CN117302369A - 一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统及方法。该系统包括信号接收和处理单元、射流减阻单元和中央控制单元，信号接收和处理单元包括至少两个压力传感器，接收车辆速度信号和来流压力信号，根据来流压力信号计算来流侧偏角，将车辆速度信号和来流侧偏角信号发送至中央处理单元，中央处理单元接收信号后调整射流动量系数和射流角度，并将相应的控制信号发送至射流减阻单元，射流减阻单元包括多个射流槽和相应的射流激励器，多个射流槽分别设置于车辆各轮腔靠近地面一侧，根据接收的控制信号施加定常射流进行减阻。与现有技术相比，本发明具有有效降低车辆车轮部位的气动阻力并实现车辆净节能，进而降低车辆整车的气动阻力等优点。

Description

一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车空气动力学减阻控制技术领域，尤其是涉及一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统及方法。

背景技术

为了满足越来越严格的限制汽车耗油量和排放量的相关法规的要求，以及提高汽车的动力性、经济性的需求，必须着力发展汽车的节能减阻技术，众多减小汽车行驶阻力的方法中，减小汽车行驶时遇到的空气动力学阻力(气动阻力)越发受到重视。当汽车的行驶速度大于100km/h时，动力系统80％的功率用来克服气动阻力，从而消耗大量的燃油或者电能。因此，随着车速的不断提高，降低汽车气动阻力，对于实现节能减排以及提高新能源汽车的续驶里程都有着重要的意义。

对于汽车整车的所有部件，车轮和轮室部分所造成的气动阻力约占总气动阻力的30％之多。而针对汽车车轮和轮室的气动减阻技术还处在发展阶段，主要是由于流经车轮与轮室附近的流场结构呈现出复杂的湍流非定常特性，给车轮区域的气动减阻技术开发造成了较大的困难。传统增加车轮扰流板的被动控制方法，需要增加额外的裸露附件，气动减阻量十分有限，同时无法适用于不同的来流条件，如不同风速，不同湍流度和侧风环境等。因此，如何降低车轮和轮腔部分的气动阻力，进而降低汽车整车的气动阻力，成为本领域需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统及方法，通过将射流槽分布设置于车轮轮腔的合适位置，结合主动射流方式实现车轮部位的气动减阻和净节能，进而实现车辆整车的气动减阻。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，包括信号接收和处理单元、射流减阻单元和中央控制单元，所述信号接收和处理单元包括至少两个压力传感器，所述射流减阻单元包括多个射流槽和相应的射流激励器，所述多个射流槽分别设置于车辆各轮腔靠近地面的一侧，所述信号接收和处理单元接收车辆速度信号和来流压力信号，并根据所述来流压力信号计算来流侧偏角，将所述车辆速度信号和来流侧偏角信号发送至所述中央处理单元，所述中央处理单元基于所述车辆速度信号和所述来流侧偏角信号调整射流动量系数和射流角度，并将相应的控制信号发送至所述射流减阻单元，所述射流减阻单元基于所述控制信号，施加定常射流进行减阻。

作为优选的技术方案，所述多个射流槽分别设置于车辆各前轮的前部和后部，以及车辆各后轮的前部和后部。

作为优选的技术方案，联合使用位于车辆第一前轮前部和第二前轮前部的射流槽施加定常射流，或者联合使用位于车辆第一后轮前部和第二后轮前部的射流槽施加定常射流。

作为优选的技术方案，联合使用位于车辆第一前轮后部和第二前轮后部的射流槽施加定常射流，或者联合使用位于车辆第一后轮后部和第二后轮后部的射流槽施加定常射流。

作为优选的技术方案，所述射流槽为长条形，宽度为2mm。

作为优选的技术方案，所述射流槽与相应轮腔靠近地面的一侧距离为5mm。

作为优选的技术方案，所述射流槽的一边与相应的车辆轮腔内壁对齐，另一边与相应车体边沿的距离为5mm。

作为优选的技术方案，所述射流动量系数范围为0.5％～3％。

作为优选的技术方案，所述射流角度范围为-75°～45°。

根据本发明的第二方面，提供一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制方法，该方法应用于所述的系统，包括以下步骤：

接收车辆速度信号和来流压力信号，根据所述来流压力信号计算来流侧偏角，并发送所述车辆速度信号和来流侧偏角信号；

基于所述车辆速度信号和所述来流侧偏角信号，调整射流动量系数和射流角度，并发送相应的控制信号；

基于所述控制信号，施加定常射流进行减阻。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在车辆各轮腔靠近地面的一侧分别设置多个射流槽，并结合主动射流技术，考虑车辆速度和侧风对气动阻力的影响，能够有效降低车辆车轮部位的气动阻力并实现车辆净节能，进而降低车辆整车的气动阻力，并且无需增加额外的减阻附件；

