空气动力省油是忽悠?就靠它真能省油!

如果我给你说,“只要在集装箱尾门上装几个扰流板,能让你的油耗降低5%,一年省2万油费”,你信吗?想必很多卡友都会对这样的观点存疑,因为我一开始也是不太相信的。

空气动力省油是忽悠?就靠它真能省油!

对于“利用空气动力学降低油耗”这件事,有卡友认为“这就是忽悠”,也有卡友认为这是“用科学降低油耗”,当然也有卡友亲身体会过“尖头车同工况下比平头省油10%”。

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●  空气动力学不容忽视

车辆的行驶阻力与车速的平方成正比,消耗功率则与车速的三次方成正比。通俗来讲,每当速度增大2倍时,风阻就会增加4倍,而消耗功率会增大8倍。

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也许对于速度较低的车,风阻不是行车阻力的主要组成部分,但对于速度较高的汽车,风阻就成了影响行车阻力和油耗的主要因素。有研究表明,一辆车以80km/h匀速行驶的时候,它有60%-70%的油耗是用来克服风阻的。

所以利用空气动力学降低行车风阻,对降低高速行车的油耗非常有帮助。

 

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今天咱们就以美国商用车零部件生产商Stemco旗下最新的TrailerTail(挂车后部空气动力学装置)自动节油系统为切入点,聊一聊为了为了节省卡车的油耗,在空气动力学上,都出现过那些有趣的实验和产品。

●  TrailerTail为何能省油

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TrailerTail最早期的产品于2008年推向市场,引起了较好的市场收效和反馈。2015年,TrailerTail被美国知名的商用车零部件生产商Stemco收购,并推广成为美国和加拿大公路上,主打的挂车空气动力学套件产品,2015年就有超过55000个用户在使用。据Stemco称,该产品经过了SmartWay认证,可节省5%的燃料。

 

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2018年,Stemco发布了最新版本的TrailerTail,它可以在挂车速度达到每小时35英里(56公里/小时)时,自动展开,并在卡车完全停止或倒车时自动闭合,无需驾驶员手动开启,更加便利安全。

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为什么TrailerTail在集装箱尾门装了几块折叠门板,就能省油了呢?

这里涉及到一个知识点——“压差阻力”。当卡车高速行驶时,挂车尾部会形成紊流区,压差阻力的大小取决于紊流区的大小。气流变成紊流后,会形成部分真空区,让车尾压强小于车头,会形成一个向后“拖拽”卡车的力量。

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在加装了TrailerTail后,挂车尾部的扰流板能起到对气流的疏导作用,减少紊流区的产生,降低压差阻力,从而达到节油的效果。

 

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较为相似的,还有从概念、图纸上就与挂车集装箱一体化生产的“挂车尾部空气动力套件”,例如“梅赛德斯-奔驰 航空挂车”。其后端的扰流板套件长度约400mm,是降低风阻的关键部分,并且它还具有折叠功能,便于装卸货物。据梅赛德斯-奔驰称,这款“航空挂车能将风阻降低18%,油耗降低5%。

●  行车空气阻力的组成部分

“TrailerTail”和“梅赛德斯-奔驰 航空挂车”主要是通过降低挂车尾部的“压差阻力”来达到节油的效果。那除了“压差阻力”,卡车行驶时产生的空气阻力还有哪些部分构成呢?

 

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1.表面阻力:指气流通过车辆外表面时产生的摩擦力,对卡车来说,该阻力主要由车辆外形、挂车外形和车身上的保险杠、后视镜、大灯等部件构成。

2.诱导阻力:诱导阻力也属于压差阻力的一部分,是车辆行驶时顶部和底部的空气压力不同所造成的。

3.车内阻力:是气流经过车辆进气格栅、散热器、发动机等车辆内部构件时所产生的阻力。

那结合这几点,我们来看看,卡车身上还有哪些地方可以利用空气动力学来达到降低油耗的目的。

●  依靠车头造型降低风阻

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如果将单位内垂直平面物体的风阻系数设定为1.0(Cd),那一般卡车通常的风阻系数为0.6-0.8左右,作为参考:一般轿车的风阻系数在0.28左右、SUV在0.35左右;已知的自然界中,水滴的风阻系数最低,仅有0.05。

