Klesajúce zásoby ropy vo svete a stále narastajúci rozsah dopravy nákladnými automobilmi v poslednom čase čoraz viac ovplyvňujú vývoj nových generácií nákladných automobilov. Popri zvýšení aktívnej i pasívnej bezpečnosti sa od nich žiada väčšia hospodárnosť v prevádzke a tiež väčšia ohľaduplnosť k životnému prostrediu.

Ide predovšetkým o zníženie spotreby paliva i množstva nežiaducich exhalátov vo výfukových plynoch, najmä oxidov dusíka NOx, množstva pevných častíc (sadzí) a množstva oxidu uhličitého CO₂. Pritom treba poznamenať, že CO₂ nie je priamo škodlivinou, ale viaže na seba kyslík z ovzdušia, ktorý potom chýba človeku, zvieratám i rastlinám. V poslednom čase najviac záleží na znižovaní množstva CO₂, ktoré sa dá dosiahnuť len znížením spotreby paliva. Aké sú na to technické možnosti?

Efektívna preprava na tonu

Okrem zníženia spotreby paliva motorov, dodržiavania zásad hospodárnej jazdy a zlepšenia podmienok premávky na cestách treba naliehavo znížiť jazdné odpory najmä pri najviac rozšírených súpravách ťahačov s návesom. Od čoho potom závisí spotreba paliva v praxi? Spotreba paliva v litroch na 100 km je tým vyššia, čím má motor väčšiu špecifickú spotrebu paliva, čím pracuje na väčší výkon a čím ide vozidlo pomalšie. V malej miere sa spotreba zväčšuje aj s klesajúcou špecifickou hmotnosťou paliva. Súčasné najlepšie vznetové (naftové) motory nákladných automobilov majú zo všetkých spaľovacích motorov najmenšiu špecifickú spotrebu paliva 186 g/kWh (čiže spotrebujú najmenej gramov paliva na vyvinutie výkonu jedného kilowattu za jednu hodinu) a dosahujú účinnosť 46 %. Teda z hľadiska paliva je táto doprava pomerne lacná. Vyplýva to aj z praktického príkladu: Ak dnešná súprava ťahača s plne zaťaženým návesom má celkovú hmotnosť 40 t a spotrebuje na rovine pri rýchlosti 85 km/h priemerne 30 l/100 km, tak potom je to v prepočte na jednu tonu trištvrte litra nafty na 100 km. To znamená, že takýto motor je schopný dopraviť 1 000 kg celkovej hmotnosti vozidla na vzdialenosť 100 km za neuveriteľných 0,75 l nafty, čo – pre predstavu - zodpovedá polovici veľkej fľaše minerálky. Dokonca niektoré nové ťahače s návesom dosahujú na rovine pri rýchlosti 85 km/h spotrebu paliva asi 25 l/100 km. Teda im stačí na prevezenie 1 000 kg celkovej hmotnosti na vzdialenosť 100 km len 0,6 l nafty. O takejto spotrebe sa môže vodičom súčasných osobných automobilov len snívať.

Kde sú ešte rezervy?

Pri spomínanej nízkej spotrebe paliva motorov nákladných automobilov sa ich výkon počas jazdy spotrebováva na prekonávanie jazdných odporov. Ide o odpor prevodového mechanizmu (od motora po hnacie kolesá), valivého odporu, odporu vzduchu, odporu zo stúpania, odporu zo zrýchlenia a odporu z ťahania návesu alebo prívesu. V oblasti znižovania spotreby paliva spaľovacích motorov už nie sú veľké možnosti. Pri rozvážkovej doprave tovarov najmä v mestách sú však ešte rezervy vo využívaní hybridných pohonov (kombinácie spaľovacích motorov a elektromotorov). Tu sa pri brzdení motorom a brzdami ukladá elektrická energia v batériách a potom sa využíva na pohon vozidla. Výkon spotrebovaný na prekonávanie odporu prevodového mechanizmu tvorí asi 10 % z celkového výkonu motora. Tu majú manuálne ovládané prevodovky s ostatnými súčasťami prevodového systému pri optimálnom navrhovaní pomerne vysokú účinnosť 90 %, na ktorej sa už nedá veľmi čo zlepšovať. Valivý odpor závisí od hodnoty súčiniteľa odporu valivého trenia pneumatík a od celkovej hmotnosti vozidla. Vďaka vysokému tlaku hustenia pneumatík nákladných automobilov je ich súčiniteľ odporu valenia asi 0,006, čo je 2,5-krát menej ako pri osobných automobiloch, ktoré majú podstatne nižší tlak hustenia. Tu tiež nie sú veľké možnosti ďalších technických zlepšení. Pre zaujímavosť uvádzame, že pri nákladných automobiloch má tlak hustenia pneumatík omnoho väčší vplyv na odpor valenia, a tým aj na spotrebu paliva, čo je spôsobené jeho veľkou celkovou hmotnosťou. Ďalšou zaujímavosťou je, že súprava ťahača s návesom s celkovou hmotnosťou 40 t musí prekonávať odpor valenia 2 354 N, na čo sa spotrebuje 55,6 kW výkonu motora. Odpor stúpania závisí od stúpania cesty a od celkovej hmotnosti vozidla. Tu sú ešte určité možnosti zníženia hmotnosti vozidla dané optimalizáciou ich konštrukcie a použitím ľahších materiálov. Odpor zotrvačnosti pri zrýchlení závisí od celkovej hmotnosti vozidla, ale aj od jeho rotujúcich hmotností (motora, prevodového mechanizmu a kolies) a samozrejme tiež od požadovaného zrýchlenia, na čo má vplyv technika jazdy a hustota premávky. Odpor z ťahania návesu alebo prívesu určujú podobné jazdné odpory ako má ťažné vozidlo.