2、本发明在车辆各前轮的前部和后部，以及车辆各后轮的前部和后部同时设置射流槽，针对多个位置的射流槽，选取不同的联合使用方式，并根据来流侧偏角调整射流参数，得到多种射流位置、射流动量系数和射流角度的组合，并根据相应的来流条件匹配最佳组合，能够实现在不同运行环境下，均有效降低车轮区域以及整车气动阻力，提高减阻控制系统的灵活性和对不同来流条件的适应性，进而保证车辆行驶的稳定性。

附图说明

图1为本发明汽车模型及车头压力传感器的位置示意图；

图2为本发明汽车底部射流槽的位置示意图；

图3为本发明汽车底部不同射流槽位置下的射流角度示意图；

图4为本发明系统的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例提供一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，包括信号接收和处理单元、射流减阻单元和中央控制单元。信号接收和处理单元包括位于车头的两个压力传感器，两个压力传感器用于测量来流压力，并实时换算出来流侧偏角。射流减阻单元包括八个射流槽和相应的射流激励器。

该系统的工作原理为：在汽车前轮或后轮区域的前后车体底部位置设置长条形的射流槽，确定射流位置。根据车辆速度和来流侧偏角，调整射流动量系数和射流角度，得到多种射流位置、射流动量系数和射流角度的组合，并根据相应的来流条件匹配最佳组合，施加定常射流，实现车辆的气动减阻控制。通过使用多种射流位置、射流动量系数和射流角度等参数的优化组合，有效偏转车轮前部来流，以削弱冲击车轮的动量，或是补充车轮尾部的动量亏损，使车轮后表面的压力回升，进而降低车轮区域以及整车气动阻力。

为验证上述控制系统的有效性，本实施例采用计算流体力学仿真实验进行模拟。如图1所示，仿真模拟实验中的汽车模型是在1/2缩比汽车Ahmed标准方背模型基础之上，增加了轮腔和车轮。汽车车轮区域各尺寸(包括车轮直径、轮胎宽度、车轴直径、轮腔深度和轮腔直径等)综合参考主流SUV、MPV车型实车的数据进行确定。本实施例在汽车车轮区域前后位置，设置了如图2所示的八个射流槽，分别为：左侧前轮前部J1和右侧前轮前部J2、左侧前轮后部J3和右侧前轮后部J4、左侧后轮前部J5和右侧后轮前部J6、以及左侧后轮后部J7和右侧后轮后部J8。八个射流槽形状相同，均为长条形。每个射流槽槽宽2mm，且与相应轮腔靠近地面的一侧距离均为5mm。在车身宽度方向上，各射流槽向外与车体边缘的距离均为5mm，向内均与轮腔内壁对齐。

本实施例采用射流动量系数C_μ来表征输入的射流能量，其定义如公式(1)所示：

其中，A_nozzles表示正在工作的射流槽面积之和，A₀表示模型在x方向的投影面积，U_jet表示射流速度，U_∞表示车速。

如图3所示，本实施例将射流角度定义如下：当定常射流垂直于地面射出时，认为此时的射流角度θ＝0°，当射流向+x方向偏转时，射流角度为正值，向-x方向偏转则射流角度为负值。需要注意的是，设置的八个射流槽位置的射流角度定义规则一致。

如图4所示，本实施例提供的主动射流减阻控制系统工作流程如下：

信号接收和处理单元接收车辆速度信号和来流压力信号，根据车辆速度信号判断是否施加射流进行减阻：

当车辆速度小于80km/h时，射流激励器不工作，无需控制射流进行减阻。

当车辆速度大于80km/h时，中央控制单元或中央控制器发出控制信号开启射流激励器。同时，车头两侧的压力传感器根据接收的来流压力信号，获取两侧压力差与来流侧偏角的标定曲线，实时测量出来流侧偏角大小，反馈给中央控制单元或中央控制器，来实时调整左右射流槽的动量系数和射流角度，根据最佳的射流槽位置、射流动量系数和射流角度参数组合，施加定常射流，实现减阻。该控制系统能够使得车辆在不同驾驶条件下达到最佳性能，无论是在高速公路上行驶还是在城市道路上行驶，车辆都可以保持最佳的气动性能。

在一些实施例中，可以联合使用位于车辆第一前轮(左侧前轮)前部和第二前轮(右侧前轮)前部的射流槽J1和J2，或者联合使用车辆第一后轮(左侧后轮)前部和第二后轮(右侧后轮)前部的射流槽J5和J6施加射流。需要明确的是，布置在车轮前部的射流，无论是前轮还是后轮，即联合使用射流槽J1和J2进行减阻控制或者联合使用射流槽J5和J6进行减阻控制时，射流角度θ越大，汽车车轮减阻量越大，净节率也越高；动量系数C_μ越大，减阻量越大，但净节率越低。最佳减阻工况为联合使用射流槽J1和J2的前轮前部射流，射流角度θ＝-75°，动量系数C_μ＝0.5％时，减阻量可达-4.1％，净节率可达6.4W。

