JP6390415B2

JP6390415B2 - 車両用整流装置

Info

Publication number: JP6390415B2
Application number: JP2014259775A
Authority: JP
Inventors: 由博加藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: JP2016117458A

Description

本発明は、車両の後流を調整することで空気抵抗を低減可能な、車両用整流装置に関する。

従来から、車両後方に形成される、後流（ウェイク）とも呼ばれる、気流の剥離領域を調整して、空気抵抗を低減させる技術が知られている。具体的には、剥離領域を狭めることで、空気抵抗を低減させることができる。また、車両の屋根からの剥離によって生じる上側渦と、車両の床部分からの剥離によって生じる下側渦の大きさ（渦度）を等しくすることによっても、空気抵抗を低減できることが知られている。

例えば非特許文献１では車両後方に上下板を設け、これらの板の角度を変更することで、空気抵抗の低減を図っている。具体的には、気流の主要速度が４０[ｍ／ｓ]であるときに、上下板の角度を０°とすると、上下渦の大きさが揃うことが示されている。また、上方板の角度を１２°とし、下方板の角度を−１７°とすると、剥離領域が狭められることが示されている。また、非特許文献２では車両後方に下方板のみ設けるとともに、当該下方板を長くするほど、空気抵抗が低減されることが示されている。

エムグランデマンジェ（M. Grandemange）他、「単純化された丸みを持つ路上用乗物の後面における気流の方向付けによる抗力への影響（Effect on drag of the flow orientation at the base separation of a simplified blunt road vehicle）」、エクスペリメンツインフルーズ（Experiments in Fluids）、２０１３年５月５日、第５４巻、１５２９頁スン−オンカン（Seung-On Kang）他４名、「車両の空力抵抗低減のための能動型後部デフューザー装置の研究（A Study of an Active Rear Diffuser Device for Aerodynamic Drag Reduction of Automobiles）」、エスエーイーインターナショナル（SAE International）、２０１２年４月１６日、第１巻、１７３頁

ところで、所定の気流条件で上下渦を揃えることができても、気流条件が変化したときにこれに合うように整流設定を変更する必要がある。この点について従来技術では、気流条件のどのような変更に対して、どのような整流設定の変更を行うかについて、明確な指針が与えられているとはいえない。そこで、本発明では、気流条件の変化に対応可能な車両用の整流装置を提供することを目的とする。

本発明は、後面が略垂直に形成された車両の整流装置に関するものである。当該整流装置は、前記車両後面の天井端から車両後方に延伸可能な上部板と、前記車両後面の床端から車両後方に延伸可能な下部板と、前記上部板及び下部板の延伸長さを調整するアクチュエータと、前記車両後面の、相対的に天井側に設けられた上部圧力センサと、前記車両後面の、相対的に床側に設けられた下部圧力センサと、を備える。さらに、前記上部及び下部圧力センサが検出した圧力値を受信するとともに、前記上部圧力センサと下部圧力センサの圧力値の差を縮めるように、前記アクチュエータを介して前記上部板及び下部板の延伸長さを調整する制御部を備える。

また、上記発明において、前記制御部は、前記上部圧力センサの圧力値が前記下部圧力センサの圧力値よりも高い場合、前記下部板を相対的に車両後方に延伸させることが好適である。

また、上記発明において、前記制御部は、前記下部圧力センサの圧力値が前記上部圧力センサの圧力値よりも高い場合、前記上部板を相対的に車両後方に延伸させることが好適である。

また、上記発明において、前記車両後面の両側に、車両後方に延伸する側部板を備えることが好適である。

また、上記発明において、前記側部板は、車両の中心側に傾斜されていることが好適である。

また、上記発明において、前記上部圧力センサは、前記車両後面を鉛直方向に３等分した際の、最上部領域に配置されることが好適である。

また、上記発明において、前記下部圧力センサは、前記車両後面を鉛直方向に３等分した際の、最下部領域に配置されることが好適である。

本発明によれば、気流条件の変化に対応可能な車両用の整流装置を提供可能となる。

本実施形態に係る整流装置を搭載した車両の後方を例示する図である。車両後方における、圧力係数の鉛直方向分布を示す図である。圧力センサの鉛直方向配置について説明する図である。圧力センサの水平方向配置について説明する図である。側部板を設けることによる効果を説明する図である。本実施形態に係る整流制御を実行するためのフローチャートである。

