基于導流罩優化的輕卡車型節油效果研究

丁樂芳，張 憲，官已駿

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

輕卡是道路貨運的主體車輛，近3年來輕型載貨汽車（輕卡）產銷量占全國載貨汽車總量的近55%，市場保有量1 500萬輛。輕卡使用區域寬，貨物類型雜，運輸半徑散，使用強度大，長期存在物流車輛能耗高等多方面的問題。為應對日趨嚴格的國內油耗法規，商用車整車廠對國VI產品燃油經濟性的指標要求更加嚴苛。影響卡車油耗的因素很多，比如車身質量、發動機技術、變速器齒比、空氣動力等，對于發動機技術和傳動技術的優化及研發已經趨于飽和，而從空氣動力學角度出發，通過減小車身迎風阻力從而降低油耗，成為解決燃油經濟性這一難題所需要的有效手段。廂式卡車導流罩的主要作用是彌補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。本文主要針對某廂式貨車原導流罩模型進行空氣動力學優化，重新設計匹配性導流罩，從而達到降低風阻的目的。同時，基于CFD數值模擬和試驗驗證的方法，對優化導流罩降油耗措施的合理性和可行性進行研究。

1 CFD數值模型

1.1 理論基礎

CFD是在流動基本方程控制下對流體的數值模擬，基本方程包括質量守恒方程（連續方程）、動量守恒方程（運動方程）及能量守恒方程。外流場計算不考慮熱交換，只需建立連續方程和動量方程進行數值求解[1]。

對于不可壓縮流體，忽略其體積力時均化的控制方程為：

連續方程

運動方程

式中：v為流場速度；p為流場壓力；μ為流動動力粘性系數；ρ為空氣密度；

1.2 分析模型

應用HyperMesh軟件對整車及所有零部件進行前期面網格處理，只對部分與整車空氣動力學性能無太大相關性的零部件進行簡化。運用STARCCM+軟件進行體網格劃分、仿真計算及結果后處理，共生成體網格2 000萬個。計算采用Realizablek-ε湍流模型、分離流動，風扇、車輪無旋轉，中冷器、冷凝器、散熱器按多孔介質處理。具體的邊界條件設置如下[2]。

表1 邊界條件

假定整車長、寬、高分別為a、b、h，風洞大小設置應為：車頭前部2a，車尾后部4a，車身側面2.5b，車頂上部3h。

圖1 數值風洞模型

1.3 方案設計

研究車型的現裝導流罩相對于現貨箱覆蓋面不夠（圖2），導流效果較差，流線紊亂，貨箱前表面由于氣流二次撞擊引起的正壓區較多。此外，由圖3可以看出貨箱前部壓力分布不對稱，這主要是由于現裝導流罩模型與貨箱高度差明顯，現裝導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散，并擾亂現裝導流罩上部的來流，造成強烈的不對稱渦流，撞擊間隙處的貨箱前部；其次車身兩側后視鏡、高位進氣管等部件并不是對稱分布，這都造成了貨箱前部壓力分布不對稱。應重新設計匹配現貨箱的導流罩，使氣流經過導流罩后順利過渡到貨箱上表面，減小氣流對貨箱的正面撞擊，以達到降風阻的目的。

圖2 整車模型及現裝導流罩壓力分布

圖3 貨箱前表面壓力及流線圖

圖4 現裝導流罩縱截面及橫截面速度圖

1.3.1 優化原則

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

圖5 優化導流罩上斷面弧度

圖6 優化導流罩側斷面弧度

1.3.2 概念導流罩

結合導流罩CFD優化原則設計上導流罩，進一步設計側導流板連接上導流罩與白車身尾部。根據導流罩尾端與貨箱之間的間距大小決定是否需要添加側導流板，形成了6個對比的概念導流罩設計方案，分析導流罩尾端與貨箱的間距，添加側導流板降風阻的效果，并評估添加側導流板的可行性。

圖7 上導流罩示意圖

圖8 側導流板示意圖

總結雷諾數為4.66×106時，6個設計方案的降風阻效果對比結果[3]，設計六（優化上導流罩+添加側導流板，尾端與貨箱間隙50 mm）降風阻效果最好，風阻系數相對現裝導流罩可降低22.7%，見表2。

表2 六種設計方案降能耗仿真值對比表

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

圖9 設計五與設計六貨箱前正壓云圖

添加側導流板能起到降低風阻系數的效果，Y向貨箱前預留間隙越小，上導流罩及側導流板降阻效果越好，如圖10所示。

圖10 側導流板與貨箱間距對風阻的影響

優化上導流罩后，進一步添加側導流板，需要增加成本115元，模具費用增加120萬元，質量增加8.1 kg，結合降阻效果、成本、質量，最終決定在設計五的基礎上繼續優化導流罩形狀。各方案成本增加及仿真能耗降低率對比如圖11所示。