Potenciál v znížení odporu vzduchu

Najväčšie rezervy v znižovaní spotreby paliva sa však skrývajú v znížení odporu vzduchu ťahačov s návesmi. Zatiaľ tomu do veľkej miery bránia súčasné predpisy EÚ, ktoré obmedzujú celkovú dĺžku nákladných automobilov na maximálne 16,5 m. Na prekonávanie odporu vzduchu totiž motor spotrebuje značné množstvo výkonu. Tento výkon závisí v prvom rade od druhej mocniny rýchlosti prúdenia vzduchu okolo vozidla (pri bezvetrí od rýchlosti jazdy), od súčiniteľa odporu vzduchu vozidla, od jeho čelnej plochy, ale aj od hustoty vzduchu. Z toho dôvodu, keď je zima, vzduch má väčšiu hustotu, čiže automobil sa musí „predierať“ hustejším vzduchom a preto má vyššiu spotrebu paliva.

Všeobecne povedané, čím ide motor na väčší výkon, tým spotrebuje viac paliva. Pre zaujímavosť uvedieme, že dnešné súpravy ťahačov s návesom majú súčiniteľ odporu vzduchu 0,6 až 0,8 a čelnú plochu asi necelých 10 m². Iba pre porovnanie: osobné automobily majú dnes súčiniteľ odporu vzduchu 0,25 až 0,45 a čelnú plochu okolo 2 m². Potom pri uvažovanej hustote vzduchu 1,2 kg/m³, súčiniteli odporu vzduchu 0,8 a rýchlosti jazdy počas bezvetria 85 km/h má súprava ťahača s návesom odpor vzduchu 2 673 N a motor na jeho prekonanie musí vynakladať výkon 63 kW. Pri jazde rýchlosťou 90 km/h sa zvýši odpor vzduchu na 3 000 N a potrebný výkon motora na 75 kW. Veľmi zlá situácia je počas protivetra. Napríklad, ak by na nápravu so súčiniteľom odporu vzduchu 0,8 pri rýchlosti jazdy 90 km/h fúkal vietor v protismere rýchlosťou 40 km/h, odpor vzduchu by sa zvýšil na hodnotu 6 255 N a potrebný výkon motora na 226 kW!

Výskumný projekt priemyslu

Zo spomínaných dôvodov sa niektorí výrobcovia ťahačov a návesov v rámci jedného z mnohých výskumných projektov venovali aj využitiu veľkého potenciálu, ktorý v sebe skrýva odpor vzduchu, na možnosti zníženia spotreby paliva ťahačov s návesom. Výskumné práce sa sústredili na tvarovanie prednej časti ťahača, pozdĺžnej steny ťahača i návesu a zadnej časti vozidla. Pre nízky odpor vzduchu je rozhodujúce bezstratové plynulé prúdenie vzduchu okolo vozidla bez odtŕhania vzduchových prúdnic. Dôležité je pritom aj tvarovanie čelných zaoblení, pri ktorých sa nesmie prekročiť určitý minimálny polomer. Pri rýchlosti jazdy aspoň 60 km/h je to necelých 118 mm.

Pri pozdĺžnom tvarovaní vozidla je záujem dosiahnuť plynulé prúdenie vzduchu aj okolo podvozku vozidla. Tým sa v spodnej oblasti blízko vozidla zmenší energia prúdenia, čím sa zmenší stredná rýchlosť prúdenia. To opäť zapríčiní menší zisk spätného tlaku na zadnej časti vozidla. Preto sa vyvinuli rôzne podpodlahové a bočné kryty, ako aj rôzne obrysy strechy. Za návesom sa vytvára v závleku kruhový vír. Pomocou zadného zaoblenia sa odvádza prúdenie vzduchu za vozidlo a zväčší sa vzdialenosť medzi kruhovým vírom a zadnou časťou vozidla. Oblasť podtlaku, ktorá sa indikuje kruhovým vírom, má tak menší vplyv na základný tlak na zadnej časti návesu.

