JP2020189511A - 圧力差によるダウンフォース発生構造 - Google Patents

Abstract

【課題】２０１９年現在多くのモータースポーツで採用されているレギュレーションに抵触せず、走行する上での危険性が小さく、強力なダウンフォースを発生させ、自動車の運動性能を向上させることを課題とする。【解決手段】車両９にダクトを設け、車両９前面に設けた吸気口（エアインテーク）２３より車両９内部に取り入れた空気の流れ１６を流れの速さが音速となるようにダクトの総断面積の縮小部１０を通過させ、車両９下面の前輪の後端よりやや前方に位置する、再縮小部１０よりも、空気の流れ１６に対して垂直面の断面積が大きい排気口２４より、水平面にほぼ平行の角度で、車両９下面に沿わせるよう車両９後方に排出させるものとする。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車における強力なダウンフォースを発生させるための車両構造に関する。

従来、車両下面の空間を負圧状態とし車両上面にかかる圧力差によりダウンフォースを得ることを物理的根拠とした空力装置又は構造を持った自動車で、一般的にファンカー（例えば、特許文献１参照）やグラウンドエフェクトカー（例えば、非特許文献１参照）と呼ばれるものが公知である。

また、サーキット等におけるスポーツ走行に求められる自動車の空力特性で重要視されるものとして、前輪（前方）と後輪（後方）にかかるダウンフォースのバランスがあり、例えばダウンフォースが後輪過多になると走行中前輪が浮きクラッシュするという問題がある。（例えば、非特許文献２参照）

特開２００４−２４９７８８号公報

フリー百科事典「ウィキペディア（Wikipedia）」、［令和１年５月２０日検索］、インターネット＜URL：https://ja.wikipedia.org/wiki/グラウンド・エフェクト・カー＞ YouTube（登録商標）、［令和１年５月２０日検索］、インターネット＜URL：https://www.youtube.com/watch?v=e21ZjwZGjiQ＞ フリー百科事典「ウィキペディア（Wikipedia）」、［令和１年５月２０日検索］、インターネット＜URL：https://ja.wikipedia.org/wiki/圧縮性流れ#面積変化の影響＞ フリー百科事典「ウィキペディア（Wikipedia）」、［令和１年５月２０日検索］、インターネット＜URL：https://ja.wikipedia.org/wiki/ベルヌーイの定理#気体の定常流の場合＞ フリー百科事典「ウィキペディア（Wikipedia）」、［令和１年５月２０日検索］、インターネット＜URL：https://ja.wikipedia.org/wiki/ラバール・ノズル＞ YouTube（登録商標）、［令和１年５月２０日検索］、インターネット＜URL：https://youtu.be/QVRCqLRgZRQ?t=60＞

しかしながら、ファンカーは２０１９年現在、F１等多くのモータースポーツで採用されている「空力部品は可動してはならない」という一般的なレギュレーションに抵触する。

また、車両を飛行機の翼を逆向きにしたような形状をしたグラウンドエフェクトカーは、モータースポーツにおいては「フロントタイヤの後端からリアタイヤの前端までの車両底面は平面でなければならない」という一般的なレギュレーションに抵触する上、その効果の大きさは車両下面と地面が近いことに強く依存するゆえ、例えば車両が縁石に乗り上げるなどして車両下面と地面との間が大きくなり、そこに空気が流入すると一気にダウンフォースが失われ、激しいクラッシュを招くという問題がある。

本発明は、上記の従来のダウンフォース発生装置及び構造の課題を解決する、すなわち２０１９年現在多くのモータースポーツで採用されているレギュレーションに抵触せず、走行する上での危険性が小さく、シンプルな構造で、強力なダウンフォースを発生する車両構造に関するものである。

本発明は、車両前面に設けた吸気口（エアインテーク）より車両内部に取り入れた空気の流れを、車両下面の前輪の後端よりやや前方に位置し、空気の流れの向きに垂直面の断面積が吸気口より小さい排気口より、水平面とほぼ平行の角度で車両下面に沿わせるように車両後ろ向きに勢いよく排出させるものとした車両構造である。

流体の性質（連続の式とベルヌーイの定理）より、空気の流れの向きに垂直面の断面積が吸気口よりも小さい排気口から流れる噴流は流速が上がって圧力（静圧）が下がる。その噴流を車両下面に沿わせるように流すことで車両下面にかかる圧力が小さくなり、車両上面との圧力差が生まれ、車両に下向きの力、すなわちダウンフォースが生まれる。

