客车减小压差风阻专利设计

2018-03-06童汉宏

客车技术与研究 2018年1期

童汉宏

(淮南矿业集团张集矿，安徽淮南 232174)

客车风阻是客车行驶时来自空气的阻力，由于客车车身较长，接近于长方体，风阻系数高达0.5～0.8，客车风阻系数在各类车辆中名列前茅[1]。如何大幅降低客车风阻是世界上有待解决的难题，现公开一项实用新型专利设计原理，可减小客车一大部分压差风阻。

1 客车集风导流设计

1.1 客车集风导流原理

客车高速行驶，前方空气迎头撞上车头产生阻力，车头同样给空气一个作用力，将静止的空气加速到车辆速度一半以上，生成一个很强的周边正压气流，而车尾则产生一个负压区，前后正负压差形成一个车辆压差阻力。为此设计一种集风导流装置，收集利用客车车头风阻生成的强大正压气流，经过引导流入车辆尾部负压区，平衡负压区压力，抵消车尾抽负压做功，从而降低风阻系数。如图1所示。

为达到集风和导流的目的，首先加装设施对车头四周散乱的气流进行收集集中。在客车头部四周安装100～300 mm前伸的有机玻璃板进行集风，通过车辆头部四周安装设计的集风玻璃板形成一个四周封闭并与车头迎风面积同等大小的集风口，利用车头本身已有的斜坡使高速气流按设计要求集中流向车头顶部。然后通过在车顶设计安装一个与车顶等宽、高度150～300 mm的空腔为导流气道通至车尾。通过集风口收集的气流由于变断面，风力再次加速，导流气道内风流速度近似于：车速/2×车头迎风面积/导风气道面积。

图1 集风导流装置消除风阻压差阻力原理图

以上简易装置将车头气流高速集中并引导至车尾部释放，形成车辆头尾贯通，用车头正压气流填补车尾负压区，抵消负压，实现消除压差阻力。上述装置导流到车尾的气流填补负压出气开口可分为3种方式：一是90°弯头顺车尾垂直向下，气流垂直向下流动扩散填补车尾负压区；二是过90°弯头后，再加90°弯头，气体水平方向流动扩散；三是组合式排气，通过控制排气开口使气体分水平和垂直两个方向扩散。

1.2 减低风阻系数计算

如果客车以100 km/h前进，假设车头迎风面积为8 m2，则每小时车头会有8 m2×100×1 000 m=800 000 m3空气被加速到13.85 m/s以上。即每小时会有800 000 m3、速度为13.85 m/s的气流被车头集风口收集，经过中间导流通道加速引流到车尾释放，补充车尾负压区域，减小压差阻力[2]。依据组成汽车风阻的5个部分占比情况，压差阻力占空气阻力的58%，干扰阻力占空气阻力约14%，内部阻力占空气阻力约12%，升力阻力占空气阻力约7%，摩擦阻力占空气阻力约9%[3]。上述设计客车尾部负压被车头来的正压气流抵消，理论上可以降低压差阻力50%，实现消除压差阻力50%，则降低客车总风阻为58%×50%=29%。另外，因大部分气流不经过车顶流向车尾，升力阻力变得较小，由7%降至可以忽略不计，减去7%升力阻力，即客车所受空气阻力可以下降(29%+7%)=36%。根据风阻计算公式：Fw=1/2CDAρv2，则可使同一辆车风阻系数CD下降36%。

2 风电转换装置

2.1 风电转换设计原理

基于图1装置，还可以利用车顶导风气道内的高速气流进行风力发电，通过回收风能而转化为电能，并对电能再利用，等同于降低风阻。具体方法是在车顶导风道内安装风力发电装置，用导风道高速气流发电。将导风道内风能部分转化为电能，再将这部分电能供给客车电气或增加驱动力，或减少客车发动机的输出功率，相当于减小风阻，如图2所示。风道内加装圆筒型长直轴叶片叶轮风力发电装置，风道内高速气流吹动叶片带动叶轮旋转，叶轮带动风力发电机发电。风力发电机所发电接回车辆自身电瓶供车辆电气使用，如果车辆电气消耗不掉这部分电能，另外给客车加装驱动电动机，增加车辆驱动力。

图2 风电转换发电原理图

2.2 风电转换效果计算

如图1所示的中间风道加装风电转换装置后(图2)，根据在一定的风速和设定的迎风面积下，其风力所含风能的计算公式，近似计算客车传递给车头前方静止空气的风能：P1=A1ρv3，式中：P1为车头正压风阻消耗功率；A1为迎风面积；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3；v为车辆对空气加速后的气流速度，取1/2车速。

设一客车参数如下：A1=8 m2，车速为100 km/h时，v取13.85 m/s。P1=A1ρv3=8×1.2×13.85=25.5 kW。

以上装置收集的总风能等于车头正压风阻消耗功率P1，则风力发电装置回收风能转换电能E=P1η=25.5 kW×33%=8.4 kW。式中η为一种风能转化率，一般风力发电装置风能转化率为30%～40%，极限值59%，本验算取33%。