Внутренняя аэродинамика автомобиля

Внутренняя аэродинамика колесного транспортного средства изучает вопросы вентиляции и отопления салона (кабины), обдува двигателя и охлаждения кузова (рефрижератора), а также энергозатраты на преодоление внутреннего аэродинамического сопротивления в подкапотном пространстве и кабине (кузове).

Вопросы вентиляции и отопления салонов кузовов и кабин автотранспортных средств, а также проблемы эффективного обдува двигателей достаточно подробно рассмотрены в технической литературе. Мало изученными в настоящее время являются внутренние аэродинамические потери. Исследование этого вопроса представляется актуальным, поскольку связано со снижением общего аэродинамического сопротивления колесного транспортного средства, а следовательно, и затрат энергии и топлива на его движение.

Сопротивление внутренних потоков автомобиля зависит от способов забора и выброса воздуха системами охлаждения двигателя и вентиляции салона (кабины); степени герметизации подкапотного пространства, включая пространство вокруг радиатора; формирования характера протекания потоков в подкапотном пространстве и салоне.

В настоящее время в целях снижения внутренних аэродинамических потерь наметилась тенденция к смещению мест забора охлаждающего воздуха в зону переднего бампера, в том числе из-под него, с максимальной герметизацией передка, дверных проемов и багажника, а также устранением облицовки радиатора с лобовой панели.

Для уменьшения сопротивления внутренних потоков применяют различные конструктивные решения. При этом сам радиатор тщательно уплотняется по периметру и размещается в специальном кожухе. Так, на опытном автомобиле «Опель Тех-1» (ФРГ) конструкция воздухозаборника представляет собой выполненную в лицевой панели под передней частью кузова узкую щель, ширина которой может меняться в зависимости от необходимой степени охлаждения двигателя. Изменение ширины щели осуществляется с помощью специальной скользящей шторки. Оригинально разработано движение воздуха в подкапотном пространстве этого автомобиля. Из двигательного отсека имеются три воздуховода: основной через центральный туннель, включающий выхлопную систему, и два боковых трубопровода с выводами их за передними стойками в углубления в передних торцах дверей.

В результате использования естественной зоны разрежения для выхода воздуха и оптимизации его движения снижается общее сопротивление воздуха в подкапотном пространстве и автомобиля в целом.

Фирма «Фольксваген» (ФРГ) на своей модели «Фольксваген-2000» применила систему подвода воздуха к радиатору, при которой охлаждающий воздух поступает через отверстие, находящееся в глубине фартука, обтекает радиатор, наклонно расположенный в вертикальной шахте, и выходит в передней области капота в зоне пониженного давления. Эта система подвода охлаждающего воздуха потребовала создания отличающейся от прежней системы вентиляции салона. На экспериментальном автомобиле свежий воздух поступает не как обычно в зоне подпора перед лобовым стеклом, а сбоку - через решетку между капотом и передней частью боковины. Отсюда воздух направляется непосредственно в шахту отопления и вентиляции.

У автомобиля «Мерседес-Бенц» (ФРГ) 124 серии применена система автоматического регулирования подачи воздуха для охлаждения двигателя, работающая следующим образом. Специальный компрессор, включающийся при повороте ключа в замке зажигания, закачивает воздух в расположенные перед радиатором эластичные пластиковые трубки, которые, расширяясь, закрывают отверстия облицовки радиатора и ограничивают таким образом доступ охлаждающего воздуха к двигателю. Давление в системе, а следовательно, и степень закрытия отверстий облицовки регулируются автоматически в зависимости от теплового состояния двигателя. Это позволяет свести до минимума время прогрева двигателя после пуска, уменьшает затраты мощности на привод вентилятора и аэродинамические потери в подкапотном пространстве при движении автомобиля. В ходе аэродинамической доводки автомобиля установлено, что уплотнение радиатора по его боковинам снижает коэффициент обтекаемости на 4%.

