Aerodynamika vzduchu u BMW X3: principy, měření a praktické vlivy na spotřebu

Metoda EfficientDynamics je již dnes známým pojmem, kterým skupina BMW AG označuje důsledně prosazovaný soubor inovací přispívajících k tomu, aby každý nový typ automobilu měl proti svému předchůdci nejen nižší spotřebu a škodlivé emise, ale aby se zároveň zvýšil jeho výkon a tedy dynamika jízdy. Moderně pojaté strategii BMW EfficientDynamics jsme věnovali obsáhlý článek v AR 4/’09, kde ovšem poněkud stranou zůstala oblast tvarování vozů, tedy aerodynamicky účinného tvaru s minimalizovaným odporem vzduchu.

Účinná aerodynamika totiž zajímala konstruktéry automobilů většinou až poté, kdy pro zvýšení dynamiky nemohli z nějakých důvodů vyměnit stávající motor za výkonnější provedení, ale se souvisejícím nárůstem spotřeby paliva si zpravidla nikdo hlavu nelámal. Pak však přišla sedmdesátá léta minulého století s první ropnou krizí a najednou se situace dramaticky změnila. Automobilky okamžitě povolaly na pomoc specialisty na aerodynamiku, kteří dostali za úkol lepším proudovým řešením vozů zabránit plýtvání drahocenného paliva.

BMW AVZ: moderní aerodynamické centrum a jeho význam pro modely jako X3

Firma BMW sice už od roku 1979 provozuje pár kilometrů od Mnichova svůj vlastní aerodynamický tunel a v případě potřeby řešila úkoly spojené s prouděním i na pronajatých zařízeních, vedení BMW Group však dobře odhadlo situaci a vybudovalo náročnou investici do budoucnosti ve formě nového aerodynamického centra. To stálo celkem 170 milionů eur a bylo postaveno v těsné blízkosti výzkumného a vývojového střediska BMW FIZ, což umožňuje oblast aerodynamiky lépe integrovat do průběhu vývoje vozidel jako celku.

Vybudovány byly celkem dva aerodynamické tunely; větší z nich je horizontální a umožňuje ofukování automobilů v reálných rozměrech, menší pro měření na modelech vozů byl pro úsporu místa situován vertikálně. V programu EfficientDynamics slouží aerodynamické centrum BMW AVZ proudové optimalizaci automobilu, tedy především snížení jeho aerodynamického odporu, jenž spolu s odporem valení kol brání jízdě automobilu na rovné dráze.

Co tvoří aerodynamický odpor a proč je důležitý pro SUV jako X3

Aerodynamický odpor automobilu ze 40 % ovlivňují jeho proporce a tvar, přičemž asi čtvrtina připadá na účet detailů jako jsou zpětná zrcátka, světlomety, střešní ližiny apod. Dalších 10 % je dáno průtokem vzduchu pro chlazení vnitřních agregátů (motor, brzdy aj.), asi 20 % tvoří proudění pod podlahou vozu a 30 % vytvářejí kola a podběhy blatníků. Ovšem zatímco odpor valení s rychlostí narůstá jenom v přímé úměře, aerodynamický odpor stoupá s druhou mocninou rychlosti. Čím větší je rychlost, tím víc se projevuje odpor aerodynamický, zatímco odpor valení se stává položkou druhořadou.

Konstrukční zvláštnosti SUV, mezi které patří vyšší světlá výška, větší příčný průřez a často robustnější tvar karoserie, z hlediska aerodynamiky znamenají větší výzvu než u typických sedanů nebo hatchbacků. Aerodynamický odpor je z hlediska konstrukce vozu rovněž závislý na jeho příčném průřezu (tedy známé hodnotě) a na kvalitě obtékání vyjádřené bezrozměrným součinitelem odporu vzduchu cx, jenž je vlastně konečným výsledkem měření a následných výpočtů.

Měření v aerodynamickém tunelu a přenos výsledků na reálné vozy

Aerodynamický odpor lze zjistit v aerodynamickém tunelu prostřednictvím šestikomponentních vah, měřících síly a momenty působené prouděním vzduchu ve třech směrech. Aerodynamický odpor lze zjistit v aerodynamickém tunelu prostřednictvím šestikomponentních vah, měřících síly a momenty působené prouděním vzduchu ve třech směrech. Ten je ale z hlediska konstrukce vozu rovněž závislý na jeho příčném průřezu a na kvalitě obtékání.

Modely v měřítku 1:2 je tedy třeba ofukovat dvojnásobnou rychlostí než 1:1; vzhledem k dosahované rychlosti proudění 300 km/h to stačí na podmínky reálného provozu do 150 km/h. V Aerolabu jsou šestikomponentní váhy umístěny přímo v modelu a kola s modelem nejsou propojena. Hodnoty naměřené na modelech se přenášejí na vozy v originální velikosti, neboť přepočítávací formule vychází z teorie podobnosti, tedy zachování stejného Reynoldsova čísla, kdy součin délky objektu a rychlosti proudícího média musí být stejný.

