Спортивные

Как охладить гибрид?

Увлекательный рассказ на примере ЛМДг от «БМВ».

Системы охлаждения на современных гибридных спортивных автомобилях — это серьезная инженерная задача, фундаментальная составляющая производительности автомобиля. Архитектура систем, которые управляют отводом тепла, имеет решающее значение для поддержания оптимальных температур, необходимых для эффективной работы агрегатов, но также влияют на общую конструкцию и аэродинамику.

Над проектом «БМВ» работали в Мюнхене (двигатель), а шасси, системы трансмиссии и общая архитектура автомобиля были разработаны «Далларой» в Эмилии-Романии.

Первым шагом в разработке любой системы является определение ее задач. На первый взгляд это может показаться очевидным, но как только углубиться в детали, все быстро усложнятся, особенно если вы имеете дело с чем-то отличным от обычного гоночного автомобиля с простым ДВС.

Современный гибридный автомобиль имеет четыре энергетических подсистемы: сам двигатель внутреннего сгорания; электрическую трансмиссию; систему турбонаддува и, непосредственно, трансмиссию. Из опыта все знают, что каждая из этих подсистем будет выделять тепло до такой степени, что необходимо внедрить активное охлаждение.

Как обычно в инженерии, существует множество различных подходов к решению любой конкретной проблемы, поэтому неудивительно, что [в при открытом регламенте] множество различных архитектур и конфигураций могут достичь одной и той же цели.

Однако необходимо достичь не только целевых показателей на уровне самой системы, но и общих показателей на уровне всего транспортного средства, как по аэродинамической эффективности, так и по весу и компоновке. Поэтому разработку системы охлаждения необходимо рассматривать комплексно.

«Чтобы прийти к нашей окончательной архитектуре, потребовался анализ множества различных сценариев и технологий, а также были дискуссии на тему использовать ли водно-масляный или воздух-масляный теплообменник для коробки передач, будет ли эффективным охлаждение наддувочного воздуха по принципу «воздух» или «воздух-вода» будет лучше, — отмечает Массимо Стеллато, руководитель отдела разработки автомобильных систем в «Далларе». – Для каждого варианта мы использовали аналитический подход количественной оценки преимуществ с точки зрения эффективности использования потока воздуха, компоновки и веса, а также использовали время прохождения виртуального круга и вычислительную гидродинамику (CFD)».

Поскольку вес системы охлаждения немаловажен, команда по динамике (физика движения) автомобиля также принимала участие в работе над архитектурой. Расположение этих масс должно быть как можно ниже в шасси, чтобы минимизировать перенос веса при ускорениях.

«На тот момент разработки этого автомобиля, когда мы начали концентрироваться на производительности, многие характеристики все еще были открытыми и неопределенными, но главным аспектом, который нужно было учитывать, было окно перераспределения веса, требуемое шинами. Нам его рекомендовала компания «Мишлен», — объясняет Лука Берджианти, директор отдела динамики «Даллары».

Отдел динамики транспортных средств был в основном ограничен только тем, что давал указания более широкой команде о том, где лучше всего разместить основные компоненты охлаждения, чтобы достичь целевого распределения веса. При этом, решение, предложенное командой разработчиков «БМВ» оказалось эффективным, но сложным.

Два водяных радиатора ДВС, расположенные в каждом из боковых понтонов, отводят тепло в атмосферу. Они соседствуют с двумя промежуточными охладителями воздух-воздух в одной плоскости, которые отводят тепло, образующееся при сжатии подаваемого компрессором воздуха. Эти теплообменники питаются воздухозаборниками в носовой части автомобиля и выбрасывают поток сзади, прямо над диффузором. При таком расположении зона низкого давления, создаваемая на выходе диффузора, также помогает протягивать охлаждающий воздух через воздуховоды и через моторный отсек.

За боковыми понтонами с каждой стороны автомобиля расположены теплообменники меньшего размера для систем электрической трансмиссии. Они питаются возвратным потоком, который проходит вокруг боковых поддонов и попадает в воздуховод прямо перед задними колесами. С левой стороны автомобиля находится радиатор мотор-генератора, охлаждающий электродвигатели, а с правой стороны — радиатор, охлаждающий аккумулятор и связанную с ним силовую электронику.

Чуть выше в автомобиле, внутри V-образной части двигателя, расположен масляный радиатор двигателя, питаемый воздухом из центрального впускного патрубка. За ним расположен маслорадиатор коробки передач.

