汽車氣壩組件對車輛油耗影響研究

曾令平

(北京汽車股份有限公司 汽車研究院,北京 101300)

汽車氣壩組件對車輛油耗影響研究

曾令平

(北京汽車股份有限公司 汽車研究院,北京 101300)

為了使開發(fā)的氣壩組件獲得最佳油耗性能以及最低開發(fā)設計成本，提出了一種用來驗證氣壩組件對車輛風阻和油耗實際影響的方法.通過CAE建立虛擬仿真模型，分析了汽車氣壩組件對車輛風阻以及對車輛綜合油耗的影響；通過車輛道路阻力滑行試驗和實驗室轉(zhuǎn)鼓油耗試驗，驗證了汽車氣壩組件對車輛風阻產(chǎn)生的實際影響，達到了節(jié)約車輛綜合油耗的目的，為開發(fā)汽車氣壩提供了可借鑒的途徑，并且提供了可參考的仿真和試驗開發(fā)數(shù)據(jù).

氣壩組件；仿真；試驗； 油耗

隨著近年空氣霧霾污染的加劇，汽車節(jié)能減排的要求持續(xù)加嚴，2014年國家出臺的汽車法規(guī)GB 19578-2014乘用車燃料消耗量限值[1]和GB 27999-2014乘用車燃料消耗量評價方法及指標[2]，在2020年將整車綜合油耗必須達到5.0L/100 km的目標，迫使各車企在研發(fā)車型時，除了保證汽車動力性、舒適性、平順性、安全等性能，同時必須更加重視經(jīng)濟性，嚴格的控制汽車碳排放，重點關注經(jīng)濟性的開發(fā).

汽車氣壩組件，通常指的是車輛前下護板擋風板，前、后輪擋風板等降低車輛風阻的零件.氣壩作為降低車輛油耗技術(shù)路線之一的節(jié)油措施，在開發(fā)氣壩組件前，需了解氣壩組件對車輛油耗實際影響，綜合考慮氣壩組件節(jié)油貢獻和實際成本.文中通過CAE仿真和試驗驗證相結(jié)合的手段，研究氣壩組件對車輛油耗的影響.

1 風阻仿真分析

通過對某型號轎車加裝氣壩組件前后建立模型，模擬分析了同一輛某型號車輛加裝氣壩組件前后風阻變化.

1.1 氣壩組件及參數(shù)

(1)氣壩組件

氣壩組件包含前輪擋風板氣壩、后輪擋風板氣壩、前下護板氣壩.前輪擋風板氣壩安裝在車輛左右前輪后側(cè)如圖1(a)所示，后輪擋風板氣壩安裝在車輛左右后輪前側(cè)(b)，前下護板氣壩安裝在車輛下護板下面，如圖(c)所示.

圖1 氣壩組件

(2)車輛參數(shù)

分析車輛選用某型號轎車，車輛基本信息見表1; 發(fā)動機基本信息見表2.

表1 車輛基本信息

表2 發(fā)動機基本信息

變速器型式：5AT；輪胎規(guī)格型號：235/65R17;氣壓：240kpa.

1.2 仿真模型

CAE采用STARCCM+軟件建立仿真模型，仿真模型設置見表3.

表3 仿真模型設置

建立兩個車輛模型，未加裝氣壩組件的車輛模型和加裝氣壩組件的車輛模型，設置仿真環(huán)境參數(shù)，見表4.

表4 環(huán)境參數(shù)

1.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)建立的兩種車輛仿真模型，對車輛加裝氣壩組件前后風阻進行仿真對比分析，獲得加裝氣壩前后的兩種車輛狀態(tài)對應的兩條累積風阻變化曲線圖，見圖2.從車輛累積風阻變化曲線圖可分析出，加裝氣壩組件后的車輛風阻均比未加裝氣壩組件的車輛風阻小.

圖2 累積壓力圖

通過進一步仿真分析，計算出加裝氣壩組件與未加裝氣壩組件車輛的仿真阻力參數(shù)，如表5.

