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技術(shù) | 汽車風(fēng)阻開發(fā)的意義

2020-03-07 01:00:45·  來源：中國(guó)汽研汽車風(fēng)洞技術(shù)  作者：張風(fēng)利  
　
中國(guó)的汽車風(fēng)阻開發(fā)技術(shù)一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，當(dāng)今中國(guó)汽車市場(chǎng)的高度繁榮帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。算明白汽車風(fēng)阻開發(fā)的經(jīng)濟(jì)帳，是啟動(dòng)本輪汽車空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)快速發(fā)
中國(guó)的汽車風(fēng)阻開發(fā)技術(shù)一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，當(dāng)今中國(guó)汽車市場(chǎng)的高度繁榮帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。算明白汽車風(fēng)阻開發(fā)的“經(jīng)濟(jì)帳”，是啟動(dòng)本輪汽車空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)快速發(fā)展期的基礎(chǔ)問題。本期特邀CSAE汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)委員、比亞迪汽車工程研究院張風(fēng)利先生為您解讀汽車風(fēng)阻開發(fā)發(fā)展歷程中的三次關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)。
 
作者簡(jiǎn)介

就職于比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)委員。專業(yè)方向汽車空氣動(dòng)力學(xué)、汽車熱管理、汽車CAE仿真。

引  言
1982年，德國(guó)奧迪（當(dāng)時(shí)叫NSU汽車聯(lián)盟）公司開發(fā)出了一款劃時(shí)代的車型---第三代奧迪100。這款車的造型風(fēng)格和它的上一代車型并無明顯區(qū)別，但風(fēng)阻系數(shù)卻由上一代的0.45降低至0.30，前所未有的挑戰(zhàn)了人們對(duì)低風(fēng)阻汽車形體的認(rèn)知。
第三代奧迪100（C3）
1914年 Count Ricotti 公司的 Alpha Romeo
1938年 BMW328
1933年 Audi 和 Daimler-Benz 設(shè)計(jì)的低風(fēng)阻原型車
1928年 市場(chǎng)主流的暢銷車型 Daimler-Benz “Stuttgart”
這種流線型車體雖然看似風(fēng)阻較低，但由于尾部設(shè)計(jì)不合理，車背部的下洗氣流嚴(yán)重，車側(cè)后方會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流，風(fēng)阻反而很高。當(dāng)時(shí)人們對(duì)低風(fēng)阻開發(fā)原理并不十分清楚。
汽車風(fēng)阻開發(fā)真正的轉(zhuǎn)機(jī)，發(fā)生在石油危機(jī)以后。1973年10月，第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，歐佩克組織將原油價(jià)格從每桶3美元提高到10美元以上。1978年伊朗政局動(dòng)蕩和兩伊戰(zhàn)爭(zhēng)引發(fā)第二次石油危機(jī)，原油價(jià)格從13美元提高到34美元，兩次石油危機(jī)造成西方經(jīng)濟(jì)的全面衰退。汽車是原油消耗的大戶，降低汽車油耗不光影響用戶消費(fèi)選擇，甚至涉及到國(guó)家能源安全。提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低整車重量，降低汽車風(fēng)阻這三大要素逐個(gè)納入了汽車工程化研究開發(fā)的日程。
消費(fèi)需求形成市場(chǎng)，市場(chǎng)聚集資本，資本推動(dòng)人才、技術(shù)和資源的聚集。在巨大的油耗壓力推動(dòng)下，汽車空氣動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)研究、試驗(yàn)研究、工具方法的開發(fā)、人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)迅速發(fā)展起來。各大主機(jī)廠使出渾身解數(shù)投入到汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究開發(fā)中去。在1980年代前后，歐美日各大主機(jī)廠紛紛投資建設(shè)了自己的汽車風(fēng)洞，汽車空氣動(dòng)力學(xué)特別是汽車風(fēng)阻的開發(fā)站上了汽車技術(shù)大舞臺(tái)的最前排。于是第三代奧迪100面世了。