Особенно элегантное решение по охлаждению в M Hybrid V8 заключается в объединении охладителей моторного масла и воды в один контур. В такой схеме компактный водомасляный радиатор работает последовательно с водяным контуром, питающим основные водо-воздушные радиаторы, которые способны рассеивать тепло из обоих источников. Это стало возможным благодаря тому, что моторное масло и моторная вода работают примерно при одинаковой температуре и устраняют необходимость в лишнем водопроводе, дополнительных жидкостях и аэродинамических проблемах, связанных с отдельным масляно-воздушным теплообменником.

Решение о том, использовать ли охлаждение наддувочного воздуха по схеме «воздух-воздух» или «воздух-вода», также было предметом большого обсуждения. Выбор во многом зависит от сложности конкретного способа, а не от фундаментального преимущества того или иного. Общими преимуществами систем «воздух-воздух» являются низкая сложность, малый вес и низкая стоимость по сравнению с системами «воздух-вода», но это справедливо не для всех сценариев.

«В отличие от моторного масла и воды, наддувочный воздух «работает» при гораздо более низкой температуре [<40 градусов C], а это означает, что если вы используете промежуточные охладители вода-воздух, вам необходимо установить второй водяной контур, работающий на другом температурном уровне, и дополнительный водяной контур - воздушный охладитель для рассеивания этого тепла», — добавляет Ульрих Шульц, руководитель отдела проектирования силовых агрегатов «БМВ Моторспорт».

Расстояние между турбокомпрессорами и теплообменниками является важным решающим фактором в этой проблеме. В системах «воздух-воздух» длинные участки шланга от турбонагнетателя до радиатора означают большие перепады давления наддува и потерю производительности. В этой ситуации преимуществом могут оказаться системы «воздух-вода». В случае «БМВ» со средним расположением двигателя общая архитектура автомобиля обеспечивает очень короткий пробег от турбокомпрессоров до боковых отсеков, где расположены промежуточные охладители. Это сделало систему воздух-воздух победителем.

Компоновка дополнительных радиаторов, необходимых для электрических систем, также представляла некоторые проблемы. Во-первых, два дополнительных теплообменника влияют как на аэродинамику, так и на общую компоновку. Во-вторых, очень важно контролировать тепловую среду электрической системы, особенно электродвигателей, аккумуляторных элементов и инвертора, производительность которых сильно зависит от рабочей температуры и должна всегда оставаться ниже 60 градусов Цельсия.

Низкая разница температур (дельта) между окружающим воздухом и жидкостями и, как следствие, низкий коэффициент теплопередачи вызвали дополнительные проблемы в том смысле, что радиаторы должны быть очень эффективными для достижения необходимого отвода тепла. Для поиска решения потребовалась тесная совместная работа «БМВ», «Даллары» и поставщика сердцевины радиатора, чтобы обеспечить установку в оптимальных местах для достижение необходимой эффективности.

После завершения разработки архитектуры системы охлаждения можно приступить к выбору самих теплообменников. Для этого команде необходимо было знать показатели отвода тепла, необходимые каждой подсистеме в критическом (наихудшем) сценарии. Из-за сжатых сроков в автоспорте этот шаг часто приходится делать, пока другие основные параметры транспортного средства еще не определены.

Это означает, что данные о требованиях к тепловому режиму не были физически измерены, поэтому необходимо оценить их. Для команды «БМВ» эти первоначальные оценки были сделаны в рамках простого моделирования с использованием предполагаемых параметров теплопередачи и скорости воздуха, чтобы получить первое предположение о спецификациях и размерах таких компонентов, как насосы и сердцевины радиаторов. Именно на этом этапе принимаются решения по архитектуре радиатора и учитываются более мелкие детали, такие как взаимодействие с потоком (сквозной поток, U-образный или даже встречный поток).

«Задача в этой сфере состоит в том, чтобы спрогнозировать надежные параметры на предварительных этапах. Когда вы проводите первоначальное моделирование, трансмиссия все еще находится в стадии разработки. У вас нет данных о радиаторе, воздушном потоке или отводе тепла, поэтому приходится делать оценки, — уточняет Стеллато. - Получив хорошие оценки, вы создаете прочную основу для своей архитектуры, а когда будут доступны уточненные данные, вы сможете лучше оптимизировать общую производительность автомобиля».

На этом этапе заманчиво указать слишком большой запрос, но если сердечники слишком велики, то придется тянуть за собой аэродинамические и весовые потери. И наоборот, радиаторы меньшего размера потребуют более высоких скоростей потока и замены насосов, чтобы преодолеть возникающие в результате падения давления. Или, в крайнем случае, снизить номиналы других компонентов, чтобы предотвратить перегрев.