＜全体構成＞
図１に、本実施形態に係る整流装置１０を搭載した車両１１の後方を例示する。車両１１は、例えばトラックなどの貨物自動車やいわゆるワンボックスカーであって、車両後面１２が略垂直に形成されている。このような車両は、セダンタイプなどの、後部形状が絞られる（尻すぼみになる）車両と比較して剥離領域が大規模になる傾向があることから、当該剥離領域の発生に伴う空気抵抗の影響も相対的に大きい。本実施形態では、剥離領域による影響が比較的大きい車両に対して、気流制御を行う。

整流装置１０は、上部板１４、下部板１６、上部板アクチュエータ１８Ａ、下部板アクチュエータ１８Ｂ、上部圧力センサ２０Ａ、下部圧力センサ２０Ｂ、右側部板２２Ａ、左側部板２２Ｂ、及び制御部２４を備える。

上部圧力センサ２０Ａ及び下部圧力センサ２０Ｂは、周囲の気圧を測定してその測定値を制御部２４に送信する。制御部２４では、受信した測定値に応じて上部板アクチュエータ１８Ａ、下部板アクチュエータ１８Ｂの少なくとも一方を作動させて、上部板１４及び下部板１６の少なくとも一方の車両後方延伸長さを変更させる。

延伸長さの変更に応じて上部圧力センサ２０Ａ及び下部圧力センサ２０Ｂの測定値が変化する。制御部２４は、上部圧力センサ２０Ａの測定値と下部圧力センサ２０Ｂの測定値の差を縮めるように、上部板１４及び下部板１６の延伸長さを調整する。

＜各構成の詳細＞
上部板アクチュエータ１８Ａ及び下部板アクチュエータ１８Ｂは、それぞれ上部板１４及び下部板１６を車両後方（図１のＸ軸方向）に沿って水平移動させることで、上部板１４及び下部板１６の延伸長さを調整する駆動装置である。両アクチュエータ１８Ａ，１８Ｂは、例えば油圧シリンダやモータなどから構成される。

上部板１４は、車両後面１２の天井端に設けられた板部材である。上部板１４は、車両後面１２の全幅（図１のＹ軸方向長さ）に亘って設けられていてよい。上述したように、上部板１４は、上部板アクチュエータ１８Ａの動作に応じて車両後方に水平移動（Ｘ軸方向に沿って移動）させられる。

下部板１６は、車両後面１２の床端に設けられた板部材である。上部板１４と同様に、下部板１６は、車両後面１２の全幅（図１のＹ軸方向長さ）に亘って設けられていてよい。また下部板１６は、下部板アクチュエータ１８Ｂの動作に応じて車両後方に水平移動させられる。

図２には、上部板１４及び下部板１６の車両後方延伸長さを変更させることによる、整流効果を示すシミュレーション結果が示されている。図２上段及び下段とも、横軸は圧力係数Ｃｐであり、縦軸は地面からの高さ（図１のＺ軸方向高さ）を表している。また、両段とも、車両後面１２の幅方向中心部分（図１のＹ軸方向中央）の圧力係数Ｃｐの鉛直方向分布を示している。

図２上段の実線は、上部板１４及び下部板１６の車両後方延伸長さをともに０（ｘ１＝０，ｘ２＝０）としたときの圧力係数Ｃｐの分布を示すものである。圧力係数Ｃｐは、０に近づくほど空気抵抗が低いことを表しており、この実線の例では、車両後面１２の下部側の空気抵抗が相対的に高いことが示されている。

図２上段の破線は、上部板１４の車両後方延伸長さは０に維持する一方で、下部板１６の車両後方に延伸させたときの圧力係数Ｃｐの分布を示すものである。この分布に示されているように、実線の分布と比較して、車両後面１２下方の圧力係数Ｃｐは０側に寄せられており、空気抵抗が軽減されたことが理解される。

図２下段の実線は、図２上段の実線と同様、上部板１４及び下部板１６の車両後方延伸長さを０（ｘ１＝０，ｘ２＝０）としたときの圧力係数Ｃｐの分布を示すものである。なお、上部板１４と下部板１６の延伸長さの条件は同じものの、図２下段では気流の条件を図２上段とは変更させているので、圧力係数の分布は図２上段の実線とは異なるものとなっている。具体的には、図２下段では、車両後面１２の上部側の空気抵抗が相対的に高くなっている。