Výskum sa uskutočňoval na modeli nákladného automobilu v mierke 1 : 2,5. Tento základný tvar vozidla sa používal pri numerickom i experimentálnom výskume. Strešný spojler základného telesa vozidla navrhli tak, aby svojím uhlom nastavenia nadväzoval na hornú hranu návesu. Kvôli zjednodušeniu sa neuvažovalo so slnečnými clonami, vodiacimi plechmi, ani s tretím zrkadlom. Niektoré časti podvozku, ako napr. náhradné kolesá, komponenty pohonu a nádrž sa však zohľadňovali, lebo mali zvláštny vplyv na prúdenie vzduchu. Pri návese sa sústredil vývoj na jeho podlahu, lebo nákladový priestor všetkých návesov má podobnú šírku 2,55 m. Podlaha návesu obsahuje najmä pozdĺžne a priečne nosníky, ako aj dve náhradné kolesá. Kvôli reálnosti prúdenia okolo návesu bočné predné hrany zošikmili pod uhlom 45 stupňov. Dve horné bočné hrany zaoblili polomerom 25 mm. Aerodynamické merania sa vykonávali v aerodynamickom tuneli. Simuláciou sa zistil súčiniteľ odporu vzduchu c_x = 0,442 a v aerodynamickom tuneli sa namerala hodnota 0,424. Tento rozdiel sa dá vysvetliť tým, že dĺžka modelu vozidla o málo prekračovala rozmery meracej dráhy tunela.

Ako na menší odpor

Podľa očakávania bol odpor vzduchu nákladného automobilu vo výskumnom projekte oveľa menší ako pri bežných nákladných automobiloch, lebo sa pri ňom vynechali početné detaily, ktoré by mali nepriaznivý vplyv na prúdenie. Ukázalo sa, že predná časť ťahača zapríčiňovala menšie odtŕhanie vzduchových prúdnic a oblastí so spätným prúdením a zodpovedajúco menšie straty energie. Pre odpor vzduchu boli rozhodujúce najmä tlakové pomery okolo vozidla, pretože vytvárali pokojnú predĺženú oblasť na prednej časti vozidla a prevažne neutrálny tlak na jeho zadnej časti. Vo voľnom priestore medzi kabínou vodiča a návesom vládol takmer konštantný tlak. Tým dochádzalo k vzájomným tlakovým a ťahovým efektom na čelnej strane návesu a zadnej strane kabíny.

Vplyvom výrazného systému vírenia nad strechou návesu zhrubla medzná vrstva v blízkosti roviny symetrie. Závlek zrkadla vytváral silné dlhé bočné vírenie, ktoré malo tiež značný vplyv na hrúbku medznej vrstvy. Na čelnej strane ťahača odhadli veľkosť polomerov bočných hrán na 20 až 150 mm. Podľa výpočtov sa dá pri rýchlosti 80 km/h predísť mnohým odtŕhaniam prúdnic vzduchu, ak spomínané polomery nie sú menšie ako 88 mm.

Predĺžením čelnej strany ťahača o 500 mm sa dá jej geometria tak prispôsobiť, že sa zväčšia zaoblenia prednej časti ťahača. Spomínanými opatreniami sa mohol znížiť celkový odpor vzduchu. Predĺžením prednej časti vozidla nadobudli bočné zrkadlá osobitný význam. K celkovému odporu vzduchu prispievajú desiatimi percentami. Ešte lepší výsledok by sa dosiahol náhradou zrkadiel kamerovým systémom. Odpor vzduchu veľmi zníži umiestnenie prídavných krytov na zadnú časť vozidla. Simulácie variantov zadných krytov priniesli takmer o 10 % menší odpor vzduchu. Výskumy predovšetkým prekvapujúco dokázali, že najkratšie kryty majú najlepšie výsledky. Spodné kryty na zadnej časti vozidla nepriniesli zlepšenie, ale predstavovali značné riziko pri náraze osobného automobilu zozadu. Zaoblenie koncepcie zníženia strechy začínalo pri prvej náprave návesu s výškou 4,0 m a išlo na výšky 3,5 a 3,0 m. Prinieslo to zníženie odporu vzduchu o 6,8 % pri výške 3,5 m a 10 % pri výške 3,0 m. Tieto úpravy by sa mohli presadiť do praxe až potom, ak by sa strata objemu nákladového priestoru vyrovnala predĺžením vozidla.

Záverečné konštatovanie

Zlepšenie aerodynamiky optimalizáciou prednej časti vozidla znížilo odpor vzduchu o 4,5 %, čo prinieslo úsporu paliva 1,3 %. Opatrenia sú však spojené so značnými technickými nákladmi, čím sú z hľadiska presadenia v praxi drahé. Pri optimalizácii zadnej časti vozidla s nastavením krytov pod uhlom 13 stupňov sa znížila spotreba paliva o 2,7 %. Pri tomto usporiadaní by bolo treba predĺžiť vozidlo o 400 mm. Keby sa tomu prispôsobili smernice EÚ tým, že by sa začali stavať dlhšie nákladné automobily, malo by to priaznivý vplyv na životné prostredie i na hospodárnosť dopravy nákladnými automobilmi.

Text: doc. Ing. Alexander Ikrinský, PhD.

Ilustračné foto: Daimler AG, MAN Group