На этом этапе также важно понимать, что на трассе, особенно в марафонских гонках, для участия в которых этот автомобиль и был разработан, эффективность охлаждения, обеспечиваемая теплообменниками в начале гонки, не совпадает с эффективностью охлаждения в конце гонки.

Помимо очевидных изменений окружающей среды; мусор, такой как ошметки резины, листья и даже камни, - все это может перекрыть или повредить сердцевину радиатора, поэтому при первоначальных расчетах необходимо сделать на это некоторую поправку, чтобы обеспечить запас прочности на «деградацию».

«В этом году в Дейтоне у нас случилась интересная история, — вспоминает Шульц. – Примерно за час до окончания гонки температура левого интеркулера резко возросла. Нам пришлось поставить машину на ремонт, чтобы осмотреть ее, и в канале интеркулера мы обнаружили огромную пластиковую сумку! У нас была похожая проблема и в «Формуле-1» в Сан-Паулу, где кругом летало много газет».

Во время работы вибрация, воздействующая на компоненты, значительна, как и динамическое давление, воспринимаемое системой. Радиаторы крепятся к шасси с помощью антивибрационных опор для изоляции и гашения возникающих вибраций, а герметичные уплотнения и трубопроводы должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать любые заметные скачки давления, которые могут привести к усталости и выходу из строя радиатора.

«Мы особенно внимательно следили за точками вибрации, поскольку у нас двигатель V8 с «плоским» коленчатым валом, который создает много вибраций второго порядка в охладителях и в целом в автомобиле, — отмечает Шульц. — Поэтому мы сделали поправку и на это с самого начала процесса проектирования».

Поскольку надежность имеет высокий приоритет в первоначальных проектах системы, часто с самого начала прибегают к процессу проверки в ВГД (CFD). Это тот момент, когда команда разработчиков может начать получать данные о производительности системы.

«Мы выполняем циклы симуляций на полной модели автомобиля и оцениваем различные зоны, одновременно наблюдая за перепадами давления и скоростями в воздушной среде в каждом узле системы, — объясняет Йоран Пишон, руководитель группы аэродинамики «БМВ Моторспорт». - По мере того, как мы проходим этот процесс, повторяется серия итераций, и для каждого узла архитектуры, которые мы исследуем, мы принимаем во внимание потенциальное влияние на форму боковых понтонов и компоновку автомобиля в целом, чтобы понять влияние на аэродинамические характеристики».

При любом моделировании в рамках методологии должен быть предусмотрен процесс проверки, чтобы получить уверенность в любых сделанных прогнозах. Подход к этому различается в зависимости от команды и чемпионата, и в проекте «БМВ» для проверки результатов ВГД (CFD)-исследований использовалась масштабная модель в аэродинамической трубе. Это гарантировало, что на результаты, которые на ранних этапах используются для обоснования проектных решений, можно положиться.

Когда общая конструкция автомобиля была сочтена достаточно зрелой, провели окончательную разработку проекта. Полноразмерный прототип был протестирован в аэродинамической трубе, и результаты дополнительно сопоставлены с ВГД (CFD). Это дало более точное и репрезентативное представление об аэродинамических характеристиках автомобиля и стало шагом вперед к получению реальной уверенности в собранных данных.

Помимо компьютерных испытаний и аэродинамической трубы, в «БМВ» также использовали свою старую динамометрическую установку для двигателей «Формулы-1», которая позволила установить всю трансмиссию, систему охлаждения и соответствующие воздуховоды на испытательном стенде и обеспечить подачу воздуха для имитации гоночных условий.

Хотя это испытание не на 100 процентов соответствует реальным гоночным условиям, этот шаг обеспечил первое реальное подтверждение прогнозов моделирования и дал команде дополнительную уверенность в переходе к физической сборке.

«Важным шагом в процессе валидации является работа на испытательном стенде, где у нас есть двигатель, радиаторы, воздуховоды и все остальное. Здесь мы воспроизводим смоделированный воздушный поток (выходные данные моделирования ВГД CFD), скорость автомобиля, частоту вращения двигателя (выходные данные моделирования динамики автомобиля) в течение полного круга в качестве проверки правильности наших расчетов. Лучше мы найдем ошибки здесь, на трудоемком испытании, чем на обкатке на трассе», — говорит Стеллато.

