基于導(dǎo)流罩優(yōu)化的輕卡車型節(jié)油效果研究

丁樂芳，張 憲，官已駿

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

輕卡是道路貨運(yùn)的主體車輛，近3年來輕型載貨汽車（輕卡）產(chǎn)銷量占全國載貨汽車總量的近55%，市場(chǎng)保有量1 500萬輛。輕卡使用區(qū)域?qū)?，貨物類型雜，運(yùn)輸半徑散，使用強(qiáng)度大，長(zhǎng)期存在物流車輛能耗高等多方面的問題。為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的國內(nèi)油耗法規(guī)，商用車整車廠對(duì)國VI產(chǎn)品燃油經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)要求更加嚴(yán)苛。影響卡車油耗的因素很多，比如車身質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、變速器齒比、空氣動(dòng)力等，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和傳動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化及研發(fā)已經(jīng)趨于飽和，而從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，通過減小車身迎風(fēng)阻力從而降低油耗，成為解決燃油經(jīng)濟(jì)性這一難題所需要的有效手段。廂式卡車導(dǎo)流罩的主要作用是彌補(bǔ)牽引車和掛車高度差及間隙引起的氣流撞擊壓力和氣流紊亂，保證氣流平順過渡。本文主要針對(duì)某廂式貨車原導(dǎo)流罩模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)匹配性導(dǎo)流罩，從而達(dá)到降低風(fēng)阻的目的。同時(shí)，基于CFD數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對(duì)優(yōu)化導(dǎo)流罩降油耗措施的合理性和可行性進(jìn)行研究。

1 CFD數(shù)值模型

1.1 理論基礎(chǔ)

CFD是在流動(dòng)基本方程控制下對(duì)流體的數(shù)值模擬，基本方程包括質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）、動(dòng)量守恒方程（運(yùn)動(dòng)方程）及能量守恒方程。外流場(chǎng)計(jì)算不考慮熱交換，只需建立連續(xù)方程和動(dòng)量方程進(jìn)行數(shù)值求解[1]。

對(duì)于不可壓縮流體，忽略其體積力時(shí)均化的控制方程為：

連續(xù)方程

運(yùn)動(dòng)方程

式中：v為流場(chǎng)速度；p為流場(chǎng)壓力；μ為流動(dòng)動(dòng)力粘性系數(shù)；ρ為空氣密度；

1.2 分析模型

應(yīng)用HyperMesh軟件對(duì)整車及所有零部件進(jìn)行前期面網(wǎng)格處理，只對(duì)部分與整車空氣動(dòng)力學(xué)性能無太大相關(guān)性的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。運(yùn)用STARCCM+軟件進(jìn)行體網(wǎng)格劃分、仿真計(jì)算及結(jié)果后處理，共生成體網(wǎng)格2 000萬個(gè)。計(jì)算采用Realizablek-ε湍流模型、分離流動(dòng)，風(fēng)扇、車輪無旋轉(zhuǎn)，中冷器、冷凝器、散熱器按多孔介質(zhì)處理。具體的邊界條件設(shè)置如下[2]。

表1 邊界條件

假定整車長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、h，風(fēng)洞大小設(shè)置應(yīng)為：車頭前部2a，車尾后部4a，車身側(cè)面2.5b，車頂上部3h。

圖1 數(shù)值風(fēng)洞模型

1.3 方案設(shè)計(jì)

