A motorok aerodinamikája

A járművek esetében a tüzelőanyag-felhasználás a különböző motorikus veszteségek fedezésére, a jármű gyorsítására és az ellenállások leküzdésére szolgál. Ilyen ellenállás a légellenállás, a kerék és aszfalt közötti súrlódás, illetve az emelkedési ellenállás. A legnagyobb ezek közül a légellenállás, amely egy sebességgel arányosan növekvő erő. Függ a légellenállási együtthatótól (angolul Coefficient of drag = C_D), a homlokfelülettől, a levegő sűrűségétől és a jármű sebességének négyzetétől – képlettel felírva F_{légellenállás}=0,5*C_D*A*ρ*v².

Személyautók esetében a C_D=0,2-0,25 körüli értékek számítanak jónak, egy kisteherautó 0,35-0,5 körüli értékkel bír, egy busz esetében ez az érték 1 körüli. A motorkerékpárok esetében itt jöhet az első meglepetés, mivel egy jobban idomozott sportmotornál is ez az érték 0,6-0,8 körüli, vagyis egy Ikarus és egy Ford Transit között félúton helyezkedik el. A trükk abban van, hogy míg a személyautóknál a levegőre merőleges homlokfelület viszonylag nagy (~3-4 m²), addig egy naked motornál ez ~0,7 m², sportmotornál ~0,35 m², versenymotornál 0,25 m². Különbséget lehet tenni ráhasalt és ülő pozíció között, de értelemszerűen nő a felület, minél feljebb vagyunk. A C_D*A (a felszín jele az A - a szerk.) értékek összehasonlítása már beszédesebb, hogy miért kedvezőbb a motorkerékpárok helyzete. Míg egy modern BMW i8-nál ez 0,55 m², egy Suzuki Hayabusa esetében már csak 0,3 m². De mindkét járműtípus esetében más előnyei vannak. Elsődlegesen a különböző hűtőkön áthaladva az olaj, hűtőfolyadék, töltőlevegő hőmérsékletét csökkenti az áramló levegő. Ám a különbség az, hogy míg személyautók esetében a motortéri hőmérséklettől elzárt utastérben helyezkedik el a vezető és utasa, addig motorkerékpárok esetében a motorborítás feladata a meleg levegő elvezetése úgy, hogy lehetőleg ne felfelé áramoljon. Az orridomtól elinduló plexi feladata a pilóta feje körüli áramlások irányítása is.

Az áramlásoknak két fajtája van: turbulens és lamináris. A turbulens energia kavargó, nagy energiájú és megmozgat mindent, amivel találkozik. A lamináris áramlás nyugodt, lassú és csendes. Logikusan következik, hogy a levegő irányításának célja utcai motorkerékpárok esetében a szélzaj csökkentése a pilóta feje körül úgy, hogy lamináris áramlás érje a motorost. Ebből fakadó mellékszál: a sisakgyártóknak ezért nem elsődleges preferencia az aerodinamikai fejlesztés, hiszen a pilóta feje körüli áramlások irányításából előnyt nem lehet kovácsolni, de ezzel együtt hátrányt sem lehet szenvedni. A sisakoknak osztályrészül marad a kényelem, a tömeg és a biztonság.

Visszatérve a turbulens és lamináris áramlásokra: a képen is látható, hogy a pilóta mögött olyan turbulens áramlás jön létre, ami tele van leválásokkal: a fej mögött, a karok alatt az oldal mentén. Ezt a kaotikus áramlást nemigen lehet már felhasználni, ezért vannak az idomok és az utóbbi években már megjelent szárnyak is a motor elején. A Forma-1-hez hasonlóan a belépő felületeken és éleken lehet irányítottá tenni a levegőt, a leválások után már esélytelen a felhasználás. A motor ráadásul rövid is ahhoz, hogy a leválásokat össze lehessen szedni. Tehát marad a motor eleje, illetve a versenysportokban már megjelent kerékburkolatok alkalmazása.