表5 車輛仿真阻力參數(shù)

同時可以通過車輛氣動流場仿真分析，見圖3.加裝氣壩組件車輛流場，如圖3(a)所示，未加裝氣壩組件車輛氣動流場如圖3(b)所示.分析車輛各處的氣壓變化，進而分析車輛風阻影響.

由流場圖分析可知：

(1) 車輛增加前下護板氣壩及前輪擋風板氣壩后，前輪高壓區(qū)明顯減小，有利于減小氣動阻力，降低風阻.

(2) 車輛增加后輪擋風板后，后輪高壓區(qū)明顯減小，有利于減小氣動阻力，降低風阻.

(3)車輛增加前下護板氣壩及前后輪擋風板氣壩后，車尾處渦流影響區(qū)域略小于未增加氣壩車輛，有利于降低風阻.

圖3 車輛仿真氣動流場

2 車輛道路滑行阻力試驗

測試汽車的道路行駛阻力是為了在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上模擬汽車道路行駛阻力,測量車輛道路行駛阻力的方法主要有道路滑行能量變化法(簡稱道路滑行法)和等速下扭矩測量方法兩種，在現(xiàn)有的汽車行駛阻力測試方法中，道路滑行法因其具有精度較高、重復性較好且滑行過程不受駕駛員因素影響等優(yōu)點被國際上廣泛采用[3]，目前國內(nèi)外采用較多的是道路滑行法.

道路滑行法的目的是測量車輛在道路上等速行駛時的阻力，該阻力經(jīng)校正后用于在底盤測功機上進行模擬試驗，進而在底盤測功機上測試車輛燃油消耗量.

2.1 試驗原理

車輛滑行試驗是讓汽車加速到某預定車速后，摘擋脫開發(fā)動機，只靠汽車的動能繼續(xù)行駛直至停車的試驗過程.通常在汽車試驗場的高速直線道上進行.在試驗中，可測得汽車的滑行距離，并可用五輪儀記錄滑行過程中車速與時間的關系曲線.通過對指定的同一輛某型號轎車，加裝氣壩組件前后分別進行車輛滑行阻力試驗，可根據(jù)車速與時間的關系曲線求得汽車的滾動阻力和空氣阻力.

滑行試驗方法確定的汽車道路行駛阻力由汽車滾動阻力 、空氣阻力和傳動摩擦阻力3部分組成[4].

2.2 試驗儀器設備

(1)手持式氣象站.型號：NK4000.精度范圍：風速,0.1 m/s；風向,16個方向；大氣溫度,精度0.2級；大氣相對濕度,±3%RH內(nèi)；大氣壓力,50 Pa.

(2)整車性能測試系統(tǒng).型號：VBOX 3I；速度：0.1 km/h；距離：0.05%；時間：0.01s；加速度：0.5%.

2.3 試驗數(shù)據(jù)采集及處理

通過對加裝氣壩組件和未加裝氣壩組件的同一車輛進行滑行阻力測試，可得到兩種狀態(tài)車輛的校正滑行阻力.

將滑行車速與相應的校正等速行駛阻力擬合成二次多項式，多項式中常數(shù)項、一次項、二次項即為滑行系數(shù)A、B、C.

通過數(shù)據(jù)處理得到兩種狀態(tài)車輛對應整車校正滑行阻力二次多項式：

⑴ 未加氣壩車輛:y= 0.0274x2+ 1.1245x+ 147.4；

⑵ 加氣壩車輛:y=0.0261x2+1.105x+149.6.

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)處理繪制出兩種狀態(tài)車輛對應整車校正滑行阻力曲線，如圖4所示.

圖4 整車滑行阻力曲線

從車輛滑行阻力曲線結(jié)果可知，加裝氣壩組件的車輛滑行阻力低于未加裝氣壩組件的車輛滑行阻力，隨著車速的增加，兩種狀態(tài)車輛滑行阻力之差增大，在高速工況表現(xiàn)明顯.

3 車輛轉(zhuǎn)鼓油耗試驗

按GB 18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法[5]中CC.5.1規(guī)定，汽車轉(zhuǎn)鼓試驗臺，又叫底盤測功機，是一種不解體檢驗汽車性能的檢測設備，它能夠在室內(nèi)臺架上模擬道路行駛阻力，進而檢測汽車的燃料經(jīng)濟性、動力性、滑行性、制動性等性能，確定車輛的行駛阻力，在底盤測功機上測試汽車的燃料消耗量，被測車輛驅(qū)動輪放置在轉(zhuǎn)鼓上，用轉(zhuǎn)鼓的表面代替路面.