研究車型的現(xiàn)裝導(dǎo)流罩相對(duì)于現(xiàn)貨箱覆蓋面不夠（圖2），導(dǎo)流效果較差，流線紊亂，貨箱前表面由于氣流二次撞擊引起的正壓區(qū)較多。此外，由圖3可以看出貨箱前部壓力分布不對(duì)稱，這主要是由于現(xiàn)裝導(dǎo)流罩模型與貨箱高度差明顯，現(xiàn)裝導(dǎo)流罩并未完全遮住貨箱，使一部分氣流直接沖擊貨箱后向周圍擴(kuò)散，并擾亂現(xiàn)裝導(dǎo)流罩上部的來流，造成強(qiáng)烈的不對(duì)稱渦流，撞擊間隙處的貨箱前部；其次車身兩側(cè)后視鏡、高位進(jìn)氣管等部件并不是對(duì)稱分布，這都造成了貨箱前部壓力分布不對(duì)稱。應(yīng)重新設(shè)計(jì)匹配現(xiàn)貨箱的導(dǎo)流罩，使氣流經(jīng)過導(dǎo)流罩后順利過渡到貨箱上表面，減小氣流對(duì)貨箱的正面撞擊，以達(dá)到降風(fēng)阻的目的。

圖2 整車模型及現(xiàn)裝導(dǎo)流罩壓力分布

圖3 貨箱前表面壓力及流線圖

圖4 現(xiàn)裝導(dǎo)流罩縱截面及橫截面速度圖

1.3.1 優(yōu)化原則

優(yōu)化原則[3]：優(yōu)化導(dǎo)流罩上的斷面弧度，使其相切于貨箱上表面（圖5）；優(yōu)化導(dǎo)流罩兩側(cè)的斷面弧度，使其相切于貨箱側(cè)表面（圖6）；優(yōu)化導(dǎo)流罩的長(zhǎng)度和高度，使其能夠覆蓋貨箱前表面。

圖5 優(yōu)化導(dǎo)流罩上斷面弧度

圖6 優(yōu)化導(dǎo)流罩側(cè)斷面弧度

1.3.2 概念導(dǎo)流罩

結(jié)合導(dǎo)流罩CFD優(yōu)化原則設(shè)計(jì)上導(dǎo)流罩，進(jìn)一步設(shè)計(jì)側(cè)導(dǎo)流板連接上導(dǎo)流罩與白車身尾部。根據(jù)導(dǎo)流罩尾端與貨箱之間的間距大小決定是否需要添加側(cè)導(dǎo)流板，形成了6個(gè)對(duì)比的概念導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)方案，分析導(dǎo)流罩尾端與貨箱的間距，添加側(cè)導(dǎo)流板降風(fēng)阻的效果，并評(píng)估添加側(cè)導(dǎo)流板的可行性。

圖7 上導(dǎo)流罩示意圖

圖8 側(cè)導(dǎo)流板示意圖

總結(jié)雷諾數(shù)為4.66×106時(shí)，6個(gè)設(shè)計(jì)方案的降風(fēng)阻效果對(duì)比結(jié)果[3]，設(shè)計(jì)六（優(yōu)化上導(dǎo)流罩+添加側(cè)導(dǎo)流板，尾端與貨箱間隙50 mm）降風(fēng)阻效果最好，風(fēng)阻系數(shù)相對(duì)現(xiàn)裝導(dǎo)流罩可降低22.7%，見表2。

表2 六種設(shè)計(jì)方案降能耗仿真值對(duì)比表

針對(duì)寬廂式車型，車頭與車廂面差越大，側(cè)導(dǎo)流板確保氣流流向車尾部，降阻效果越明顯。針對(duì)本卡車車型，車廂與貨箱面差134 mm，添加側(cè)導(dǎo)流板后，貨箱前正壓區(qū)明顯降低，如圖9所示。

圖9 設(shè)計(jì)五與設(shè)計(jì)六貨箱前正壓云圖

添加側(cè)導(dǎo)流板能起到降低風(fēng)阻系數(shù)的效果，Y向貨箱前預(yù)留間隙越小，上導(dǎo)流罩及側(cè)導(dǎo)流板降阻效果越好，如圖10所示。