Itt sem minden fenékig tejfel, úgyhogy nézzünk egy kis történelmet az aerodinamikai fejlesztések területén. Már a háború utáni években felfedezték, hogy a teljesen burkolt elejű motorokkal sokkal nagyobb sebességeket lehet elérni kisebb teljesítmény mellett. Alább egy NSU motor látható 1955-ből, de gondolhatunk nagy sikerű Indianra is a filmvászonról, amely hasonló céllal épült. Egész addig szép eredményeket szolgáltatott a minél nagyobb idomok használata, amíg egyenes vonalú mozgásokról volt szó, azonban számos baleset is történt, mivel a legkisebb oldalszél is a hatalmas, sík felületbe kapott bele, és azonnal kibillentette a motort.

Ezért hoztak a motorsportban számos korlátozást, ami miatt ezeket az idomokat évtizedek óta nem lehet használni, valamint a kerekek burkolását is korlátozzák (technikai szabályzat érdekessége: a sárvédő által burkolt szög vannak korlátozva, a kerék burkolása azonban nem). Később a MotoGP-ben betiltották az aktív aero elemeket is, viszont a Superbike-ban a Honda most feszegeti a határokat az új Fireblade szárnyaival. Mivel a versenyzésben több a kanyar, mint az egyenes, ezért még mindig kritikus fontosságú, hogy a keresztszéllel szemben hogyan viselkedik a motor. A probléma abban rejlik, hogy nem csak oldalirányban kap bele a motorba, hanem mivel gyakran vannak a motorok 50°-kal elborítva, a futóművet a motor irányából is megterheli. Ez pedig meglehetősen gyors tapadásvesztéshez vezet.

Stoner Ducatijának fejidomján látható furatok a keresztszél áteresztését segítették elő. A Ducati már próbálkozott az új évezredben is különböző szárnyak motorra pakolásával, de átütő sikereket nem értek el. Az aerodinamikai csomagnak azonban szoros kapcsolata van a motor mechanikai jellemzőivel, így nem csak a légellenállás csökkentése volt a cél, hanem a megfelelő hűtés biztosítása is. Szemléltetésképpen a Yamaha M1 modelljének évjáratain látszik a változás. A Yamaha a négyütemű korszakban időről-időre előkerülő hűtési gondokkal küzdött. A keresztben beépített négyhengeres motor miatt a motor széles, ezért az idomokat szűkre akarták szabni a kisebb ellenállás reményében, ám így a hűtőre nem jutott elég levegő, és folyamatosan melegedtek. Az alábbi képen látható, hogy 2007 és 2011 között az idomokkal elérték a hűtőfolyadék hőmérsékletének 17 fokos csökkenését. Ennek következtében pedig nagyobb teljesítményt engedhettek a pilóták kezébe, ami jobb eredményeket tett lehetővé.

A légellenállással a motorok esetében azonban van egy komoly probléma. A levegő a legnagyobb ellenállást az orridomon fejti ki. Ezt nevezzük nyomási középpontnak (angolul center of pressure – CoP). Ezért van a szívórendszer nyílása középen, mivel a legnagyobb nyomású levegővel ott találkozik a motor. Csakhogy a CoP általában a CoG (Center of Gravity - tömegközéppont) fölött helyezkedik el függőlegesen, vagyis olyan nyomatékot fejt ki a motorra, ami emelni szeretné a motor elejét. Erre találták ki 2016-ra a szárnyakat, amitől eleinte nagyon sok pilóta félt, ám mára teljesen elterjedtté vált.

Sajnos azonban nem minden esetben bizonyult így gyorsabbnak a motor. Az aerodinamika zéró összegű játék, ami azt jelenti, hogy bizonyos szempontból előnyt jelent, más esetben hátrányt. Egyértelmű, hogy a motorokra illesztett szárnyak az első kerékre ható leszorítóerő növelésére szolgálnak. Az utóbbi évekre már nem csak kiálló szárnyak nőttek a motorokra, hanem egész szárnyrendszerek, amitől növelik a légellenállási tényezőt és a homlokfelületet, ez pedig energiaigényes feladat. Bár a motor méreteihez képest is kis méretűek a szárnyak, ezért kevés leszorítóerőt hoznak létre. Most már 2026-ig nem változnak a technikai szabályok, tehát a tüzelőanyag mennyisége sem lesz eltérő, és már az elmúlt években is láthattunk olyan leintéseket, ami után egyes motorokban nem maradt elég üzemanyag a levezető körhöz. Tehát az aero fejlesztéssel is óvatosan kell bánni, az energiaforrás véges.

