汽车气坝组件对车辆油耗影响研究

曾令平

(北京汽车股份有限公司 汽车研究院,北京 101300)

汽车气坝组件对车辆油耗影响研究

曾令平

(北京汽车股份有限公司 汽车研究院,北京 101300)

为了使开发的气坝组件获得最佳油耗性能以及最低开发设计成本，提出了一种用来验证气坝组件对车辆风阻和油耗实际影响的方法.通过CAE建立虚拟仿真模型，分析了汽车气坝组件对车辆风阻以及对车辆综合油耗的影响；通过车辆道路阻力滑行试验和实验室转鼓油耗试验，验证了汽车气坝组件对车辆风阻产生的实际影响，达到了节约车辆综合油耗的目的，为开发汽车气坝提供了可借鉴的途径，并且提供了可参考的仿真和试验开发数据.

气坝组件；仿真；试验； 油耗

随着近年空气雾霾污染的加剧，汽车节能减排的要求持续加严，2014年国家出台的汽车法规GB 19578-2014乘用车燃料消耗量限值[1]和GB 27999-2014乘用车燃料消耗量评价方法及指标[2]，在2020年将整车综合油耗必须达到5.0L/100 km的目标，迫使各车企在研发车型时，除了保证汽车动力性、舒适性、平顺性、安全等性能，同时必须更加重视经济性，严格的控制汽车碳排放，重点关注经济性的开发.

汽车气坝组件，通常指的是车辆前下护板挡风板，前、后轮挡风板等降低车辆风阻的零件.气坝作为降低车辆油耗技术路线之一的节油措施，在开发气坝组件前，需了解气坝组件对车辆油耗实际影响，综合考虑气坝组件节油贡献和实际成本.文中通过CAE仿真和试验验证相结合的手段，研究气坝组件对车辆油耗的影响.

1 风阻仿真分析

通过对某型号轿车加装气坝组件前后建立模型，模拟分析了同一辆某型号车辆加装气坝组件前后风阻变化.

1.1 气坝组件及参数

(1)气坝组件

气坝组件包含前轮挡风板气坝、后轮挡风板气坝、前下护板气坝.前轮挡风板气坝安装在车辆左右前轮后侧如图1(a)所示，后轮挡风板气坝安装在车辆左右后轮前侧(b)，前下护板气坝安装在车辆下护板下面，如图(c)所示.

图1 气坝组件

(2)车辆参数

分析车辆选用某型号轿车，车辆基本信息见表1; 发动机基本信息见表2.

表1 车辆基本信息

表2 发动机基本信息

变速器型式：5AT；轮胎规格型号：235/65R17;气压：240kpa.

1.2 仿真模型

CAE采用STARCCM+软件建立仿真模型，仿真模型设置见表3.

表3 仿真模型设置

建立两个车辆模型，未加装气坝组件的车辆模型和加装气坝组件的车辆模型，设置仿真环境参数，见表4.

表4 环境参数

1.3 仿真结果分析

根据建立的两种车辆仿真模型，对车辆加装气坝组件前后风阻进行仿真对比分析，获得加装气坝前后的两种车辆状态对应的两条累积风阻变化曲线图，见图2.从车辆累积风阻变化曲线图可分析出，加装气坝组件后的车辆风阻均比未加装气坝组件的车辆风阻小.

图2 累积压力图

通过进一步仿真分析，计算出加装气坝组件与未加装气坝组件车辆的仿真阻力参数，如表5.

表5 车辆仿真阻力参数

同时可以通过车辆气动流场仿真分析，见图3.加装气坝组件车辆流场，如图3(a)所示，未加装气坝组件车辆气动流场如图3(b)所示.分析车辆各处的气压变化，进而分析车辆风阻影响.

由流场图分析可知：

(1) 车辆增加前下护板气坝及前轮挡风板气坝后，前轮高压区明显减小，有利于减小气动阻力，降低风阻.

(2) 车辆增加后轮挡风板后，后轮高压区明显减小，有利于减小气动阻力，降低风阻.

(3)车辆增加前下护板气坝及前后轮挡风板气坝后，车尾处涡流影响区域略小于未增加气坝车辆，有利于降低风阻.

图3 车辆仿真气动流场

2 车辆道路滑行阻力试验

测试汽车的道路行驶阻力是为了在转鼓试验台上模拟汽车道路行驶阻力,测量车辆道路行驶阻力的方法主要有道路滑行能量变化法(简称道路滑行法)和等速下扭矩测量方法两种，在现有的汽车行驶阻力测试方法中，道路滑行法因其具有精度较高、重复性较好且滑行过程不受驾驶员因素影响等优点被国际上广泛采用[3]，目前国内外采用较多的是道路滑行法.

道路滑行法的目的是测量车辆在道路上等速行驶时的阻力，该阻力经校正后用于在底盘测功机上进行模拟试验，进而在底盘测功机上测试车辆燃油消耗量.

