Mercedes-Benz Bionic Concept Car
DaimlerChrysler využívá nový konceptový vůz k prozkoumání obrovského potenciálu bioniky pro vývoj automobilů a dosáhl vynikajících výsledků v oblasti spotřeby paliva a emisí díky kombinaci průkopnické technologie dieselového motoru a inovativních metod kontroly emisí. Studie Mercedes-Benz bionic car bude mít světovou premiéru na letošním DaimlerChrysler Innovation Symposium ve Washingtonu.
Aby inženýři z Mercedes-Benz Technology Centre a výzkumného oddělení DaimlerChrysler mohli realizovat Mercedes-Benz bionic car, poprvé hledali konkrétní příklad v přírodě, který by nejen detailně odpovídal představě aerodynamického, bezpečného, pohodlného a ekologicky šetrného vozu, ale také jako formální a konstrukční celek. Vybraným vzorem se stal boxfish.
Přestože má tento tropický rybí druh kostkaté, krychlovité tělo, je ve skutečnosti výjimečně aerodynamický a představuje ideál proudění vzduchu. Díky přesně zhotovenému modelu boxfish dokázali inženýři ve Stuttgartu v aerodynamickém tunelu dosáhnout součinitele odporu vzduchu pouhých 0,06.
Aby mohli tento obrovský potenciál využít pro automobilový vývoj, specialisté DaimlerChrysler nejprve vytvořili model vozu v měřítku 1:4, jehož tvar byl výrazně založen na boxfish. Při testech v aerodynamickém tunelu byl u tohoto modelu z hlíny naměřen součinitel odporu vzduchu 0,095 – hodnota dosud v automobilovém průmyslu nevídaná. Odpovídá hodnotám dosaženým u vysoce aerodynamických tvarů (Cd 0,09) a dalších ideálních forem.
DaimlerChrysler využil poznatky z tohoto výzkumu při vývoji Mercedes-Benz Bionic car, plně funkčního a homologovaného kompaktního vozu o délce 4,24 metru s místem pro čtyři osoby a zavazadla. S hodnotou Cd pouhých 0,19 patří tento koncept mezi nejvíce aerodynamicky efektivní vozy ve své velikostní kategorii.
O 20 procent nižší spotřeba paliva a až o 80 procent nižší emise oxidů dusíku
Kromě vynikající aerodynamiky a lehké konstrukce inspirované přírodou přispívá k úspoře paliva a dalšímu snížení emisí výkonný dieselový motor o výkonu 140 koní a inovativní technologie SCR (Selective Catalytic Reduction). V evropském jízdním cyklu má koncept spotřebu paliva 65,7 mpg – o 20 procent méně než srovnatelný sériový vůz. Podle americké měřicí metody (FTP 75) je dojezd přibližně 70 mil na americký galon (kombinovaná spotřeba), což je asi o 30 procent více než u standardního sériového vozu. Při konstantní rychlosti 56 mph spotřebuje diesel s přímým vstřikováním pouze 100,9 mpg – což odpovídá dojezdu 84 mil na galon v americkém testovacím cyklu.
DaimlerChrysler v současnosti testuje technologii SCR po celém světě. Díky ní a s pomocí provozní kapaliny „AdBlue“ lze emise oxidů dusíku u dieselového motoru s přímým vstřikováním snížit až o 80 procent. Cílem těchto zkoušek je optimalizovat spalovací procesy v motoru tak, aby nedocházelo k nárůstu spotřeby paliva. Mercedes-Benz tak těží ze zkušeností svých kolegů z oblasti užitkových vozidel, kde je technologie SCR již úspěšně používána. DaimlerChrysler plánuje využít velký potenciál této technologie i u dieselových osobních vozů a po dokončení testů ji nejprve nabídne na americkém trhu.
„AdBlue“ je vodný roztok močoviny, který se přesně dávkuje do výfukového systému podle provozního stavu motoru. Přeměňuje oxidy dusíku na neškodný dusík a vodu. Nádrž na tuto provozní kapalinu je umístěna v prostoru rezervního kola konceptu a její kapacita vystačí na dojezd odpovídající servisnímu intervalu současného dieselového modelu Mercedes. Studie Mercedes-Benz bionic car je také vybavena bezúdržbovým filtrem pevných částic.
Velká tuhost a nízká hmotnost – princip růstu navržený přírodou
Boxfish, aerodynamický vzor konceptu, je zároveň příkladem tuhosti a nízké hmotnosti. Jeho kůže se skládá z mnoha šestiúhelníkových kostěných destiček, které poskytují maximální pevnost při minimální hmotnosti a účinně chrání zvíře před zraněním.