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早期对“卡车空气动力学”进行科学实验的,是上世纪七十年代的一位美国宇航局的工程师Edwin J. Saltzman,他说服了NASA的项目管理部门,在1973年展开研究项目,选择了一辆两轴厢式货车,最终经过其团队多次实验,他们利用铝合金覆盖件将该车的风阻系数降低至了0.242。

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后来NASA又利用一台福莱纳卡车进行改装,最终该车将空气阻力降低了54%,搭配挂车尾部的扰流板,还能继续降低15%。当车辆以每小时55英里(88公里)时速匀速行驶时,百公里油耗能够降低25%。综合当时卡车的平均油耗来看,一年能够节省25850升燃油。

 

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1988年,彼得比尔特卡车生产商把旗下的352与362车型,针对空气动力学进行了大胆升级,推出了图中的372车型。该车的主要变革在于整个前部都采用了圆滑的弧面设计,大灯稍稍凹陷,竖直的进气格栅能让气流快速通过。

 

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通过测试,彼得比尔特372的风阻比362车型低了超过50%,百公里油耗低至了21至23升,取得了巨大的进步。但从当时来看,相比于美国传统卡车方方正正的造型,372的革新突破传统太多,当时并没有获得美国卡车司机的关注和认可。

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2008年5月30日,一辆车货总重40吨的奔驰Actros 1844LS 4X2牵引车,飞驰在意大利南部的Nardo高速环形赛道上。经过12728公里的测试,这辆车创造了吉尼斯世界纪录,百公里平均油耗低至19.44升。

 

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2020年9月16日,中国重汽新一代黄河重卡发布上市,该车可以说是国内卡车注重空气动力学的代表。重汽黄河在设计生产的过程中,联合国内外知名CFD分析咨询公司进行了52轮列车风阻和外流场设计优化,通过匹配低风阻挂车,风阻系数低至0.37。按照干线物流运输平均车速85km/h,年行驶里程30万公里计算,同比降低油耗10%,全年可节省总费用5-6万元。

 

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电动重卡中,注重空气动力学的代表有,特斯拉纯电重卡Semi,该车计划于2022年批量交付用户使用。Semi重卡采用了前卫的“座椅中置”单人驾驶室布局,大幅降低了车身的迎风面积,加上平滑、流线的车身造型,其风阻系数仅为0.36。

●  车身构件降低风阻

 

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利用车身构件降低风阻,几乎是如今所有卡车生产商都在做的事情,其中顶部导流罩、侧面导流罩和流线型的前保险杠,现在基本上已经成为每一辆牵引车的标配。一些高端牵引车还会带有原厂的侧裙板,和无级调节的顶部导流罩。

●  挂车也是降低风阻的重要一环

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现在牵引车所使用的大多数集装箱式挂车,都采用了规规矩矩、四四方方的造型,这显然与空气动力学所倡导的“流线型”截然相对。如何在保障装货方量的前提下、不缩减货厢尺寸,又兼顾到空气动力学呢?

 

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首先的一点,就是缩短挂车和车头之间的距离,减少气流对挂车前端的2次冲击,让气流从车头过渡到挂车时更加顺滑,减小风阻。由国外一份沃尔沃卡车进行风洞试验的研究材料显示,当挂车与车头的间隙由0.85m增大到1.5m时,燃料消耗增加了3%。

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另外一点,就是尽可能的将挂车的边角设计成弯曲的弧线,让气流经过时更加平滑,这一点国内很多物流公司已经注意到,并开始应用了。

 

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还有一点,挂车上也可以进一步安装空气动力构件,例如侧裙板和气流扩散器。侧裙板一方面可以降低整车的风压中心,提高整车的稳定性;另一方面可以阻挡两侧气流被吸入车底,减少挂车下方的气流堆积,使气流流动更顺畅,降低风阻。

●  编后语

可以发现,随着时代发展,卡车越来越重视空气动力学的应用,希望通过降低整车风阻系数,达到更加节油的目的,并希望这样的优势能给车辆带来更强的市场竞争力。而且,对于未来的新能源卡车来说,尤其是纯电重卡,为了提高高速行驶的续航里程,降低风阻更是重中之重,往后,我也相信会看到更多空气动力学知识被应用到卡车上。

那卡友们还知道哪些被应用到卡车上的空气动力学知识吗?可以一起来聊一聊。(文 刘振凡)

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