奧迪100的第三代產(chǎn)品風(fēng)阻系數(shù)0.30，比第二代0.45（一說0.42）整整降低150 counts。按當(dāng)今車型風(fēng)阻系數(shù)與油耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這大概相當(dāng)于在發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、車重等其它要素不變的情況下，綜合工況每百公里油耗降低1.2L，劃時(shí)代的空氣動(dòng)力學(xué)車型就此產(chǎn)生。而風(fēng)阻系數(shù)降低這么多，設(shè)計(jì)師是怎么做到的呢？
第三代奧迪100的風(fēng)阻系數(shù)從0.45降至0.30的主要措施
    注：1.前端向后傾斜，更加圓化；2.冷卻空氣進(jìn)氣口經(jīng)過最佳化設(shè)計(jì)；3.發(fā)動(dòng)機(jī)罩斜度增加；4.前窗斜度改變；5.頂蓋中部鼓起；6.后風(fēng)擋傾角增大；7.后行李箱升高；8.車底后下部經(jīng)過最佳化設(shè)計(jì)；9.車輪裝飾罩扁平化；10.底部平滑化；11.采用圓形輪罩；12.采用流線形的輪輞裝飾罩；13.前保拐角圓化；14.A柱斷面圓化；15.前風(fēng)擋的弧度加大；16.C柱向內(nèi)收攏；17.后保側(cè)部向內(nèi)收攏。
這款車型的劃時(shí)代意義就在于此，從此使汽車風(fēng)阻開發(fā)進(jìn)入了一個(gè)即能兼顧消費(fèi)者審美慣性、乘員空間、工程可行性，又能有效降低風(fēng)阻和能耗的時(shí)代，掀動(dòng)起一輪汽車空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的高潮。
可惜的是，剛剛改革開放的中國(guó)汽車工業(yè)積弱已久，空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)的發(fā)展和這一輪高潮無緣。
風(fēng)阻開發(fā)的第二輪高潮——尾氣排放法規(guī)驅(qū)動(dòng)
進(jìn)入到1990年代，世界各國(guó)的環(huán)境污染形勢(shì)愈加嚴(yán)峻，各發(fā)達(dá)國(guó)家相繼頒布了嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)。以歐洲為例，2012年CO2的排放標(biāo)準(zhǔn)為132g/公里，2013年130g/公里，2020年95g/公里，2025年和2030年要達(dá)到78克/每公里和68克/每公里的遠(yuǎn)期目標(biāo)。從2013年起，新車CO2排放每超標(biāo)一克及以內(nèi)的罰款5歐元，超標(biāo)兩克罰款15歐元，超標(biāo)三克罰款25歐元，之后每超標(biāo)一克罰款95歐元。而2019年以后，每超過1克，就需支付95歐元的罰金。
按1L汽油產(chǎn)生2.3kg二氧化碳計(jì)算，2020年要達(dá)到95g/km的CO2排放要求，新車油耗需要降低至4.1L/100km，實(shí)現(xiàn)難度非常大。對(duì)于一家新車平均油耗5L/100km的車企，平均每車每公里排放CO2約115g，2020年以后在歐盟將受到約1900歐元的罰款。對(duì)于一家年生產(chǎn)百萬臺(tái)新車的車企，罰款將達(dá)約19億歐元。
 歐洲輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間
中國(guó)輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施時(shí)間
排放對(duì)油耗的倒逼，一方面使新能源汽車踏上汽車發(fā)展的舞臺(tái)，另一方面使空氣動(dòng)力學(xué)迎來了第二輪發(fā)展高潮。在2000~2010年前后，世界各大主機(jī)廠均進(jìn)一步加大了對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的研發(fā)投入，重新建設(shè)或改擴(kuò)建了更先進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)室。CFD仿真技術(shù)得到推廣普及，使人們對(duì)汽車流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)更直觀更透徹，風(fēng)阻設(shè)計(jì)優(yōu)化的迭代效率大大提升，也使更低風(fēng)阻車型的量產(chǎn)開發(fā)成為可能。