Výzkumníci DaimlerChrysler tento bionický princip prozkoumali a pomocí speciálního výpočetního postupu jej přenesli do studie Mercedes-Benz bionic car. Tento postup vychází z principů tvorby kostí a umožňuje například dosáhnout až o 40 procent větší tuhosti vnějšího dveřního pláště než u konvenčních konstrukcí. Pokud by byla celá karoserie navržena podle tohoto bionického principu, celková hmotnost by se snížila přibližně o třetinu, aniž by se snížila pevnost a bezpečnost při nárazu.
Aerodynamický a lehký jako ryba ve vodě – úsporný a ekologický díky nejmodernější dieselové technologii
Myslet nemožné. Dívat se za obzor. Opouštět známé cesty a dávat šanci novým nápadům – to je filozofie DaimlerChrysler, technologického lídra mezi automobilkami.
Více než 100 let je technologická převaha stuttgartské firmy založena na kreativitě jejích inženýrů a jejich nadšení pro vize. To se nezměnilo dodnes a specialisté DaimlerChrysler denně přijímají výzvu utvářet budoucnost automobilu. Neexistují zde žádné hranice: aby mohli přinášet průlomové inovace pro ještě větší bezpečnost, šetrnost k životnímu prostředí a komfort, zkoumají všechny možnosti, které nabízí technologie a věda. Zkušenost ukazuje, že jen svobodné, interdisciplinární myšlení vede k opravdu mimořádným výsledkům.
Jedním z takových projektů byl Mercedes-Benz bionic car, konceptový vůz založený na přírodních vzorech, ve kterém DaimlerChrysler přenesl technologii dieselových motorů budoucnosti do plně funkčního a praktického vozu pro každodenní použití.
Bionika – spojení biologie a technologie – je poměrně mladý obor výzkumu, který však již umožnil pozoruhodný pokrok v různých oblastech. Příroda poskytla nápady například pro vysokopevnostní materiály, povrchy s nízkým třením, nešpinící se povlaky nebo praktická suchá zipová zapínání.
Mnohé z těchto vynálezů vycházejí z více či méně náhodných objevů v živočišné a rostlinné říši. Poprvé u Mercedes-Benz bionic car hledali inženýři z Mercedes-Benz Technology Center (MTC) a DaimlerChrysler Research konkrétní příklad v přírodě, jehož tvar a struktura by odpovídaly jejich představám o aerodynamickém, bezpečném, prostorném a ekologicky šetrném voze. Nešlo tedy o dílčí řešení, ale o kompletní přenos z přírody do techniky – poprvé vůbec.
Boxfish – hranatý, ale přesto velmi aerodynamický
To vyžadovalo týmovou spolupráci: biologové, specialisté na bioniku a automobiloví výzkumníci z různých oborů se vydali na neobyčejnou expedici do říše zvířat, která je brzy zavedla do hlubin podmořského světa – a přinesla překvapení. Nejblíže ideálům výzkumných inženýrů nebyli rychlí a štíhlí plavci jako žralok nebo delfín, ale tvor, který na první pohled působí spíše neohrabaně a ne aerodynamicky: boxfish.
Žije v korálových útesech, lagunách a mořských řasách tropických moří, kde má v mnoha ohledech hodně společného s automobily. Potřebuje šetřit síly a pohybovat se s co nejmenší spotřebou energie, což vyžaduje silné svaly a aerodynamický tvar. Musí odolávat vysokému tlaku a chránit své tělo při nárazech, což vyžaduje pevnou vnější kůži. A musí se pohybovat v omezených prostorách při hledání potravy, což vyžaduje dobrou obratnost.
Boxfish je víc, než se na první pohled zdá: navzdory hranatému tělu je vynikajícím plavcem, jeho krychlovitá stavba mu vůbec nevadí. Naopak, boxfish má jedinečné vlastnosti a je ukázkovým příkladem geniálních řešení, která příroda vyvinula během milionů let evoluce. Základním principem této evoluce je, že nic není zbytečné a každá část těla má svůj účel – někdy i více najednou.