図２下段の破線は、下部板１６の車両後方延伸長さは０に維持する一方で、上部板１４の車両後方に延伸させたときの圧力係数Ｃｐの分布を示すものである。この分布に示されているように、実線の分布と比較して、車両後面１２上方の圧力係数Ｃｐは０側に寄せられており、空気抵抗が軽減されたことが理解される。

このように、上部板１４及び下部板１６の車両後方延伸長さを変化させることで、車両後面１２の圧力係数Ｃｐを低減できることが理解される。具体的には、上部板１４及び下部板１６を車両後方に延伸させることで、圧力係数Ｃｐは０側に寄せられる。

加えて、上部板１４の延伸による影響は、上部板１４側の圧力係数Ｃｐに相対的に大きく表れ、下部板１６側の圧力係数Ｃｐには相対的に小さく表れる。同様にして、下部板１６の延伸による影響は、下部板１６側の圧力係数Ｃｐに相対的に大きく表れ、上部板１４側の圧力係数Ｃｐには相対的に小さく表れる。

このことから、上下に表れた圧力係数ＣＰのピークのうち相対的に負に大きい（０から離れている）一方に近い板を延伸させることで、他方への影響を抑えつつ、一方の圧力係数Ｃｐのピークを０側に寄せることが可能となる。その結果、上部側ピークと下部側ピークとを揃えることが可能となる。

圧力係数Ｃｐのピークを揃えることで、車両後面１２の上下に発生した剥離渦の大きさ（渦度）を揃えることが可能となる。ここで、圧力係数Ｃｐは、下記数式（１）に基づいて求められる。

数式（１）において、ｐ^∞、ρ^∞、Ｖ^∞はそれぞれ一様流の圧力、密度、速度を表している。また、剥離領域は一様流よりも低圧であるため、一般的にｐ＜ｐ^∞となる。

また、計算上はｐ^∞、ρ^∞、Ｖ^∞を定数として扱ってよく、上部板１４側の圧力係数Ｃｐに対しても、下部板１６側の圧力係数Ｃｐに対しても、同一の値を用いてもよい。このような仮定に基づくと、図２における圧力係数Ｃｐの横軸方向位置は、上部圧力センサ２０Ａ及び下部圧力センサ２０Ｂにより測定される圧力ｐに依存するものとなる。圧力ｐは剥離渦の渦度に対応するものであり、圧力係数Ｃｐのピーク位置が揃うということは、車両後面１２の上部（天井側）に発生した剥離渦と下部（床側）に発生した剥離渦との大きさ（渦度）が揃っていることを表している。上述したように、上下渦が揃うことによって空気抵抗は軽減される。つまり、圧力ｐの上側ピークと下側ピークを揃える、すなわち、圧力係数Ｃｐの上側ピークと下側ピークを揃える事で、空気抵抗を軽減させることができる。

以上の検討を踏まえて、圧力係数のピークを揃えるためには、以下のように上部板１４及び下部板１６の車両後方延伸長さを調整すればよい。すなわち、図２上段のように、車両後面１２の上部側の圧力係数Ｃｐが相対的に高く（０側に寄っており）、下部側の圧力係数Ｃｐが相対的に低い（０から負に離れている）場合には、下部板１６を上部板１４に対して相対的に車両後方に延伸させればよい。例えば、上部板１４の延伸長さｘ１を縮めるか、下部板１６の延伸長さｘ２を伸ばせばよい。あるいはｘ１の短縮とｘ２の延長を同時に行ってもよい。

図２下段のように、車両後面１２の下部側の圧力係数Ｃｐが相対的に高い場合には、上部板１４を下部板１６に対して相対的に車両後方に延伸させればよい。例えば、上部板１４の延伸長さｘ１を伸ばすか、下部板１６の延伸長さｘ２を縮めればよい。あるいはｘ１の延長とｘ２の短縮を同時に行ってもよい。

図１に戻り、上部圧力センサ２０Ａは、車両後面１２の、相対的に天井側に設けられ、その周囲の気圧を測定する。また、下部圧力センサ２０Ｂは、車両後面１２の、相対的に床側に設けられ、その周囲の気圧を測定する。これら圧力センサ２０Ａ，２０Ｂの測定値は、制御部２４に送られる。