Praktické poznatky z měření a aerodynamické pomůcky

Úkolem specialistů na aerodynamiku je např. pomocí kouřových sond zjišťovat, kde dochází ke vzniku turbulencí, a tato místa eliminovat, či omezit. Kvalitou se rozumí pokud možno v celém rozsahu proudění uspořádané (laminární), a co nejméně turbulentní, které by znamenalo lokální energetické ztráty. Snížit aerodynamický odpor o 10 % prakticky znamená snížit spotřebu paliva až o 2,5 %.

Pohyblivý pás pod měřeným objektem, jenž navozuje proudění vzduchu v oblasti podlahy a kol, je široký 3,2 m, což umožňuje měření i dvou modelů vedle sebe, simulujících například předjíždění. Lze zjistit i síly působící na model v různém vychýlení; speciálním zařízením je možno měnit geometrii kol, anebo světlou výšku.

Menší aerodynamický tunel BMW Aerolab je zajímavý tím, že se v něm dá dobře pracovat i s menšími detaily na modelech zhotovených ze speciálního materiálu, které lze rychle podle potřeby upravovat.

Air Curtain a další konkrétní řešení

Vzduchová clona Air Curtain je novinkou aerodynamiků ve strategii EfficientDynamics, přináší další úspory a jde o dva otvory rozměrů 30 x 100 mm v čelním spoileru, jimiž je vzduch veden ve dvou kanálech po vnitřní straně nárazníku až do podběhu kola, kde velkou rychlostí vystupuje malým otvorem a na vnějšku otáčejícího se kola vytváří ochrannou clonu proti vzniku silných turbulencí.

V Aerolabu byly zjišťovány součinitele odporu vzduchu cx na třech variantách modelu: se stojícími koly (0,29), otáčejícími se koly (0,28) a s úpravou vstupu vzduchu v oblasti kol Air Curtain (0,27), resp. bez kol (0,18). Poněkud překvapivé je kvalitnější proudění s otáčejícími se koly než s koly zastavenými.

Aerodynamika BMW X3: specifika SUV a dopad na spotřebu

Konkrétní úspory nebyly uvedeny, ale z porovnání parametrů BMW 320i Cabrio z let 1987 a 2009 lze vliv na spotřebu odvodit. Konstrukční rozdíly mezi modelovými řadami (sedan vs. SUV) ukazují, že SUV obecně čelí vyšším aerodynamickým nárokům kvůli většímu průřezu a odlišnému proudění pod vozem a kolem kol. Aerodynamický odpor u SUV jako X3 ovlivňují podíl proudění pod podlahou, tvar podběhů kol a detaily karoserie, proto jsou u takových vozů důležité specifická opatření jako Air Curtain, optimalizace spodku vozu a tvarování zrcátek a nárazníku.

V kontextu elektromobilů a trendu SUV stojí poznámka, že „módní vlna“ SUV vs Elektro může jít částečně proti sobě: vyšší karoserie SUV zhoršuje aerodynamiku a tím i dojezd u elektrických vozů. Tesla dokázala u svých modelů dosáhnout velmi dobrých hodnot aerodynamického odporu i u vyšších karoserií a lépe tak chápe vztah mezi efektivním pohonem a aerodynamikou. Pro automobilky, které vyrábějí modely v masovém segmentu, je volba pořadí vývoje (nejprve efektivní sedan vs SUV) strategická - Tesla podle některých analýz udělala správné rozhodnutí nasadit nejprve efektivní model 3 a až potom varianty podobné SUV.

Tabulka: vliv některých prvků na aerodynamický odpor (odhadované podíly)

Praktická doporučení pro zlepšení aerodynamiky u BMW X3

• Optimalizovat tvar předního nárazníku a použít řešení podobná Air Curtain pro usměrnění proudění kolem kol.
• Minimalizovat rušivé detaily: optimalizovaná zrcátka, integrované střešní ližiny či aerodynamické kryty podvozku.
• Pracovat se světlou výškou a geometrií kol při návrhu, protože proudění pod podlahou a v podbězích má významný vliv.
• Využívat testování v aerodynamických tunelech v měřítku i v plné velikosti s přihlédnutím k podobnosti Reynoldsova čísla.

Schopnost výrobců dosáhnout nízkého aerodynamického odporu je klíčová pro snížení spotřeby a emisí u spalovacích vozů a prodloužení dojezdu u elektromobilů. Aerodynamická vylepšení uvedená v programu EfficientDynamics představují konkrétní nástroje, které lze aplikovat i na SUV segment, aby vozy jako BMW X3 dosáhly lepší efektivity a jízdní dynamiky.

tags: #airodynamika #vzduchu #bmw #x3