圖11 六種設計方案降能耗及成本增加對比

1.3.3 設計五優化

詳細分析設計五導流罩對外部流場的影響，在此基礎上結合安裝可行性，確定合理的、降阻效果好的導流罩。

由圖12和圖13可以看出，設計五導流罩相對原導流罩，正壓區明顯減小，貨箱上方及兩側氣流分離得到明顯改善。但是，設計五導流罩正壓區仍比較明顯，貨箱兩側氣流分離仍存在。因此，在設計五的基礎上增大上導流罩迎風面拐角處的弧度，并優化兩側面弧度，方案輪廓對比如圖14～15所示（綠色為設計五導流罩、紅色為優化導流罩）。

圖12 設計五縱截面及橫截面速度圖

圖13 設計五導流罩壓力云圖

圖14 設計五與優化導流罩縱斷面對比

圖15 設計五與優化導流罩橫斷面對比

通過優化設計五導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。通過優化側面導流角度，橫截面速度分布如圖17所示，相對于設計五的導流罩方案，側面氣流能夠平順地流過間隙，分離得到改善。整體上優化導流罩相對設計五，在雷諾數4.66×106條件下，風阻系數降低了2.8%。

圖16 NC導流罩壓力分布

圖17 橫截面速度分布

1.3.4 NC導流罩

結合導流罩輕量化新材料對模具的限制要求，車身系統結合避讓示廓燈等邊界要求，以及安裝開模可行性進行優化方案數據校核，確定最終的NC導流罩狀態（圖18）。相對于設計五導流罩狀態，體積大小、質量、成本均有所減小。在不同雷諾數下，本廂式卡車匹配NC導流罩狀態相對現裝導流罩，整車風阻系數降低19.2%～21.6%（圖19），綜合能耗仿真值降低6.1%。

圖18 NC導流罩形狀

圖19 不同雷諾數下的風阻系數

2 滑行阻力測試

2.1 道路行駛阻力理論

道路行駛阻力包含：滾動阻力、空氣阻力、加速阻力、坡度阻力，水平道路等速行駛時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為變速器傳動比。滾動阻力：

式中：f為滾動系數，最大設計質量小于1.4 t時，

2.2 道路行駛阻力測試

樣車分別匹配現裝導流罩與NC導流罩進行滿載和空載的道路滑行試驗，得到的道路阻力系數見表3。

通過道路校正后的行駛阻力及滾動阻力，可推算出空氣阻力的道路實測值。80 km/h滿載工況下，NC導流罩相對現裝導流罩空氣阻力降低11.5%。

表3 匹配優化前后導流罩整車滑阻對比

圖20 現裝導流罩及NC導流罩行駛阻力對比

表4 匹配優化前后導流罩整車各項阻力對比

3 油耗試驗

3.1 試驗條件

在環境溫度22.5～33.5 ℃，環境氣壓99.51～99.77 kPa條件下，按照標準GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》進行油耗試驗。

圖21 轉鼓油耗試驗臺

3.2 試驗結果

采用同一輛車、同一套試驗設備、同一個駕駛員、同一種油品，進行裝配不同導流罩的油耗試驗比較，半載油耗試驗結果為：現裝導流罩狀態，本卡車C-WTVC工況綜合燃料消耗量為12.45 L/100 km；更換NC狀態導流罩后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算，該車輛百公里油耗降低0.44 L[4-6]。

完成安裝現導流罩及優化后的NC導流罩臺架C-WTVC工況油耗測試，經過優化后的NC導流罩高速工況優化效果明顯，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%。考慮到現在交通道路狀態越來越好，車輛以高速行駛工況居多，因此，由導流罩設計導致的經濟性差異愈發明顯。

表5 匹配優化前后導流罩整車油耗對比

圖22 GVW4.5T、GVW6.0T新舊導流罩車型C-WTVC工況油耗對比

3.3 經濟效益

通過對比現裝導流罩及優化后的NC導流罩降阻及降油耗試驗結果，用戶使用6年全生命周期TCO整車節約28 476元。

表6 GVW6.0T車型匹配優化前后導流罩經濟性對比

續表6

4 結論

無論是對傳統能源車輛，還是新能源車輛，節能環保要求都越來越嚴格，從能源轉換、動力傳遞以外的技術方面進行降耗節能的研究，正在成為新的方向。

本文聚焦于影響車輛阻力系數的導流罩設計，從CFD仿真分析、油耗仿真分析，到滑行阻力測試、油耗測試，再到裝車驗證，多角度地展開了導流罩仿真分析與整車降油耗的關聯性研究，為其它類似的研究提供了一種方法參考。