперечні балки, а також два запасні колеса. Через реальність потоку навколо напівпричепа бічні краї були скошені під кутом 45 градусів. Два верхні бічні краї були закруглені до радіусу 25 мм.

Аеродинамічні вимірювання проводили у аеродинамічній трубі Daimler AG у Штутгарті. В результаті моделювання визначено коефіцієнт опору повітря cx = 0,442, а значення 0,424 виміряно в аеродинамічній трубі. Цю різницю можна пояснити тим, що довжина моделі транспортного засобу трохи перевищувала розміри вимірювального шляху тунелю.

Що стосується меншого опору

Як і слід було очікувати, повітряний опір вантажівки у дослідницькому проекті був набагато нижчим, ніж у звичайних вантажних автомобілів, оскільки він опускав численні деталі, які негативно впливали б на потік. Встановлено, що передня частина трактора спричиняє менші розриви повітряних струменів та зони зворотного потоку та відповідно менші втрати енергії. Умови тиску навколо транспортного засобу, зокрема, були визначальними для опору повітря, оскільки вони створювали тиху витягнуту зону спереду автомобіля та переважно нейтральний тиск ззаду. У вільному просторі між кабіною водія та причепом був майже постійний тиск. Це призвело до взаємного впливу тиску та тяги на передню частину причепа та задню частину кабіни. Через значну вихрову систему над дахом причепа пограничний шар біля площини симетрії потовщився. Дзеркальна втулка створювала міцний довгий бічний вихор, який також суттєво впливав на товщину прикордонного шару.

На передній стороні трактора вони оцінили розмір радіусів бічних країв від 20 до 150 мм. Згідно з розрахунками, багатьох розривів повітряних струменів можна уникнути зі швидкістю 80 км/год, якщо згадані радіуси не менше 88 мм.

Розширивши передню частину трактора на 500 мм, його геометрія може бути адаптована для збільшення заокруглення передньої частини трактора. Ці заходи могли зменшити загальний опір повітря. Подовжуючи передню частину автомобіля, бокові дзеркала набули особливого значення. Вони вносять десять відсотків у загальний опір повітря. Ще кращого результату можна було б досягти, замінивши дзеркала на систему камер.

Опір повітря значно зменшить розміщення додаткових кришок на задній частині автомобіля. Моделювання варіантів задньої кришки дало майже на 10% менше опору повітря. Зокрема, дослідження напрочуд показали, що найкоротші покриття мають найкращі результати. Нижні кришки ззаду автомобіля не покращились, але становили значний ризик аварії автомобіля ззаду.

Округлення концепції опускання даху розпочалося з першої осі напівпричепа висотою 4,0 м і досягло висот 3,5 і 3,0 м. Це зменшило опір повітря на 6,8% на 3,5 м і на 10% на 3,0 м. Ці коригування можуть бути застосовані на практиці лише в тому випадку, якщо втрата вантажного простору була компенсована розширенням транспортного засобу.

Прикінцеві зауваження

Покращення аеродинаміки за рахунок оптимізації передньої частини автомобіля зменшило опір повітря на 4,5%, що призвело до економії пального на 1,3%. Однак заходи пов'язані із значними технічними витратами, що робить їх дорогими на практиці. Завдяки оптимізації задньої частини автомобіля з кришками, встановленими під кутом 13 градусів, споживання пального було зменшено на 2,7%. При такому розташуванні транспортний засіб слід подовжити на 400 мм. Якби директиви ЄС були пристосовані до цього, починаючи будувати вантажні автомобілі довшого терміну, це мало б позитивний вплив на навколишнє середовище та на економічну ефективність транспорту вантажівками. Тому FluiDyna GmbH запропонувала запровадити комплекти довжиною 18,75 м та використовувати вантажівки в системі EuroCombi. Торік автомобілі EuroCombi були допущені до дорожніх випробувань у Німеччині, і за словами їх прихильників, у найближчі десятиліття вони матимуть значний вплив на поліпшення навколишнього середовища та підвищення ефективності автомобільного транспорту.

Підготовлено у співпраці з журналом Вантажівка та бізнес.

Мета щоденника "Правда" та його інтернет-версії - щодня повідомляти вам актуальні новини. Щоб ми могли працювати для вас постійно і навіть краще, нам також потрібна ваша підтримка. Дякуємо за будь-який фінансовий внесок.