A versenymotorok esetében a kritikus jelenség a nagy teljesítményből fakadó egykerekezési hajlam. Hiába kompenzál a geometria és segít az elektronika, így is folyamatos jelenség az egykerekezés. A szárnyakkal létrehozott leszorítóerő ezt ellensúlyozza, ami lehetővé teszi a mérsékeltebb elektronikai beleszólást, ami korábbi és drasztikusabb kigyorsítást tesz lehetővé. Ez azonban elemi különbség az autóknál alkalmazott szárnyak feladatával szemben. Különböző tesztek kimutatták, hogy a kis méretű szárnyak 320 km/h körül 20 kg-nak megfelelő leszorítóerőt hoznak létre. Ez viszonylag nagy sebesség, másrészt ez az erő a szárnyakon keresztül terhelést jelent az első futóműre, kanyarban pedig a váz csavarodását is növeli.

Az első években látható nyitott végű szárnyak esetében a szárnyak sarkában olyan leválások alakultak ki, mint a Forma-1-es autók szárnyainak végén is láthatóak. Ez a struktúra nem volt hatékony, ami eredményezte a véglapok megjelenését és a szárnyak hosszirányban történő megnyúlását. Az autóktól eltérően azonban az elhelyezés nem teljesen szabad, mivel az idom mentén lehet a szárnyakat elhelyezni, ami az első kerék burkológörbéjének feleltethető meg. Minél előrébb van, annál szélesebb és nagyobb a felület, viszont magasan van, minél lejjebb kerül, annál rövidebb és kevésbé hatékony. Viszont kisebb mértékben növeli a légellenállást, de hátrébb helyezkedik el, aminek következtében nagy dőlésszögek esetén közel kerülnek az aszfalthoz. A szárnyvégről leváló áramlások azonban a pilóta körüli levegő irányításáért is felelnek, ha előtte helyezkednek el, a leváló áramlások azonban erőteljesen turbulensek.

Az utóbbi néhány évben megjelent a kerékburkolat is, ami elsősorban a kerekek körüli áramlások irányításáért felelnek. A Superbike bajnokságban a Ducati egészen extrém, teljes burkolatot is kipróbált már, míg a MotoGP-ben egyelőre diszkrétebb megoldásokat alkalmaznak. Ez már egy egészen új területe az aerodinamikai fejlesztéseknek, és az áramlások irányításán túl valószínűsíthetően a gumikezelésbe is beleszól, mivel számos pilóta esetében észrevehető, hogy a legnagyobb burkolatokat kizárólag a futamon használják. Végül egyértelműnek látszik, hogy nagy dőlésszögek mellett, az aszfalthoz közel ground effect (fordításban: talajkölcsönhatás) jelenség is megvalósul. A ground effect az aerodinamikai tapadást hozza létre a szárnyprofil körüli áramlás nyomáskülönbsége alapján, ám ez motorkerékpárok esetében nehezen megvalósítható, mivel extrém nagy dőlésszögekre van szükség hozzá. Eddig a tapadás kizárólag mechanikai volt a gumikon keresztül. A legújabb, idei teszteken látható fejlesztések (oldalszárnyak az idom alsó részein) azonban alátámasztják a feltételezéseket, hogy ebbe az irányba fognak az elsődleges fejlesztések folyni, mivel a motorblokkok alapvetően változatlanok maradnak, a vázak is minimális változásokon mennek keresztül évek óta. Azzal azonban, hogy nőni látszik az aerodinamikai csomagok fejlesztésének jelentősége, szükséges lesz megnyitni a végtelen pénzcsapokat is, mivel a szélcsatornában eltöltött órák jelentik a fejlesztések legdrágább szegmensét. Ez pedig a költségvetési különbségeket kiélezheti, ami a vastag pénztárcájú gyártóknak jelenthet előnyt. Ha a megvalósuló aerodinamikai tapadás valóban olyan sok előnyt hoz, akkor a mezőny gyorsulása is valószínűsíthető lesz, ám eddig nem volt lenyűgöző eredménye az ilyen irányú fejlesztéseknek.

Források: gpone.com, bikesportnews.com, Yamaha Motor, canadamotoguide.com, longtailpipe.com