Rolul calculului aerodinamic în reducerea emisiilor de CO2 ale automobilelor

Este cunoscut astăzi că vehiculele ușoare sunt o sursă importantă de emisii poluante și se estimează că în Uniunea Europeană ele produc circa 15% din emisiile de CO2. În acest context, Uniunea Europeană a conceput o politică de reducere a impactului pe care îl are transportul rutier asupra mediului înconjurător. Această politică s-a concretizat printr-o serie de regulamente ce reglementează emisiile automobilelor și obligațiile producătorilor auto privind aceste emisii până în anul 2020, în lucru aflându-se deja strategia pentru perioada 2020-2025.

De la 1 septembrie 2015 a intrat oficial în vigoare norma de poluare Euro 6b pentru toate automobilele noi care, coroborată cu reglementările privind emisiile de CO2 (în medie 130g CO2/km lanivel de gamă pe constructor), a pus presiune pe toți constructorii auto pentru îndeplinirea lor. Dar această presiune continuă și după această dată deoarece strategia Uniunii Europene prevede în continuare reducerea emisiilor de CO2 (la media de 95g CO2/km la nivel de gamă pe constructor) și introducerea normei Euro 6c în anul 2018. Emisiile de CO2 sunt direct legate de consumul de combustibil al automobilului și în unele țări (ex. Franța) există și un sistem de taxe ce penalizează sau premiază automobilele noi în funcție de aceste emisii, favorizând automobilele cu emisii și consum scăzut.

În acest context, producătorii auto sunt nevoiți să acționeze asupra tuturor factorilor ce influențează consumul de carburant și emisiile de CO2.

Se lucrează mult pentru reducerea rezistenței la înaintare, pentru reducerea greutății automobilului, eficientizarea motorizărilor și a transmisiei sau optimizarea consumatorilor adiționali, cum ar fi sistemul de climatizare. Acest efort de optimizare a dus la apariția multor soluții tehnice noi și a folosirii de materiale ușoare. Astfel, soluții apărute pe automobilele premium vor fi preluate de toate celelalte game de automobile, constrângerile reglementare și concurența de pe piață forțând implementarea lor rapidă.

Simularea numerică a ajuns un element indispensabil proiectării automobilelor moderne, identificarea soluțiilor optime, reducerea timpului și costului proiectării fiind principalele aporturi ale acestui instrument. În cadrul centrului de inginerie Renault Technologie Roumanie există un puternic pol de calcul, ce pune la dispoziția factorilor decizionali ai proiectelor de automobile rezultate precise și complexe, în intervalul de timp dedicat, permițând optimizarea și luarea din timp a deciziilor privind echiparea și performanța viitorului automobil.

Calculele și simulările numerice care se fac în cadrul centrului de inginerie acoperă toate elementele automobilului, dar și sinteza globală a acestuia. Astfel, există echipe de calcul ce se ocupă de elemente și sisteme individuale (ex: motor, suspensii), dar și echipe ce simulează comportamentul ca întreg al automobilului.

Aici amintesc calcule ce evaluează comportamentul dinamic, zgomotul și confortul termic în cabină, comportamentul în caz de impact, consumul, emisiile, performanțele dinamice, rezistența în timp a caroseriei supusă la eforturile de exploatare etc.

Toate aceste calcule urmăresc ca viitorul automobil să fie sigur, durabil, performant, confortabil, în concordanță cu cerințele actuale ale clienților, ce sunt din ce în ce mai exigenți, și ale pieței auto, una dintre cele mai concurențiale piețe globale.

Un factor important ce influențează consumul de carburant și emisiile de CO2 este aerodinamica automobilului, ce se traduce prin rezistența opusă de aer la înaintarea vehiculului. Aerodinamica automobilului este urmărită încă din faza de început a unui proiect, chiar din momentul concepției designului viitorului automobil. Astfel, inginerii sunt solicitați să se pronunțe încă din această fază asupra performanțelor, consumului și a emisiilor de CO2, fapt ce nu este posibil decât prin efectuarea unor calcule. Evoluția programelor CFD (Computational Fluid Dynamics), dar și a puterii de calcul, permite astăzi indicarea cu precizie a caracteristicilor aerodinamice care apoi, introduse în modelul global al automobilului alături de caracteristicile motorului, transmisiei, pneurilor etc. permit evaluarea precisă a emisiilor de CO2 ale viitorului vehicul. Mai mult decât atât, calculele CFD permit îmbunătățirea aerodinamicii designului propus, ducând la optimizarea lui chiar din această fază.

Performanța aerodinamică a automobilului este evaluată prin coeficienții aerodinamici.

Principalul coeficient aerodinamic este cel în lungul axei longitudinale a mașinii Cx, coeficientul de rezistență la înaintare. Pentru calculul lui este nevoie atât de un model CFD complet al exteriorului, a părții de sub vehicul, cât și a roților, model ce este imersat într-un volum de aer suficient de mare pentru a obține o bună precizie a calculului. Este necesară de asemenea modelarea detaliată a părții frontale, respectiv a intrărilor de aer unde sunt multe elemente de mici dimensiuni ce au un impact important. Pregătirea acestui model solicită mult inginerul de calcul și rularea simulării pe un server puternic necesită un timp important, dar rezultatele sunt extrem de utile.