図１は本発明の実施方法を立体的に、特に車両前面、吸気口部分に商店を当てて示した説明図である。（実施例１） 図２は本発明の実施方法を立体的に、特に車両下面の構造に焦点を当てて示した説明図である。（実施例１） 図３は本発明の実施方法を平面的に、特にダクトの構造に焦点を当てて示した車両中央の断面図である。（実施例１） 図４はx軸をマッハ数、y軸を吸気口の面積と排気口の面積の比とした関数のグラフである。（実施例1） 図５は本発明の実施方法を平面的に、ダクト内にラジエーター及びエンジンを配置した際の構造を示した断面図である。（実施例３） 図６は本発明の実施方法を平面的に、特にダクトの排気口部に焦点を当てて示した断面図である。（実施例４）

以下に本発明の効果を数学的・物理的にわかりやすく説明するため、実施例１及び、特に記載がない場合は全ての実施例において図１で示したように全幅2000[mm]、全長4500[mm]、全高1000[mm]のほぼ直方体である簡略化された車両を用いて説明するが、本発明はこの形状の車両に限定されるものではない。

また同様の目的で特に記載がない場合、車両は気温摂氏0度、気圧101325[Pa]、密度1.293[kg/m^3]、比熱比1.4の乾燥空気中を速さ100[km/h]で水平面上において等速直線運動していているものとし、空気の粘性及び質量を適宜無視し、流体の運動は断熱過程とするが、本発明はこの環境に限定されるものではない。

また、本明細書内で記述する「断面積」とは、特に記載がない限り空気の流れの向きに対して垂直面の断面積であるとし、流れにおいて「圧力」と記述するときは特に記載がない限り静圧であるとする。

また本実施形態においては、よりダクト内の流れを安定させる目的で、ダクトのうち、排気口の前方に断面積が一定の部分をある程度の長さ設ける構成とし、本明細書内ではこの部分を「スロート部」（図３、１０）と呼ぶが、必ずしもスロート部を設ける構成としなくてもよい。

一般的に、ダクト内を流れる亜音速の圧縮性流体には、ダクトの断面積が小さくなるほどその速度が上昇していき、音速に収束するという性質がある。この物理現象を考慮し、本実施例では排気口より出る流れの速度を音速とすることを目的とする。

ダクトの吸気口より流れを取り入れ、ダクトの断面積を縮小し、排気口よりその流れを排出するとき、吸気口の断面積をA、吸気口における流れのマッハ数をM、比熱比をγ、流れのマッハ数が1に到達するときの面積、すなわち排気口及びスロート部の断面積をA*とすると以下の式が成り立つ。（非特許文献３参照）

ここでγ=1.4を代入すると、A/A*をY軸、MをX軸としたグラフは図４のようになる。

車両が100[km/h]で走行する場合、M≒1/12となるから、（数１）にさらにM=1/12を代入すると、A/A*≒7となる。すなわち吸気口のおよそ7分の1より小さい面積までダクトの断面積を絞ることにより排気口より出る流れは音速となる。

また、図４のグラフを見ればわかるように、音速に達するのに必要な断面積に対する排気口及びスロート部の断面積は、30[km/h]で走行中はおよそ２４分の１、200[km/h]で走行中はおよそ４分の１であるから、吸気口、排気口及びスロート部の断面積は可変とする構造としてもよい。
ただ、昨今のモータースポーツのレギュレーションの「空力部品は可動してはならない」というものを考慮して本実施例では吸気口、排気口及びその間のダクトの断面積及び形状は図３の形状で不変とする。

次に車両上面にかかる圧力（Ptopとする）と車両下面にかかる圧力（排気口から出た瞬間の流れの圧力、Pbtmとする）を導出する。
ベルヌーイの定理より、断熱過程に従う非粘性気体の定常な流れでは、流線上で

が成り立つ。ただし、v は速度ベクトル、p は圧力、ρは密度、γは比熱比、ps , ρs はよどみ点における圧力と密度である。（非特許文献４参照）

（数２）の右辺にγ=1.4、ps=101325、ρs=1.293を代入すると
（右辺）≒274275 となる。

さらに、（数２）の左辺にv=27.7777（≒100[km/h]）、γ=1.4、p=Ptop、ρ=1.293を代入し方程式を解くと、車両上面にかかる圧力Ptopが求まる。
Ptop≒101182[Pa] となる。