Vnější kůže boxfish se skládá z mnoha kostěných šestiúhelníkových destiček, které jsou propojeny do pevného pancíře. Tato kostěná, pancéřovaná struktura dodává tělu ryby velkou tuhost, chrání ji před zraněním a je také tajemstvím její výjimečné obratnosti, protože podél hran na horní a spodní části těla vznikají drobné víry, které rybu stabilizují v jakékoli poloze a zajišťují, že zůstává bezpečně na kurzu i v oblastech s velkou turbulencí. Nemusí přitom hýbat ploutvemi, a tak šetří síly.
Z pohledu automobilového inženýrství je boxfish ideálním příkladem tuhosti a aerodynamiky. Navíc jeho pravoúhlá anatomie prakticky odpovídá příčnému řezu karoserie auta. A tak se boxfish stal vzorem pro dosud ojedinělý automobilový vývojový projekt.
Hodnota Cd: boxfish téměř stejně dobrý jako ideální inženýrský tvar
Prvním dílčím projektem, kterému se věnovali inženýři z Mercedes-Benz Technology Centre a DaimlerChrysler Research, byla aerodynamika. V aerodynamických tunelech a vodních kanálech zkoumali, jak lze vlastnosti živého vzoru přenést na automobil.
Výsledky jsou působivé. Navzdory hranatému tvaru má boxfish téměř stejně dobré proudění vzduchu jako kapka vody, kterou odborníci považují za standard ideální aerodynamické formy. Při otevřeném proudění má tento aerodynamický tvar hodnotu Cd 0,04. Pomocí počítačových výpočtů a testů v aerodynamickém tunelu s přesným modelem boxfish dosáhli inženýři Mercedesu hodnoty velmi blízké tomuto ideálu, a to 0,06 – vynikající výsledek. To vysvětluje, proč je boxfish tak dobrým plavcem a tak obratným tvorem s minimální námahou.
Aby mohli využít aerodynamický potenciál, vytvořili specialisté ve Stuttgartu nejprve model vozu v měřítku 1:4, jehož tvar do značné míry odpovídal boxfish. Hranaté vnější kontury živého vzoru byly upraveny v oblasti střechy a bočních prahů, stejně jako výrazný klesající zadní konec s výrazně vykrojenými boky a výrazným klínovitým tvarem.
Při tom porušili důležité zásady automobilové aerodynamiky, a o to více je překvapily výsledky: hodnota Cd pro vůz byla 0,095. Z aerodynamického hlediska to bylo stejně dobré jako tvar – měřený na zemi – považovaný aerodynamickými specialisty za ideální (Cd 0,09).
Výzkumný model ve tvaru boxfish překonává součinitel odporu dnešních kompaktních vozů o více než 65 procent.
Cd 0,19: jeden z nejvíce aerodynamických kompaktních vozů na světě
Nyní začala druhá fáze projektu Mercedes-Benz bionic car. Úkolem bylo vyvinout plnohodnotný, homologovaný automobil na základě kontur boxfish – plně vybavený model pro čtyři osoby, s typickými atributy Mercedesu v oblasti bezpečnosti, komfortu, designu a každodenní praktičnosti, vybavený veškerou technologií nezbytnou pro minimální spotřebu paliva a co nejlepší ekologickou šetrnost.
Výsledkem tohoto jedinečného projektu je kompaktní vůz se dvěma dveřmi, čtyřmi pohodlnými samostatnými sedadly, panoramatickým čelním sklem, skleněnou střechou a velkým pátými dveřmi – měří 4,24 metru na délku, 1,82 metru na šířku a 1,59 metru na výšku. Samozřejmě přísné požadavky na praktičnost, každodenní použitelnost a design si vyžádaly kompromisy oproti modelu v měřítku 1:4, přesto si koncept zachovává vynikající aerodynamické vlastnosti: s hodnotou Cd 0,19 patří plně funkční a jízdně schopný Mercedes-Benz bionic car mezi aerodynamicky nejefektivnější vozy ve své velikostní kategorii. Kromě základního tvaru připomínajícího rybu boxfish přispívá k tomuto výsledku řada dalších aerodynamických prvků, například zadní kola téměř úplně zakrytá plastovými kryty, zapuštěné kliky dveří a použití kamer místo vnějších zrcátek.
V této studii Mercedesu vytvářejí optimální aerodynamické vlastnosti odvozené od boxfish a nový lehký konstrukční koncept inspirovaný přírodou předpoklady pro nízkou spotřebu paliva a vynikající výkon. Koncept je vybaven vznětovým motorem s přímým vstřikováním o výkonu 103 kW/140 PS a spotřebuje 65,7 mpg (kombinovaně), což je o 20 procent úspornější než srovnatelný sériový model. Podle americké měřicí metody (FTP 75) je dojezd přibližně 70 mil na americký galon (kombinovaně), což je asi o 30 procent více než u sériového vozu. Při konstantní rychlosti 56 mph klesá evropská spotřeba na pouhých 100,9 mpg na 100 kilometrů – což odpovídá 84 mpg v americkém testovacím programu. Maximální rychlost konceptu je 118 mph.
