Efficiency evaluation of developed fairing for a light commercial vehicle
- Autores: Vashurin A.S.1, Kolin A.A.1, Orlov L.N.1, Kulepov V.F.1, Manyanin S.E.1
-
Afiliações:
- R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
- Edição: Nº 4 (2024)
- Páginas: 64-70
- Seção: MECHANICAL ENGINEERING AND TRANSPORT: THEORY, TECHNOLOGY, PRODUCTION
- ##submission.datePublished##: 15.07.2024
- URL: https://ruspoj.com/1816-210X/article/view/655858
- EDN: https://elibrary.ru/EOCDLB
- ID: 655858
Citar
Texto integral
Resumo
The article analyzes measures to reduce the aerodynamic drag of a light commercial vehicle. A review of existing solutions showed that the most promising method of reducing aerodynamic drag when transition from an airborne version to a version with an awning is to install a fairing on the roof of the vehicle. The effect of the fairing on fuel consumption indicators was assessed. The object of study is the basic model of the GAZ vehicle – A21R23, equipped with a gasoline internal combustion engine. Its fuel consumption is estimated based on the results of tests carried out at constant speeds: 60, 80 and 100 km/h, in the NEDC driving cycle. It has been established that a vehicle with an awning has a 7% increase in fuel consumption. The use of a purchased fairing showed insignificant results in saving fuel consumption, so this led to the development of our own fairing. The obtained computer modeling data proved that installation of the developed fairing can reduced the aerodynamic drag coefficient by 21 %, and fuel savings in the NEDC cycle will be 5 %.
Palavras-chave
Texto integral
Введение
Одним из основных требований к наземным транспортным средствам является ограничение выбросов в атмосферу вредных веществ. Правилами ЕС 2019/63 на 2020 г. установлено предельное значение выброса СО2 в размере 147 г/км для легкого коммерческого автомобиля. Требуемое снижение данного показателя к 2025 г. запланировано на 15 %, к 2030 г. – на 31 %. Можно сказать, что в ближайшее время энергия от двигателя внутреннего сгорания будет доминировать. Несомненно, для потребителя одним из важных показателей является расход топлива. В перечне характеристик транспортных средств он обычно указывался на постоянной скорости, что в целом не отражает расходы топлива в городских условиях. С введением ГОСТ Р 58554-2019 автопроизводителю необходимо информировать потребителей о расходе топлива в л/100 км и выделяемых выбросах СО2 (г/км) в городе и за городом. Снижение расхода топлива может благоприятно отразится на выбросах СО2 в г/км, а также повысить конкурентные преимущества автомобиля. Поэтому работы, направленные на снижение расхода топлива и повышение энергоэффективности, являются весьма актуальными, что отражено в Распоряжениях Правительства РФ № 831-р, № 3052-р по Стратегии развития автомобилестроения.
Существующие подходы к снижению расхода топлива в целом основаны на оптимизации ДВС и его режимов работы, а также на конструктивных параметрах автомобиля. Одним из популярных направлений по изменению конструктивных параметров является снижение аэродинамического сопротивления [1-10]. Успешные работы в этом направлении можно отметить у автопроизводителей. Так, для цельнометаллических фургонов Volkswagen Crafter, Mercedes-Benz Sprinter получили распространение измененные в плане аэродинамики кузова (передний бампер, скос крыши, задняя зауженная часть, формы наружных зеркал). Наружная поверхность днища для автомобилей с передним приводом делается как можно более гладкой. У автомобиля FIAT Ducato большой угол наклона передних стоек обеспечивает одно из лучших значений коэффициента аэродинамического сопротивления в своем классе. У автомобиля Iveco Daily за счет изменения дизайна снижен коэффициент аэродинамического сопротивления на 6 %. Для автомобиля Ford Transit применяются автоматические жалюзи радиатора, снижающие аэродинамическое сопротивление при движении. Для модификаций автомобиля с тентами автопроизводители устанавливают обтекатели на крыше и по бокам.
Исследования показывают, что применение лобового обтекателя позволяет снизить аэродинамическое сопротивление Cx легкового автопоезда на 25-30 %, что эквивалентно уменьшению расхода топлива на 5-6 % [10]. Увеличение угла наклона лобового стекла кабины от 0 до 22° позволяет снизить значение Cx на 10 % [2]. Применение обтекаемых кабин, одинаковых по высоте и ширине с кузовом, уменьшает коэффициент аэродинамического сопротивления на 35 % [1]. За счет дополнительных аэродинамических элементов возможно снижение коэффициента Сх автомобилей ВАЗ на 10-15 % [9]. О снижении коэффициента аэродинамического сопротивления от установки аэродинамических элементов на легковом автомобиле говорится в работе [8]. В работе [13] приводится количественная оценка коэффициента Сх без изменения внешней формы автомобиля. Проводится оценка уменьшения коэффициента Сх в зависимости от дорожного просвета, установки боковых зеркал, опускания боковых стекол. В работе [5] отмечается, что при снижении аэродинамического сопротивления на 4 % расход топлива автотранспортным средством уменьшается примерно на 1 %. На основе результатов проведенного компьютерного моделирования [11] установлено, что при снижении аэродинамического сопротивления на 5 % наблюдается снижение расхода топлива в цикле NEDC в пределах 0,9 %.