Внутренние аэродинамические потери автомобиля складываются из потерь в подкапотном пространстве и в салоне (кабине). По литературным данным, доля аэродинамических потерь в подкапотном пространстве составляет 8-10% от аэродинамического сопротивления автомобиля.

В таблице 5.1 приведены экспериментальные данные о затратах мощности и расхода топлива на преодоление потерь в системе охлаждения легкового автомобиля при различных режимах движения. При малых скоростях движения (городской цикл) основная доля мощности затрачивается на привод вентилятора. По мере роста скорости автомобиля происходит перераспределение затрат мощности: при движении по шоссе и автостраде наибольшие потери энергии воздуха имеют место в радиаторе. При этом на второе место по потерям мощности выходят утечки воздуха вокруг радиатора, что связано с недостаточной герметизацией подкапотного пространства и возникающим в связи с этим перетеканием воздушных потоков. Затраты мощности и расход топлива на преодоление потерь в системе охлаждения достаточно велики, составляя соответственно 2,0 и 7,5% мощности и топлива, расходуемых на движение автомобиля. Сопротивление внутренних потоков в значительной мере определяется организацией протекания охлаждающего воздуха в подкапотном пространстве автомобиля. На рис. 5.7 показаны применяемые способы организации забора воздуха через подкапотное пространство и соответствующие им аэродинамические потери С'"_к.

Высокие значения коэффициента сопротивления охлаждающего воздуха имеют место в том случае, когда объемный расход воздуха через решетку радиатора и моторный отсек значительно больше требуемого для охлаждения двигателя. В случае протекания через подкапотное пространство объема воздуха (при наличии соответствующих расчетов), необходимого для охлаждения двигателя, можно обеспечить сравнительно небольшие значения

Рис. 5.7. Способы организации забора, протекания через подкапотное пространство и выпуска охлаждающего двигатель воздуха и соответствующая доля внутренних аэродинамических потерь

На величину внутренних аэродинамических потерь заметно влияют степень уплотнения подкапотного пространства и устранение перетекания потоков. В табл. 5.2 показано влияние ряда конструктивных мероприятий по герметизации подкапотного пространства и находящихся в нем элементов на величину аэродинамического сопротивления автомобиля.

Заметное влияние на величину аэродинамических потерь в подкапотном пространстве автомобиля окатывает конструктивное исполнение и проходное сечение отверстий для забора воздуха в системы охлаждения и вентиляции, а также формирование потока, натекающего на радиатор. На рис. 5.8 показаны типичные формы облицовок решеток радиаторов, применяемых на автомобилях. При одинаковой площади сечения входного отверстия, в зависимости от конструктивного исполнения решетки облицовки радиатора, их коэффициент С_x различен, что объясняется различными гидравлическими потерями на входе.

Чем больше суммарная площадь решетки, тем больше суммарное сопротивление, поэтому в целях снижения аэродинамического сопротивления следует обеспечивать наименьший расход воздуха через облицовку радиатора. Это может быть достигнуто соответствующим формированием входа потока. Одним из способов оптимизации расхода воздуха может быть правильная организация натекапия воздушного потока на радиатор посредством аэродинамических элементов типа диффузора (рис. 5.9,а). Тогда при меньшем входном сечении обеспечен тот же самый расход воздуха через радиатор, что и при обычно применяемой

схеме на автомобилях (рис. 5.9,6). При этом аэродинамические потери на входе уменьшаются на 25 и 30% (табл. 5.3).

При проектировании автомобиля для оценки его аэродинамического сопротивления в целом и отдельных составляющих можно принимать величину аэродинамических потерь в подкапотном пространстве равнойа долю потерь на перетекание потоков в салоне (кабине) в 2 раза меньшей Тогда суммарные потери на перетекание внутренних потоков можно считать равными

Рис. 5.8. Формы облицовок решеток радиаторов и соответствующие им значения коэффициента С,

Рис. 5.9. Схемы забора воздуха в радиатор: I - через диффузор; 2 - обычная