Эта методология проверки ВГД (CFD) на возрастающий уровень точности, обеспечиваемая масштабными и полноразмерными моделями в аэродинамической трубе и лабораторными испытаниями, представляет собой итеративный процесс, который создает четкое и надежное понимание аэродинамических характеристик системы охлаждения, а также их общего воздействия на машину.

Заручившись уверенностью в инженерных решениях, полученных с помощью этих методов, проектирование и технические характеристики автомобиля можно принять за установленные, чтобы можно было построить первый прототип шасси.

Это плавно подводит нас к последнему этапу процесса разработки и проверки прототипа – натурным испытаниям. Несмотря на все последние достижения в области технологий моделирования, мы до сих пор не достигли уровня 100-процентной точности, а это означает, что всегда требуется определенная проверка в реальных условиях.

За исключением реальных условий гонок, никакая другая среда не имеет большей достоверности, чем тестирование на трассе, поэтому подобная программа проверки всегда включена в план для утверждения любого проекта задолго до начала разработки производительности.

В этих условиях автомобиль оснащается целым набором термопар и датчиков давления. Затем инженеры могут отслеживать условия в системе охлаждения в реальном времени и записывать данные, чтобы проанализировать, как все узлы работают вместе.

«В начале нашей программы испытаний на трассе мы наблюдали некоторые явления, при которых термостат, то и дело включался и выключался, что создавало множество пиков давления в системе охлаждения, которые впоследствии перегружали расширительные бачки охлаждающей жидкости, — вспоминает Шульц. – После долгих исследований со специально установленными датчиками давления мы диагностировали проблему и внедрили решение, которое в данном случае заключалось в модификации и разработке нашего собственного специального термостата для данного применения, а также его оптимизации в несколько этапов».

Системы охлаждения рассчитаны на наихудшие условия, что обычно означает самые жаркие дни на больших высотах. Это немного противоречит условиям на другом конце спектра, где воздух холодный и сухой. Эти две крайности предъявляют очень разные требования к отводу тепла, оба из которых должны быть учтены в конечной системе.

Если представить это в контексте американских гоночных трасс, то на «Лагуна-Секе» температура легко достигает 43 градуса Цельсия, в то время как за 24 часа в Дайтоне в ранние утренние часы зафиксированы чуть ли не заморозки. В сочетании с очень скоростным характером трассы это существенное изменение условий эксплуатации.

Следовательно, гоночные инженеры обычно используют клейкую ленту или панели, если это разрешено, чтобы закрыть зону воздуховода или радиатора, чтобы уменьшить уровень потерь тепла в атмосферу.

Однако в ЛМДг такая практика не разрешена ни для чего, кроме тормозной системы. «Регламенты пытаются ограничить любые преимущества в производительности от таких методов, поскольку процесс аэродинамической омологации уже завершен и никаких изменений вносить не следует. Мы можем использовать заглушки для тормозов, но не для других систем охлаждения, — подтверждает Пишон. – Это приводит к более сложной системе охлаждения, использующей термостаты и регулируемые электрические насосы для управления потоком и регулировки отвода тепла в различных средах».

Как это часто бывает в современном автоспорте, когда правила ограничивают инженерное направление, команды вынуждены использовать более сложные технологии и стратегии управления для поддержания оптимальных рабочих температур в системах охлаждения. А в наши дни это работа и для инженеров-программистов. Хотя команда, создавшая прототип «БМВ», и использовала часть оборудования, оставшегося от проекта «Формулы-1» (2006 года), большая часть сложных технологий, используемых в наши дни, тогда еще даже не существовала. Достижения в области вычислений и технологии ВГД позволили использовать более крупные и точные модели для прогнозирования потока через сердцевины радиатора. Это помогло как с охлаждением, так и с распределением потока, обеспечив стабильность и хорошую оптимизацию как внутреннего, так и внешнего потока.

«Новые материалы и технологии, такие как микротрубки, с годами улучшили эффективность охлаждения радиатором, — отмечает Стеллато. – Радиатор высочайшей производительности, например, работает гораздо лучше, чем эквивалентный радиатор шестилетней давности, примерно на пять-семь градусов при том же отводе тепла и потоке воздуха. Гибридные силовые агрегаты неизбежно будут усложняться, как и системы охлаждения, необходимые для их работы».

Интегрированные контуры охлаждения будут продолжать обеспечивать полезные преимущества. Этот факт, а также повышенная точность данных о теплоемкости компонентов и жидкостей позволит еще более точно настроить размер системы, чтобы получить конкурентное преимущество.

• < Назад
• Вперёд >