2010年前后的一些低風(fēng)阻車型
風(fēng)阻開發(fā)的第三輪高潮——新能源汽車驅(qū)動(dòng)
2005年前后，中國(guó)汽車市場(chǎng)開始迅猛增長(zhǎng)，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道。汽車空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)也逐步開展，但過程曲折，驅(qū)動(dòng)力仍不足，到了2009年中國(guó)第一個(gè)汽車專用氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞才在同濟(jì)大學(xué)投入運(yùn)營(yíng)。因?yàn)槠鸩酵?，自主品牌?duì)國(guó)外大主機(jī)廠的技術(shù)追趕異常艱辛，所以中國(guó)自主的汽車產(chǎn)業(yè)走了一條和國(guó)外不同的道路---大力發(fā)展新能源汽車。從2013年開始國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)新能源汽車的財(cái)政補(bǔ)貼和行業(yè)扶持政策，中國(guó)的新能源汽車呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，也正是因?yàn)樾履茉雌?，中?guó)汽車的風(fēng)阻開發(fā)找到了屬于自己的發(fā)展契機(jī)。
汽油的能量密度約44.4J/kg，合12.3kWh/kg，內(nèi)燃機(jī)在綜合工況的工作效率約在20~30%。而電動(dòng)汽車使用的磷酸鐵鋰電池包的系統(tǒng)能量密度只有約120Wh/kg，三元電池包的系統(tǒng)能量密度也只有160Wh/kg，綜合工況的工作效率約在80~90%。因此動(dòng)力電池的能量密度遠(yuǎn)遜于汽油或柴油等化石能源。另一重要制約因素是電池包的體積密度，當(dāng)前純電動(dòng)乘用車除了續(xù)航還要面臨更嚴(yán)峻的碰撞安全挑戰(zhàn)，需要為電池包預(yù)留足夠的碰撞吸能空間，單車搭載60~70kWh電量已經(jīng)是極限，對(duì)應(yīng)的續(xù)航里程極限值約500~600km，而三元電池包的重量高達(dá)400kg以上，而對(duì)磷酸鐵鋰電池包重量將達(dá)到500kg以上。為了繼續(xù)提升續(xù)航里程，“開源”在短期內(nèi)沒有太好的方法，就不得不考慮“節(jié)流”了。
“節(jié)流”的方法有很多，但是挖掘潛力大的措施并不多。經(jīng)過多年的持續(xù)進(jìn)步，電動(dòng)動(dòng)力總成的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到較高水平。整車結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用使整車輕量化達(dá)到一個(gè)臺(tái)階以后，再降低整車質(zhì)量主要依靠替代輕質(zhì)材料了，而這無疑會(huì)增加成本。輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)幾無潛力可挖。國(guó)內(nèi)的各大主機(jī)廠“驀然回首”，發(fā)現(xiàn)還有風(fēng)阻這塊“短板”未曾補(bǔ)上，且降能耗的潛力巨大。
根據(jù)比亞迪汽車測(cè)算，對(duì)一臺(tái)續(xù)航500km的純電動(dòng)轎車，風(fēng)阻每下降10counts，綜合工況純電續(xù)航里程可提升約5km，相當(dāng)于減重40kg的降能耗效果。傳統(tǒng)的三廂轎車風(fēng)阻系數(shù)約0.30，如果降低至0.24，在其它配置和成本不變的情況下續(xù)航里程可提升約30km（6%），或者說同等續(xù)航里程下，可減少約1kWh電量。動(dòng)力電池的價(jià)格如按照1000元/kWh計(jì)算，單車可降低1000元，某企業(yè)純電動(dòng)乘用車年銷量按20萬臺(tái)計(jì)算，將有2億元經(jīng)濟(jì)收益。于是，中國(guó)汽車風(fēng)阻開發(fā)經(jīng)過數(shù)十年的徘徊和彷徨，猛然就站上了風(fēng)口浪尖。
比亞迪漢EV---比亞迪首款超低風(fēng)阻車型，風(fēng)阻系數(shù)0.23
參考資料
1、武藤真理,《汽車空氣動(dòng)力學(xué)》；
2、Wolf Heinrich Hucho,《Aerodynamics of road vehicles》；
3、百度網(wǎng)絡(luò)搜索。
 
 
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