在实验过程中，当不对车轮部位施加射流时，车轮的阻力系数C_d≈0.08，而当施加射流且射流角度θ＝0°时，车轮的阻力系数C_d≈0.06。由于施加射流后，前轮迎风侧压力值均低于无射流的基础工况，车轮的阻力系数减小了约20counts(0.02)。这是因为射流使来流向下偏转、削弱，导致车轮前表面的压力减小，正压区下移。随着射流角度θ的增大，例如射流角度θ＝-60°或射流角度θ＝-75°时，前轮阻力值则有所增加，是射流对来流的偏转效果减弱，车轮前表面的压力再次上升，正压区上移导致的。对于车辆后轮，施加射流后，后轮阻力值低于无射流的基础工况，是因为射流使来流向下偏转、削弱，降低了后轮之前气流的速度，使后轮前表面的压力降低。随着射流角度的增大，后轮阻力值变化不大。

在一些实施例中，可以联合使用位于车辆第一前轮(左侧前轮)后部和第二前轮(右侧前轮)后部的射流槽J3和J4，或者联合使用车辆第一后轮(左侧后轮)后部和第二后轮(右侧后轮)后部的射流槽J7和J8施加射流。需要明确的是，布置在车轮后部的射流，无论是前轮还是后轮，即联合使用射流槽J3和J4进行减阻控制或者联合使用射流槽J7和J8进行减阻控制时，减阻量最大同时净节率也最高的射流角度θ＝-45°；动量系数C_μ＝0.5％～1.0％时，净节率达到峰值。最佳减阻工况为联合使用射流槽J3和J4前轮后部射流，射流角度θ＝-45°，动量系数C_μ＝1.0％时，减阻量可达-3.3％，净节率可达3.6W。

本发明提供的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，经过仿真实验分析结果，能够使车轮前部的射流使来流向下偏转，削弱冲击车轮的动量，减小车轮前表面的压力，同时正压区下移，气动阻力显著降低；车轮后部的射流补充了车轮尾部的动量亏损，使车轮后表面的压力回升，气动阻力降低；同时后部射流会增大汽车底部气流的流量，继而增强尾流区处于下部的涡，提高汽车背压，降低气动阻力。该系统具有灵活性高、适用范围广和易实现闭环控制等优点，可以根据来流条件的不同，如车速和侧风，来调整最佳的射流位置、射流动量系数和射流角度组合，允许车辆更有效地在不同行驶条件下可以保持最佳的气动性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，包括信号接收和处理单元、射流减阻单元和中央控制单元，所述信号接收和处理单元包括至少两个压力传感器，所述射流减阻单元包括多个射流槽和相应的射流激励器，所述多个射流槽分别设置于车辆各轮腔靠近地面的一侧，所述信号接收和处理单元接收车辆速度信号和来流压力信号，并根据所述来流压力信号计算来流侧偏角，将所述车辆速度信号和来流侧偏角信号发送至所述中央处理单元，所述中央处理单元基于所述车辆速度信号和所述来流侧偏角信号调整射流动量系数和射流角度，并将相应的控制信号发送至所述射流减阻单元，所述射流减阻单元基于所述控制信号，施加定常射流进行减阻。

2.根据权利要求1所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，所述多个射流槽分别设置于车辆各前轮的前部和后部，以及车辆各后轮的前部和后部。

3.根据权利要求2所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，联合使用位于车辆第一前轮前部和第二前轮前部的射流槽施加定常射流，或者联合使用位于车辆第一后轮前部和第二后轮前部的射流槽施加定常射流。

4.根据权利要求2所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，联合使用位于车辆第一前轮后部和第二前轮后部的射流槽施加定常射流，或者联合使用位于车辆第一后轮后部和第二后轮后部的射流槽施加定常射流。

5.根据权利要求1所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，所述射流槽为长条形，宽度为2mm。

6.根据权利要求1所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，所述射流槽与相应轮腔靠近地面的一侧距离为5mm。

7.根据权利要求6所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，所述射流槽的一边与相应的车辆轮腔内壁对齐，另一边与相应车体边沿的距离为5mm。

8.根据权利要求1所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，所述射流动量系数范围为0.5％～3％。

9.根据权利要求1所述的用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制系统，其特征在于，所述射流角度范围为-75°～45°。

10.一种用于汽车车轮区域的主动射流减阻控制方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1-9任一项所述的系统，包括以下步骤：

接收车辆速度信号和来流压力信号，根据所述来流压力信号计算来流侧偏角，并发送所述车辆速度信号和来流侧偏角信号；

基于所述车辆速度信号和所述来流侧偏角信号，调整射流动量系数和射流角度，并发送相应的控制信号；

基于所述控制信号，施加定常射流进行减阻。