また、同様にPbtmを求めたいが、密度ρが不明であるため方程式が解けない。そこで吸気口部と排気口部の質量流量が一定であることを利用して排気口部の密度ρbtmを求める。

質量流量は、体積流量に密度を掛けることで求まる。また、体積流量は速度に断面積を掛けることで求まる。よって吸気口での質量流量は、
27.777[m/s]×A[m^2]×1.293[kg/m^3] - (1) となる。
同様に排気口での質量流量は、
331.45[m/s]×A*[m^2]×ρbtm[kg/m^3] - (2) となる。
A/A*=6.9734を代入し、(1)と(2)が等しいことを用い方程式を解くと、
ρbtm≒0.7556[kg/m^3]となる。

したがって（数２）の左辺にv=331.45、γ=1.4、ρ=ρbtm＝0.7556を代入し方程式を解くと、Pbtm≒47353[Pa]となる。

このようにPtopとPbtmが求まったが、圧力Ptopが車両上面に一様にかかるのに対し、Pbtmは流れが排気口を出た瞬間の圧力であり、流れはその低圧さゆえに周囲の空気を巻き込み、車両後方に向かうにつれ低圧さは失われてしまう。
そのため近似的に図２で示した車両下面の一辺1200[mm]の正三角形の部分８のみに圧力Pbtmがかかり、車両下面のそれ以外の部分には圧力Ptopがかかるとして圧力差によるダウンフォースを計算すると、
（圧力差によるダウンフォース）＝Ptop×（車両上面の面積）−Pbtm×（正三角形の面積）−Ptop×（車両下面の正三角形以外の面積）＝（略）=0.72×(Ptop-Pbtm)= 38756.88[N]
となる。
これは2009年のF1のレギュレーション（現在は削除されている）にある「（マシン全体で）12500Nのダウンフォース量を超えてはならない。」と比較して、膨大なダウンフォース量であるといえる。

さらに、上記に付随する効果として、例えば水の流れるホースを絞ることにより反動を受けることと同じ原理で、排気口より進行方向後ろ向きに勢いよく空気を排出する反作用として、進行方向への力、すなわち推力を車両が得られる。これは捉え方によっては空気抵抗の減少とも言える。

また、「前輪後端より後輪前端までの部分の車体下面は平面でなければならない」等という、いわゆるフラットボトム規定があたらない市販車等においては、排気口の位置が車両下面の前輪の後端より前方にある必要はないため、排気口が車両下面の先端から後輪の先端部までのいずれかの位置に配置されている構成としてもよい。

考えられる問題点としては、図３の１２において車両が流れに対して車両下向きの加速度を与えているため、一見その反作用として車両が上向きの力を受けるように見えるが、同じく図２の１３において流れに上向きの加速度を与えているため、これらは相殺され、車両全体で見ると車両に上向きの力は働かないといえる。

ただ、車両の左方向から見て後輪の接地面を軸とした時計回りのモーメントがわずかに増加し、一見ダウンフォースが後輪過多になるように思われる。しかし図２の通り圧力差によりダウンフォースを受ける場所は前輪よりであるし、本実施例では採用していないものの、後輪のダウンフォースに大きな影響を与えるリアディフューザーやリアスポイラー等を設け、角度等を調整することで後輪のダウンフォース量を調整することは容易なため、これも車両全体で見ると問題とはならない。
したがって（０００３）で述べたダウンフォースの前後バランスの問題は本発明では起こらない。

また、本発明の構造により大きな影響を受けるのは、厳密には“車両と地面の間の空間”ではなく、 “「車両」と「車両と地面の間の空間」との間の空間”、すなわち車両・地面間の車両側の一部であるし、車両前面に設けた吸気口から空気が入ってくる限り高いダウンフォースを保つことができるから、本発明は車両が常に接地していることには依存しない。それゆえ（０００７）で述べたように、縁石に乗り上げることでダウンフォースが一気に失われるということは起こらない。
ただ、車両がスピンするなどして吸気口に入る空気がなくなればダウンフォースは失われるが、スピンした際にダウンフォースが失われることはリアスポイラーやリアディフューザー等、ほぼすべての空力装置もしくは車両構造に起こることであり、本発明特別の欠点とはいえない。

このように、（０００２）で述べたいわゆるファンカーの、車両下面を低圧にして空気を車両外側（後ろ側）に排出するという特徴を、ファンすなわち羽を用いずに擬似的に再現できる点から本発明を用いた自動車は一言で「羽のないファンカー」と形容できる。