上部圧力センサ２０Ａは、圧力係数Ｃｐの上側ピークにおける圧力値を検知可能な位置に配置されていればよく、また、下部圧力センサ２０Ｂは、圧力係数Ｃｐの下側ピークにおける圧力値を検知可能な位置に配置されていればよい。

図３には、図２の２つのグラフを横に並べた図が示されている。いずれのグラフにおいても、圧力係数Ｃｐの上側ピークｐｐ１は、車両後面１２を鉛直方向（Ｚ軸方向）に３等分した際の、最上部領域に表れていることが理解される。このことから、上部圧力センサ２０Ａは、当該最上部領域に配置されていることが好適である。例えば、最上部領域の鉛直方向中間位置に上部圧力センサ２０Ａを配置する。

また同様にして、圧力係数Ｃｐの下側ピークｐｐ２は、車両後面１２を鉛直方向（Ｚ軸方向）に３等分した際の、最下部領域に表れていることが理解される。このことから、下部圧力センサ２０Ｂは、当該最下部領域に配置されていることが好適である。例えば、最下部領域の鉛直方向中間位置に下部圧力センサ２０Ｂを配置する。

なお、上部圧力センサ２０Ａを複数設けることができる場合には、複数の上部圧力センサ２０Ａ，２０Ａ・・・を上記最上部領域に鉛直方向に沿って配列して、各センサが検出した圧力値の最小値を上部の圧力値として採用してよい。同様にして、下部圧力センサ２０Ｂを複数設けることができる場合には、複数の下部圧力センサ２０Ｂ，２０Ｂ・・・を上記最下部領域に鉛直方向に沿って配列して、各センサが検出した圧力値の最小値を下部の圧力値として採用してよい。

図４は、車両後面１２の幅方向（水平方向、Ｙ軸方向）における、圧力係数Ｃｐの分布を示すものである。ここで、実線は車高Ｈを１としたときの鉛直方向高さ（Ｚ軸方向高さ）が０．２２５（ｚ＝０．２２５）のときの圧力係数Ｃｐの幅方向分布を示す。また、破線は車高Ｈを１としたときの鉛直方向高さが０．９（ｚ＝０．９）のときの圧力係数Ｃｐの幅方向分布を示す。

この図に示されているように、幅方向（水平方向）については圧力係数の変動は僅かなものであり、当該方向については任意の箇所に各圧力センサ２０Ａ，２０Ｂを配置してもよいことが理解される。ただし、後述する両側部板２２Ａ，２２Ｂの影響を考慮すると、各圧力センサ２０Ａ，２０Ｂは、幅方向中央に配置されていることが好適である。

図１に戻り、右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂは、車両後面１２の側方端部から車両後方に延伸するようにしてそれぞれ設けられている。右側部板２２Ａ、左側部板２２Ｂともに、上部板１４と下部板１６との間に、鉛直方向（Ｚ軸方向）に亘って設けられていてよい。

右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂは、車両の中心側に傾斜されている。つまり、車両後方から見たときに車両後面１２の一部を覆うようにして、やや閉じ気味に右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂが設けられている。右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂは、この配置角度のまま固定されていてよい。配置角度は右側部板２２Ａと左側部板２２Ｂで等しいことが好適である。

図５には、右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂを設けた場合の、圧力係数Ｃｐの分布が示されている。図５のグラフは、図２のグラフに、点線で示す分布線を追加したものである。当該分布線は、破線で示した分布線に、さらに右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂを設けたときの圧力係数Ｃｐの分布を示している。

破線の分布線と点線の分布線を比較すれば理解されるように、右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂを設けることで、圧力係数のピーク値が上下揃ったままの状態で、両ピーク値ともに０側に寄せられていることが理解される。このように、右側部板２２Ａ及び左側部板２２Ｂを設けることで、上部板１４及び下部板１６による整流効果（剥離渦を揃える）を妨げることなしに、更なる整流効果（剥離領域を縮める）が得られる。

図１に戻り、制御部２４は、上部圧力センサ２０Ａ及び下部圧力センサ２０Ｂが検出した圧力値ｐを受信するとともに、上部圧力センサ２０Ａと下部圧力センサ２０Ｂの圧力値の差を縮めるように、上部板アクチュエータ１８Ａ及び下部板アクチュエータ１８Ｂの少なくとも一方を介して、上部板１４及び下部板１６の延伸長さを調整する。