FIGURA 1. Exemplu de rezultat de calcul aerodinamic pentru un automobil

Pe lângă valoarea coeficientului de rezistență la înaintare Cx, în imaginile rezultate din acest calcul se pot observa atât zonele de curgere turbulentă a aerului în jurul automobilului, cât și intensitatea acestor turbulențe. Analiza acestor zone permite propunerea și testarea de soluții pentru reducerea acestor turbulențe, fapt ce va duce la scăderea coefi­cientului Cx. Zona oglinzilor este una care necesită o deosebită atenție, aceasta fiind responsabilă și de zgomotul perceput de pasageri la viteze ridicate. În urma soluțiilor propuse pentru ameliorarea fenome­nelor din această zonă s-a ajuns la forma aerodinamică a oglinzilor automobilelor apărute recent pe piață. Înclinarea parbrizului și forma stâlpului A ce susține parbrizul au un impact asupra rezistenței la înaintare și mici modificări asupra lor pot avea efecte semnificative.

FIGURA 2. Turbulenţe în zona din spatele automobilului

 O altă zonă atent studiată este cea din spatele automobilului unde se creează o zonă de presiune scăzută cu turbulențe mari, zonă care „trage” vehicu­lul înapoi. Aici se fac mici corecții asupra designului prin modificarea cu câteva grade a înclinării lunetei, a formei stâlpului ce susține luneta sau a formelor de pe lateralul barii spate sau a extremității spate a capotei portbagajului, cu scopul de a ameliora zona de turbulențe din spatele mașinii. Dacă este nevoie, se poate decide adăugarea de elemente suplimentare (ex. spoiler). Impactul mare pe care forma acestei zone o are asupra aerodinamicii face ca în ultimii ani constructorii auto să lucreze foarte atent în această zonă. Formele obținute, ca și unele elemente suplimentare apărute (ex: lamele în lateralul lunetei), sunt o urmare a dorinței de a minimiza efectele turbulențelor. Se urmărește optimizarea designului automobilului în vederea maximizării performan-țelor aerodinamice.

Zona din față este de asemenea analizată atent și suferă multe transformări până ajunge la forma finală. Este o zonă cu impact vizual puternic, care trebuie sa impresioneze plăcut clientul și să aibă o aerodinamică cât mai bună și, în plus, să asigure răcirea optimă a motorului. Astfel, în urma calculului,este identificată cu precizie zona de presiune maximă unde trebuie poziționate intrările de aer în compar­timentul motor. Acestea trebuie optimizate pentru a oferi fluxul de aer necesar răcirii motorului și pentru a penaliza cât mai puțin coeficientul aerodinamic, totul având un design atractiv. Se fac mai multe bucle de corecție a zonei, fiecare buclă fiind verificată de un calcul, până la obținerea formei finale.

FIGURA 3.  Presiunea pe zona din faţă a automobilului

Roţile generează la rândul lor turbulențe, fiind și ele studiate, urmarea fiind noile forme de ornamente de roți, foarte asemănătoare la toți constructorii pen­tru modele eficiente din punct de vedere al consumu­lui. Sunt multe elemente ce afectează aerodinamica automobilului, dar modificarea lor nu este posibilă pentru că intră în contradicție cu alte cerințe, cum ar fi spre exemplu înălțimea de la sol a vehiculului, ce nu poate fi redusă deoarece mașina nu ar mai fi prac­tică (mai ales dacă ne gândim la un vehicul tip SUV).

Odată optimizat prin calcul, designul viitorului automobil va fi testat în tunelul aerodinamic pentru validarea rezultatelor din calcul.

Calculul aerodinamic al automobilului nu se rezumă doar la evaluarea și optimizarea rezistenței la înaintare. Se fac calcule și în compartimentul motor pentru verificarea răcirii acestuia, simulări în cabină pentru a verifica confortul șoferului și al pasagerilor, calcule de vânt lateral pentru verificarea stabilității automobilului. Constructorii auto au dez­voltat o paletă largă de calcule pentru a se asigura de siguranța și performanțele automobilului, dar și de siguranța și confortul șoferului și pasagerilor.

Aceste calcule sunt realizate în centrul de inginerie Renault Technologie Roumanie utilizând cele mai performante programe de calcul și beneficiază de suportul unor servere de calcul performante. În cadrul centrului se realizează întregul lanț de calcule ce permit estimarea cu precizie a performanțelor, con­sumului și emisiilor de CO₂ ale viitorului automobil încă din fazele incipiente ale proiectului. Noile exigențe reglementare fac ca această parte a proiectului să fie solicitantă pentru echipele de calcul care trebuie să ofere rapid rezultate la un volum al calculelor din ce în ce mai mare. Proiectarea automobilelor actuale nu este posibilă fără un proces de calcul complex ce permite asigu­rarea de performanțe superioare față de generațiile anterioare din punct de vedere tehnic, calitate și cost. Tot acest proces de calcul permite realiza­rea proiectelor într-un timp mult mai scurt și la costuri mai reduse, datorită diminuării numărului de teste, față de cele realizate în urmă cu câțiva ani.

GABRIEL SÎRBU este șef echipă Calcul Prestații Sisteme în cadrul Direcției Inginerie Teste Renault Technologie Roumanie