Emisní kontrola: o 80 procent nižší emise oxidů dusíku díky technologii SCR
Dalším důležitým úkolem pro vývojáře konceptu byla problematika emisí výfukových plynů. Zatímco moderní motor CDI již díky oxidačnímu katalyzátoru a filtru pevných částic výrazně překonává přísné limity emisí EU 4, inženýři ve Stuttgartu myslí na budoucnost a testují inovativní proces, který slibuje splnění ještě přísnějších norem – technologii SCR (Selective Catalytic Reduction).
Jádrem je katalyzátor, který využívá další provozní kapalinu k přeměně oxidů dusíku (NOx): do výfukového systému je přesně dávkovaně vstřikováno vodné močovinové roztok, v závislosti na provozním stavu motoru. Ten přeměňuje oxidy dusíku na neškodný dusík a vodu. Výsledkem je až 80procentní snížení emisí NOx v novém evropském jízdním cyklu.
DaimlerChrysler v současnosti testuje technologii SCR po celém světě. Díky ní a s přídavnou provozní kapalinou „AdBlue“ lze emise oxidů dusíku u vznětového motoru s přímým vstřikováním snížit až o 80 procent. Cílem těchto zkoušek je eliminovat nevýhody ve spotřebě paliva optimalizací spalovacích procesů přímo v motoru. Zde těží konstruktéři Mercedesu z poznatků svých kolegů z oblasti užitkových vozidel, kde je technologie SCR již úspěšně používána. DaimlerChrysler rovněž plánuje využít velký potenciál tohoto procesu pro dieselové osobní vozy v budoucnu a počítá s tím, že technologii SCR nabídne nejdříve v USA po dokončení testování.
Provozní kapalina umožňující selektivní katalytické spalování se nazývá „AdBlue“. Protože je během jízdy potřeba jen velmi malé množství, kapacita nádrže umístěné v prostoru rezervního kola konceptu postačuje na dojezd odpovídající servisnímu intervalu současného dieselového Mercedesu.
Konstrukce karoserie: přírodní principy pro tuhost a nízkou hmotnost
Biologie neposkytuje inspiraci jen pro aerodynamickou účinnost, ale také přináší impulzy pro inovativní lehké konstrukce. Jak vnější pancéřování boxfish, tak kosterní struktury jiných tvorů ukazují, jak příroda dosahuje maximální pevnosti při minimálním použití materiálu. Kosterní struktury vždy odpovídají skutečným zatížením.
Například u lidské stehenní kosti je poloha a pevnost kostní hmoty přesně přizpůsobena tahovým a tlakových silám, které musí končetina snášet. Nejen kosterní struktury, ale i větve a kořeny stromů rostou podle biologických zákonů – jde o dokonalou strategii lehké konstrukce přírody.
Ve spolupráci s odborníky na bioniku vyvinuli výzkumníci DaimlerChrysler počítačem podporovaný proces, který přenáší princip růstu používaný přírodou do automobilového inženýrství. Základem je metoda SKO (Soft Kill Option). Pomocí počítačové simulace jsou navrženy karosářské a podvozkové díly tak, aby materiál v méně zatížených oblastech mohl být oslaben nebo dokonce zcela odstraněn („zabit“), zatímco vysoce namáhané části jsou cíleně zesíleny. Tento bionický proces SKO umožňuje nalézt optimální geometrii dílu, která stejně dobře splňuje požadavky na lehkou konstrukci, bezpečnost i trvanlivost.
Šestiúhelníkové šupiny boxfish rovněž dodržují princip maximální pevnosti při minimální hmotnosti. Přenesené na vnější plášť dveří vozu tento přírodní konstrukční princip vytváří včelí plástovou strukturu s až o 40 procent vyšší tuhostí. Pokud je celá konstrukce karoserie navržena podle metody SKO, její hmotnost se sníží přibližně o 30 procent – přičemž si zachovává vzorovou stabilitu, bezpečnost při nárazu i jízdní dynamiku. I v této oblasti tak bionika může výrazně přispět k lepší úspornosti paliva.