制御部２４は、コンピュータから構成されていてよく、例えば車両１１の電子コントロールユニット（ＥＣＵ）から構成されていてもよい。制御部２４を構成するコンピュータは、後述する整流制御プログラムが記憶された記憶部と、当該プログラムを実行するＣＰＵとを備えている。また、制御部２４は、上部圧力センサ２０Ａ及び下部圧力センサ２０Ｂからの信号を受信するとともに、上部板アクチュエータ１８Ａ及び下部板アクチュエータ１８Ｂに駆動信号を送信する機器・センサインターフェースを備えている。

図６には、制御部２４による整流制御のフローチャートが例示されている。まず、制御部２４は、上部圧力センサ２０Ａから送られた圧力値ｐ１と下部圧力センサ２０Ｂから送られた圧力値ｐ２とが等しいか否かを判定する（Ｓ１０）。両値が等しい場合は整流制御はスタートに戻り、圧力監視が継続される。

両値が異なる場合は、制御部２４は、上部圧力値ｐ１が下部圧力値ｐ２を上回っているか否かを判定する（Ｓ１２）。上述したように、数式（１）においてｐ＜ｐ^∞であるから、ｐ１＞ｐ２のとき、０＞Ｃｐ（ｐ１）＞Ｃｐ（ｐ２）となる。このとき、制御部２４は、下部板１６を上部板１４に対して相対的に延伸させるように、上部板アクチュエータ１８Ａ及び下部板アクチュエータ１８Ｂの少なくとも一方に駆動指令を出力する（Ｓ１４）。

上部圧力値ｐ１が下部圧力値ｐ２を上回っていない場合、両値が異なる原因は、下部圧力値ｐ２が上部圧力値ｐ１を上回っていることとなる。つまり、０＞Ｃｐ（ｐ２）＞Ｃｐ（ｐ１）となる。制御部２４は、上部板１４を下部板１６に対して相対的に延伸させるように、上部板アクチュエータ１８Ａ及び下部板アクチュエータ１８Ｂの少なくとも一方に駆動指令を出力する（Ｓ１６）。

１０整流装置、１１車両、１２車両後面、１４上部板、１６下部板、１８Ａ上部板アクチュエータ、１８Ｂ下部板アクチュエータ、２０Ａ上部圧力センサ、２０Ｂ下部圧力センサ、２２Ａ右側部板、２２Ｂ左側部板、２４制御部。

Claims

後面が略垂直に形成された車両の整流装置であって、
前記車両後面の天井端から車両後方に延伸可能な上部板と、
前記車両後面の床端から車両後方に延伸可能な下部板と、
前記上部板及び下部板の延伸長さを調整するアクチュエータと、
前記車両後面の、相対的に天井側に設けられた上部圧力センサと、
前記車両後面の、相対的に床側に設けられた下部圧力センサと、
前記上部及び下部圧力センサが検出した圧力値を受信するとともに、前記上部圧力センサと下部圧力センサの圧力値の差を縮めるように、前記アクチュエータを介して前記上部板及び下部板の延伸長さを調整する、制御部と、
を備えることを特徴とする、車両用整流装置。
請求項１に記載の、車両用整流装置であって、
前記制御部は、前記上部圧力センサの圧力値が前記下部圧力センサの圧力値よりも高い場合、前記下部板を相対的に車両後方に延伸させることを特徴とする、車両用整流装置。
請求項１または２に記載の、車両用整流装置であって、
前記制御部は、前記下部圧力センサの圧力値が前記上部圧力センサの圧力値よりも高い場合、前記上部板を相対的に車両後方に延伸させることを特徴とする、車両用整流装置。
請求項１から３のいずれかひとつに記載の、車両用整流装置であって、
前記車両後面の両側に、車両後方に延伸する側部板を備えることを特徴とする、車両用整流装置。
請求項４に記載の車両用整流装置であって、
前記側部板は、車両の中心側に傾斜されていることを特徴とする、車両用整流装置。
請求項１から５のいずれかひとつに記載の、車両用整流装置であって、
前記上部圧力センサは、前記車両後面を鉛直方向に３等分した際の、最上部領域に配置されることを特徴とする、車両用整流装置。
請求項１から６のいずれかひとつに記載の、車両用整流装置であって、
前記下部圧力センサは、前記車両後面を鉛直方向に３等分した際の、最下部領域に配置されることを特徴とする、車両用整流装置。