圖10 側(cè)導(dǎo)流板與貨箱間距對(duì)風(fēng)阻的影響

優(yōu)化上導(dǎo)流罩后，進(jìn)一步添加側(cè)導(dǎo)流板，需要增加成本115元，模具費(fèi)用增加120萬元，質(zhì)量增加8.1 kg，結(jié)合降阻效果、成本、質(zhì)量，最終決定在設(shè)計(jì)五的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化導(dǎo)流罩形狀。各方案成本增加及仿真能耗降低率對(duì)比如圖11所示。

圖11 六種設(shè)計(jì)方案降能耗及成本增加對(duì)比

1.3.3 設(shè)計(jì)五優(yōu)化

詳細(xì)分析設(shè)計(jì)五導(dǎo)流罩對(duì)外部流場(chǎng)的影響，在此基礎(chǔ)上結(jié)合安裝可行性，確定合理的、降阻效果好的導(dǎo)流罩。

由圖12和圖13可以看出，設(shè)計(jì)五導(dǎo)流罩相對(duì)原導(dǎo)流罩，正壓區(qū)明顯減小，貨箱上方及兩側(cè)氣流分離得到明顯改善。但是，設(shè)計(jì)五導(dǎo)流罩正壓區(qū)仍比較明顯，貨箱兩側(cè)氣流分離仍存在。因此，在設(shè)計(jì)五的基礎(chǔ)上增大上導(dǎo)流罩迎風(fēng)面拐角處的弧度，并優(yōu)化兩側(cè)面弧度，方案輪廓對(duì)比如圖14～15所示（綠色為設(shè)計(jì)五導(dǎo)流罩、紅色為優(yōu)化導(dǎo)流罩）。

圖12 設(shè)計(jì)五縱截面及橫截面速度圖

圖13 設(shè)計(jì)五導(dǎo)流罩壓力云圖

圖14 設(shè)計(jì)五與優(yōu)化導(dǎo)流罩縱斷面對(duì)比

圖15 設(shè)計(jì)五與優(yōu)化導(dǎo)流罩橫斷面對(duì)比

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)五導(dǎo)流罩的縱斷面輪廓弧度使正壓力分布減少，有利于降低阻力，如圖16所示。通過優(yōu)化側(cè)面導(dǎo)流角度，橫截面速度分布如圖17所示，相對(duì)于設(shè)計(jì)五的導(dǎo)流罩方案，側(cè)面氣流能夠平順地流過間隙，分離得到改善。整體上優(yōu)化導(dǎo)流罩相對(duì)設(shè)計(jì)五，在雷諾數(shù)4.66×106條件下，風(fēng)阻系數(shù)降低了2.8%。

圖16 NC導(dǎo)流罩壓力分布

圖17 橫截面速度分布

1.3.4 NC導(dǎo)流罩

結(jié)合導(dǎo)流罩輕量化新材料對(duì)模具的限制要求，車身系統(tǒng)結(jié)合避讓示廓燈等邊界要求，以及安裝開?？尚行赃M(jìn)行優(yōu)化方案數(shù)據(jù)校核，確定最終的NC導(dǎo)流罩狀態(tài)（圖18）。相對(duì)于設(shè)計(jì)五導(dǎo)流罩狀態(tài)，體積大小、質(zhì)量、成本均有所減小。在不同雷諾數(shù)下，本廂式卡車匹配NC導(dǎo)流罩狀態(tài)相對(duì)現(xiàn)裝導(dǎo)流罩，整車風(fēng)阻系數(shù)降低19.2%～21.6%（圖19），綜合能耗仿真值降低6.1%。

圖18 NC導(dǎo)流罩形狀

圖19 不同雷諾數(shù)下的風(fēng)阻系數(shù)

2 滑行阻力測(cè)試

2.1 道路行駛阻力理論

道路行駛阻力包含：滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力、坡度阻力，水平道路等速行駛時(shí)可忽略坡度阻力和加速阻力。