2.1 试验原理

车辆滑行试验是让汽车加速到某预定车速后，摘挡脱开发动机，只靠汽车的动能继续行驶直至停车的试验过程.通常在汽车试验场的高速直线道上进行.在试验中，可测得汽车的滑行距离，并可用五轮仪记录滑行过程中车速与时间的关系曲线.通过对指定的同一辆某型号轿车，加装气坝组件前后分别进行车辆滑行阻力试验，可根据车速与时间的关系曲线求得汽车的滚动阻力和空气阻力.

滑行试验方法确定的汽车道路行驶阻力由汽车滚动阻力 、空气阻力和传动摩擦阻力3部分组成[4].

2.2 试验仪器设备

(1)手持式气象站.型号：NK4000.精度范围：风速,0.1 m/s；风向,16个方向；大气温度,精度0.2级；大气相对湿度,±3%RH内；大气压力,50 Pa.

(2)整车性能测试系统.型号：VBOX 3I；速度：0.1 km/h；距离：0.05%；时间：0.01s；加速度：0.5%.

2.3 试验数据采集及处理

通过对加装气坝组件和未加装气坝组件的同一车辆进行滑行阻力测试，可得到两种状态车辆的校正滑行阻力.

将滑行车速与相应的校正等速行驶阻力拟合成二次多项式，多项式中常数项、一次项、二次项即为滑行系数A、B、C.

通过数据处理得到两种状态车辆对应整车校正滑行阻力二次多项式：

⑴ 未加气坝车辆:y= 0.0274x2+ 1.1245x+ 147.4；

⑵ 加气坝车辆:y=0.0261x2+1.105x+149.6.

根据试验数据处理绘制出两种状态车辆对应整车校正滑行阻力曲线，如图4所示.

图4 整车滑行阻力曲线

从车辆滑行阻力曲线结果可知，加装气坝组件的车辆滑行阻力低于未加装气坝组件的车辆滑行阻力，随着车速的增加，两种状态车辆滑行阻力之差增大，在高速工况表现明显.

3 车辆转鼓油耗试验

按GB 18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法[5]中CC.5.1规定，汽车转鼓试验台，又叫底盘测功机，是一种不解体检验汽车性能的检测设备，它能够在室内台架上模拟道路行驶阻力，进而检测汽车的燃料经济性、动力性、滑行性、制动性等性能，确定车辆的行驶阻力，在底盘测功机上测试汽车的燃料消耗量，被测车辆驱动轮放置在转鼓上，用转鼓的表面代替路面.

3.1 试验原理

实验室转鼓模拟的目标就是要使汽车道路行驶的阻力(F) 与汽车在转鼓试验台上受到的阻力(F′) 相等[6].

测试时汽车驱动轮带动转鼓—测功机旋转，测功机吸收汽车驱动轮转矩，使车辆驱动轮受到的阻力等效于等速工况下在道试验中受到的阻力，风机的风速跟踪车速，使汽车迎风阻力、发动机的冷却条件与道路试验等效.

通过对加装气坝组件前后的同一车辆进行转鼓试验，测试出加装气坝组件前后的同一车辆综合油耗状况.

3.2 试验设备

实验室转鼓模拟综合油耗测试所使用的设备见表6.

表6 综合油耗测试设备

3.3 油耗测试

根据表1整车参数信息以及图4道路滑行阻力曲线，将相关参数输入转鼓控制程序，对加装气坝组件和未加装气坝组件的车辆进行转鼓油耗测试，为了尽可能消除试验误差，每种状态车辆测试3次，分6天测试完成，综合油耗测试结果如表7.

表7 综合油耗测试数据

从车辆转鼓油耗测试结果可知，加装气坝组件的车辆平均综合油耗相对未加装气坝组件的车辆平均综合油耗降低了约0.11L/100km.

4 结 论

通过车辆气动流场仿真分析，加装气坝组件相对未加装气坝组件车辆风阻系数降低约0.01;对应的两种状态车辆实际道路滑行阻力之差随着车速增加而增加，在高速工况表现尤为明显，通过实验室转鼓油耗试验验证加装气坝组件车辆综合油耗较未加装气坝组件车辆综合油耗降低约0.11L/100 km，验证了汽车气坝组件的实际节油效果.

[1] GB 19578-2014乘用车燃料消耗量限值[S].北京:中国标准出版社,2014.

[2] GB 27999-2014乘用车燃料消耗量评价方法及指标[S].北京:中国标准出版社,2014.

[3] 方茂东.道路行驶阻力的滑行法测量及其在底盘测功机上的设定[J].汽车技术1996(2)：22-27.

[4] 余志生.汽车理论[M].2版,北京:机械工业出版社,1990.

[5] 国家环境保护总局.GB 18352.3—2005 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)[S].北京：中国环境科学出版社，2005.

[6] 苏健勇,范佩鑫.转鼓试验台的道路行驶阻力模拟技术及实践[J].上海铁道大学学报，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，工程师.

463.9

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