3.1 試驗原理

實驗室轉(zhuǎn)鼓模擬的目標就是要使汽車道路行駛的阻力(F) 與汽車在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上受到的阻力(F′) 相等[6].

測試時汽車驅(qū)動輪帶動轉(zhuǎn)鼓—測功機旋轉(zhuǎn)，測功機吸收汽車驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，使車輛驅(qū)動輪受到的阻力等效于等速工況下在道試驗中受到的阻力，風機的風速跟蹤車速，使汽車迎風阻力、發(fā)動機的冷卻條件與道路試驗等效.

通過對加裝氣壩組件前后的同一車輛進行轉(zhuǎn)鼓試驗，測試出加裝氣壩組件前后的同一車輛綜合油耗狀況.

3.2 試驗設備

實驗室轉(zhuǎn)鼓模擬綜合油耗測試所使用的設備見表6.

表6 綜合油耗測試設備

3.3 油耗測試

根據(jù)表1整車參數(shù)信息以及圖4道路滑行阻力曲線，將相關參數(shù)輸入轉(zhuǎn)鼓控制程序，對加裝氣壩組件和未加裝氣壩組件的車輛進行轉(zhuǎn)鼓油耗測試，為了盡可能消除試驗誤差，每種狀態(tài)車輛測試3次，分6天測試完成，綜合油耗測試結(jié)果如表7.

表7 綜合油耗測試數(shù)據(jù)

從車輛轉(zhuǎn)鼓油耗測試結(jié)果可知，加裝氣壩組件的車輛平均綜合油耗相對未加裝氣壩組件的車輛平均綜合油耗降低了約0.11L/100km.

4 結(jié) 論

通過車輛氣動流場仿真分析，加裝氣壩組件相對未加裝氣壩組件車輛風阻系數(shù)降低約0.01;對應的兩種狀態(tài)車輛實際道路滑行阻力之差隨著車速增加而增加，在高速工況表現(xiàn)尤為明顯，通過實驗室轉(zhuǎn)鼓油耗試驗驗證加裝氣壩組件車輛綜合油耗較未加裝氣壩組件車輛綜合油耗降低約0.11L/100 km，驗證了汽車氣壩組件的實際節(jié)油效果.

[1] GB 19578-2014乘用車燃料消耗量限值[S].北京:中國標準出版社,2014.

[2] GB 27999-2014乘用車燃料消耗量評價方法及指標[S].北京:中國標準出版社,2014.

[3] 方茂東.道路行駛阻力的滑行法測量及其在底盤測功機上的設定[J].汽車技術(shù)1996(2)：22-27.

[4] 余志生.汽車理論[M].2版,北京:機械工業(yè)出版社,1990.

[5] 國家環(huán)境保護總局.GB 18352.3—2005 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2005.

[6] 蘇健勇,范佩鑫.轉(zhuǎn)鼓試驗臺的道路行駛阻力模擬技術(shù)及實踐[J].上海鐵道大學學報，1998,12(19):40.

Research on Influence of Automobile Air Dam Components onVehicle Fuel Consumption

ZENG Ling-ping

(Beijing Automobile Co., Ltd. R&D, Beijing 101300, China)

In order to obtain the best energy-saving and the least design cost in developing the air dam components, a research approach for verifying the actual effect of the components is put forward on the vehicle wind-drag and its fuel consumption. With the help of an established CAE virtual simulation model, the influence of the components is analyzed on both the vehicle wind drag and its fuel consumption. By means of both the vehicle road resistance test and the laboratory fuel consumption test, the actual impact of the components is verified on the vehicle wind resistance. The goal of reducing the vehicle integrated fuel consumption is achieved, providing a reference for the further air-dam development and the data acquisition from the simulation and test.

air dam components; simulation; test; fuel consumption

1009-4687(2017)02-0055-04

2017-3-13

曾令平(1979-)，男，工程師.

463.9

A