В данной работе рассмотрено применение обтекателя для легкого коммерческого автомобиля с целью снижения расхода топлива. Учитывая опыт ранее проведенных исследований, достаточным результатом применения обтекателя может быть снижение аэродинамического коэффициента на 15 % при примерном снижении расхода топлива в районе 3-4 %.
Результаты исследования
Чтобы оценить влияние обтекателя на расход топлива, было предложено воспользоваться уже готовым обтекателем. В качестве объекта исследования был выбран автомобиль A21R23 с бензиновым двигателем внутреннего сгорания. Для него были выбраны режимы движения на постоянных скоростях 60, 80 и 100 км/ч и движение по новому европейскому циклу вождения NEDC, в соответствии с правилами ООН № 101.
Дорожные испытания были выполнены специалистами НГТУ совместно с инженерами Горьковского автозавода при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проекта «Создание высокотехнологичного производства модельного ряда автомобилей ГАЗель Next с новой электронной архитектурой электронных систем» по Соглашению № 075-11-2019-027 от 29.11.2019 г. (постановление Правительства Российской Федерации от 09 апреля 2010 года № 218). Испытания проходили три варианта автомобиля (рис. 1): с грузовой платформой (вариант № 1), с тентом (вариант № 2), с тентом и обтекателем (вариант № 3).
Рис. 1. Объект испытаний: а) вариант № 1, b) вариант № 2, c) вариант № 3
Fig. 1. Test object: a) option No. 1, b) option No. 2, c) option No. 3
Натурные испытания по определению расхода топлива на постоянных скоростях и в ездовом цикле NEDC показали результаты, приведенные на рис. 2. За базовый вариант принят вариант № 2, от которого показано процентное изменение величины расхода топлива. Отрицательные значения указывают на снижение расхода топлива при сравнении вариантов. По результатам можно сказать, что установка тента создает увеличение силы сопротивления воздуха и, как следствие, приводит к увеличению расхода топлива в цикле NEDC на 7 %. Установка покупного обтекателя в цикле NEDC приводит к снижению расхода топлива на 0,04 л/100 км (-0,2 %). Это не приводит к ощутимому снижению расхода топлива. Поэтому целевые показатели в снижении расхода топлива в пределах 3 % не были достигнуты. Необходимо отметить, что покупная модель обтекателя имела недостатки по способу крепления; было предложено разработать собственный обтекатель и конструкцию его крепления, отвечающую требованиям заказчика.
Рис. 2. Изменение расхода топлива на разных режимах движения, в %: a) сравнение варианта № 2 с вариантом № 3; b) сравнение варианта № 2 с вариантом № 1
Fig. 2. Change in fuel consumption in different driving modes (%): a) comparison of option No. 2 with option No. 3; b) comparison of option No. 2 with option No. 1
При разработке учтены следующие требования ОИЦ:
- унифицированное крепежное соединение без использования дверных проемов автомобиля;
- возможность установки обтекателя на кабину автомобиля при наличии фургона;
- стилистические пожелания в отношении формы обтекателя и места крепления габаритных огней.
Также необходимо обеспечить соблюдение Правил ООН № 48 в отношении расположения габаритных огней. Разработанный обтекатель представлен на рис. 3.
Рис. 3. Модель разработанного обтекателя: a) вид сбоку, b) изометрический вид
Fig. 3. Model of the developed fairing: a) side view, b) isometric view
CFD-расчеты, выполненные инженерами Горьковского автозавода, показали, что применение разработанного обтекателя снизило коэффициент аэродинамического сопротивления на 21 %. С учетом работ [5, 10, 11] можно спрогнозировать снижение расхода топлива в пределах 4 %. Для подтверждения этого было предложено проверить снижение коэффициента аэродинамического сопротивления на уже отлаженной и проверенной результатами натурных испытаний имитационной модели [12]. В расчете использовались два варианта автомобиля: с тентом и с тентом и обтекателем. Для простоты расчетов не была учтена масса самого обтекателя, и принималась в расчет полная масса действующего автомобиля. Выбраны такие же режимы, что и при натурных испытаниях, рассмотренных выше. Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 4. В соответствии с ними установлено, что при применении обтекателя снижение расхода топлива на 10 % наблюдается на постоянных скоростях и на – 5,3 % в цикле NEDC. Полученные результаты советуют целям исследования.