行駛阻力：

式中：Fi為坡道阻力，取0；im為變速器傳動(dòng)比。滾動(dòng)阻力：

式中：f為滾動(dòng)系數(shù)，最大設(shè)計(jì)質(zhì)量小于1.4 t時(shí)，

2.2 道路行駛阻力測(cè)試

樣車分別匹配現(xiàn)裝導(dǎo)流罩與NC導(dǎo)流罩進(jìn)行滿載和空載的道路滑行試驗(yàn)，得到的道路阻力系數(shù)見表3。

通過道路校正后的行駛阻力及滾動(dòng)阻力，可推算出空氣阻力的道路實(shí)測(cè)值。80 km/h滿載工況下，NC導(dǎo)流罩相對(duì)現(xiàn)裝導(dǎo)流罩空氣阻力降低11.5%。

表3 匹配優(yōu)化前后導(dǎo)流罩整車滑阻對(duì)比

圖20 現(xiàn)裝導(dǎo)流罩及NC導(dǎo)流罩行駛阻力對(duì)比

表4 匹配優(yōu)化前后導(dǎo)流罩整車各項(xiàng)阻力對(duì)比

3 油耗試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

在環(huán)境溫度22.5～33.5 ℃，環(huán)境氣壓99.51～99.77 kPa條件下，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測(cè)量方法》進(jìn)行油耗試驗(yàn)。

圖21 轉(zhuǎn)鼓油耗試驗(yàn)臺(tái)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用同一輛車、同一套試驗(yàn)設(shè)備、同一個(gè)駕駛員、同一種油品，進(jìn)行裝配不同導(dǎo)流罩的油耗試驗(yàn)比較，半載油耗試驗(yàn)結(jié)果為：現(xiàn)裝導(dǎo)流罩狀態(tài)，本卡車C-WTVC工況綜合燃料消耗量為12.45 L/100 km；更換NC狀態(tài)導(dǎo)流罩后C-WTVC工況綜合燃料消耗量為11.71 L/100 km，油耗降低5.94%。以滿載、半載行駛里程相等計(jì)算，該車輛百公里油耗降低0.44 L[4-6]。

完成安裝現(xiàn)導(dǎo)流罩及優(yōu)化后的NC導(dǎo)流罩臺(tái)架C-WTVC工況油耗測(cè)試，經(jīng)過優(yōu)化后的NC導(dǎo)流罩高速工況優(yōu)化效果明顯，半載高速工況提升12.1%，滿載高速工況提升3.8%，綜合工況分別提升6%、1.2%。考慮到現(xiàn)在交通道路狀態(tài)越來越好，車輛以高速行駛工況居多，因此，由導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)性差異愈發(fā)明顯。

表5 匹配優(yōu)化前后導(dǎo)流罩整車油耗對(duì)比

圖22 GVW4.5T、GVW6.0T新舊導(dǎo)流罩車型C-WTVC工況油耗對(duì)比

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

通過對(duì)比現(xiàn)裝導(dǎo)流罩及優(yōu)化后的NC導(dǎo)流罩降阻及降油耗試驗(yàn)結(jié)果，用戶使用6年全生命周期TCO整車節(jié)約28 476元。

表6 GVW6.0T車型匹配優(yōu)化前后導(dǎo)流罩經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

續(xù)表6

4 結(jié)論

無論是對(duì)傳統(tǒng)能源車輛，還是新能源車輛，節(jié)能環(huán)保要求都越來越嚴(yán)格，從能源轉(zhuǎn)換、動(dòng)力傳遞以外的技術(shù)方面進(jìn)行降耗節(jié)能的研究，正在成為新的方向。

本文聚焦于影響車輛阻力系數(shù)的導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)，從CFD仿真分析、油耗仿真分析，到滑行阻力測(cè)試、油耗測(cè)試，再到裝車驗(yàn)證，多角度地展開了導(dǎo)流罩仿真分析與整車降油耗的關(guān)聯(lián)性研究，為其它類似的研究提供了一種方法參考。