Рис. 4. Расчетные значения расхода топлива, л/100 км: a) автомобиль с тентом, b) автомобиль с тентом и обтекателем
Fig. 4. Estimated fuel consumption values, l/100 km: a) vehicle with an awning, b) vehicle with an awning and fairing
Выводы
Установка тента на бортовой автомобиль без обтекателя приводит к увеличению расхода топлива в пределах 7 % в ездовом цикле NEDC. Установка покупного обтекателя незначительно снижает расхода топлива на 0,2 %. Разработанный обтекатель позволяет снизить коэффициент аэродинамического сопротивления на 21 %. При этом результаты компьютерного моделирования показывают, что на постоянных скоростях наблюдается снижение расхода топлива на 10 %, а в цикле NEDC – на 5,3 %.
Решение о применении разработанного обтекателя требует его конструкторской доработки и проведения дополнительных натурных испытаний автомобиля.
Sobre autores
A. Vashurin
R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
Autor responsável pela correspondência
Email: vashurin@nntu.ru
ORCID ID: 0000-0001-8843-9488
доцент, канд. техн. наук
Rússia, Nizhny NovgorodA. Kolin
R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
Email: kolinaa@nntu.ru
ORCID ID: 0000-0001-5151-0260
аспирант
Rússia, Nizhny NovgorodL. Orlov
R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
Email: Lev.n.orlov@mail.ru
ORCID ID: 0000-0003-4852-1174
Rússia, Nizhny Novgorod
V. Kulepov
R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
Email: kulepov@dpingtu.ru
ORCID ID: 0000-0002-8319-3973
профессор, д-р техн. наук
Rússia, Nizhny NovgorodS. Manyanin
R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
Email: sergmanian@yandex.ru
ORCID ID: 0009-0003-0245-0638
доцент, канд. техн. наук
Rússia, Nizhny NovgorodBibliografia
- Гостев, К.А. Совершенствование аэродинамических свойств магистрального автопоезда: автореферат дис. ... канд. техн. наук. – Москва, 1997. – 21 с. – EDN ZJVUTF.
- Безверхий, А.С. Разработка и освоение технологии испытаний автомобилей в аэродинамической трубе научно-исследовательского центра по испытаниям и доводке автомототехники (НИЦИАМТ): автореферат дис. ... канд. техн. наук. – Москва, 1997. – 28 с.
- Ватолин, А.К. Пути снижения лобового сопротивления большегрузных автомобилей на основе исследований моделей в аэродинамических трубах: дисс. канд. техн. наук. – Казань, 1983. – 178 с. – EDN NPMCMP.
- Евграфов, А.Н. Снижение аэродинамических потерь в подкапотном пространстве и подднищевой зоне легкового автомобиля / А.Н. Евграфов, А.И. Бурвцов, В.А. Мамедов // Совершенствование технико-экономических показателей автомобильной техники. М.: НАМИ, 1987. С. 98-101.
- Евграфов, А.Н. Взаимосвязь коэффициента Сх с параметрами автомобильного кузова / А.Н. Евграфов, A.B. Кутяев, С.Б. Переверзев // Сб. науч. Труда МГИУ. – M., 2004. С. 93-98.
- Евграфов, А.Н. Аэродинамическое сопротивление автомобилей и пути его снижения / А.Н. Евграфов, Е.Ф. Медведев, В.В. Московкин // Научные труды ВЗПИ. М.: 1982. С. 74-86.
- Евграфов, А.Н. Некоторые результаты научно-исследовательских работ по снижению аэродинамического сопротивления автомобилей и автопоездов / А.Н. Евграфов, Е.Ф. Медведев, В.В. Московкин, В.А. Петрушов // Труды НАШ. Вып. 181, 1980. С. 52-61.
- Кутяев, А.В. Влияние аэродинамики на формообразование кузова при проектировании автомобиля: дис. ... канд. техн. наук. – Москва, 2009. – 137 с. – EDN NQPMZN.
- Переверзев, С.Б. Улучшение обтекаемости легкового автомобиля путем совершенствования параметров кузова: дис. ... канд. техн. наук. – Москва, 2005. – 19 с. – EDN NINXTX.
- Шведов, С.Б. Совершенствование аэродинамики легкового автопоезда с высоким прицепом: дис. ... канд. техн. наук. – М., 2016. – 140 с. – EDN YTGMKU.
- Колин, А.А. Влияние основных параметров автомобиля на расход топлива в ездовых циклах / А.А. Колин, С.Э. Силантьев, П.С. Рогов, С.А. Сергиевский // Вестник гражданских инженеров. 2021. № 1(84). С. 149-156. – doi: 10.23968/1999-5571-2021-18-1-149-156. – EDN MJNFFR.
- Колин, А.А. Применение имитационной модели для определения динамических и топливно-экономических свойств автомобиля / А.А. Колин, С.Э. Силантьев, П.С. Рогов, С.А. Сергиевский // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2020. № 4(131). С. 101-108. doi: 10.46960/1816-210X_2020_4_101. EDN OEXIDU.
- Королев, Е.В. Влияние параметров положения на аэродинамику легкового автомобиля / Е.В. Королев, А.В. Балыкин, С.И. Корженовский // Вестник НГИЭИ. 2011. Т. 2. № 6(7). С. 60-65. – EDN PIYCCX.
Arquivos suplementares