なお、車両前面の吸気口より取り入れた流れを加速させて車両下面に流す車両構造はすでに公知である（例えば、非特許文献６参照）が、本発明及び本実施例においては取り入れた流れを水平面にほぼ平行で、車両下面に沿わせるよう後方に排出させ、車両がより直接的に低圧の恩恵を受けられるという点で新規性がある。

前記した「ほぼ平行」とは平行から上下方向に５度以内と定義する。

空力部品に対し制約がない市販車等に本発明の構造を適用する場合、車両構造を可変とすることができる。そこで、実施例１では排気口の左右方向の向きについては具体的に記していないが、（００２８）で述べたように本発明に付随する効果として排気口の向きと逆向きの力を車両が得られるゆえ、車両の旋回力を高めるためにハンドルと連動して排気口の向きを左右方向に可変とする構成としてもよい。

具体的には、車両走行中に右にハンドルをきった場合排気口の向きを左向きにし、左にハンドルをきった場合排気口の向きを右向きとする構成である。

実施例１では単なるダクトを用いて説明したが、ダクト内は常時空気が流れるゆえ、ダクト内にラジエーター・インタークーラー等冷却を目的とするものを設置する構成、又はダクトと、ガソリン車でいうところのエンジンルームを兼ねる構成としてもよい。（図５参照）

この場合断熱過程でなくなるので、車両が得られるダウンフォース量は実施例１における計算結果と誤差が生じるものの、その誤差は吸気口、排気口、及びその間のダクトの断面積を調整すれば簡単に修正できるため本発明の根幹を揺るがすものとはならない。

むしろ、実施例１において排気口より出る流れの目標値、すなわち音速は331.45[m/s]として計算したが、音速は絶対温度の平方根に比例して大きくなるので、あえて積極的にダクト内の流れを加熱する構成としてもよい。そうすることで、前述したように調整は必要であるが、排気口より出てくる流れの速度（音速）は上昇し、車両下面にかかる圧力はより小さくなる。

実施例１では、ダクト内を流れる圧縮性流体はダクトの断面積が小さくなるにつれ流速が上がり、最終的に音速に収束するという物理現象を考慮し、車両下面から排出される噴流の速度を音速とすることを目的とした。
しかしダクトの形状をラバールノズル（非特許文献３参照）、すなわち図６のような構造とすることで、車両下面から排出される流れは音速を超え、実施例１と比較してさらなる車両下面にかかる低圧さが期待できるので、そのような構成としてもよい。

自動車の運動性能を大きく向上させるゆえ、モータースポーツで用いる車両の構造や市販のスポーツカーの構造として有用である。

１ 車両
２ ダクト部
３ 吸気口部（エアインテーク）
４ 左前輪
５ 左後輪
６ 吸気口部
７ 排気口部
８ 実施例１において近似的に負圧がかかるとする正三角形部
９ 車両
１０ スロート部
１１ 流線
１２ 車両（ダクト）が流れに下向きの力を与えている箇所
１３ 車両（ダクト）が流れに上向きの力を与えている箇所
１４ 右前輪
１５ 右後輪
１６ ダクト内を通る空気の流れ
１７ エンジン
１８ ラジエーター
１９ エンジンルーム兼ダクト
２０ 吸気口部
２１ 排気口部
２２ ダクトがラバールノズルの形状となるための排気口部
２３ 吸気口部
２４ 排気口部

本発明は、ダクトを備えた車両であって、車両前面に設けた吸気口（エアインテーク）より車両内部に取り入れた空気の流れを、流れの速さが音速となるようにダクトの総断面積の縮小部を通過させ、車両下面の前輪の後端よりやや前方に位置し、空気の流れの向きに垂直面の断面積が再縮小部より大きい排気口より、水平面とほぼ平行の角度で車両下面に沿わせるように車両後ろ向きに勢いよく排出させるものとした車両構造である。

流体の性質（連続の式とベルヌーイの定理）より、空気の流れの向きに垂直面の断面積が吸気口よりも小さい排気口から流れる噴流は流速が上がって圧力（静圧）が下がり、さらにダクト（吸気口
-排気口間）をラバールノズルの形状とすることでさらに流速が上がる。その噴流を車両下面に沿わせるように流すことで車両下面にかかる圧力が小さくなり、車両上面との圧力差が生まれ、車両に下向きの力、すなわちダウンフォースが生まれる。

図１は本発明の実施方法を立体的に、特に車両前面、吸気口部分に焦点を当てて示した説明図である。（実施例１） 図２は本発明の実施方法を立体的に、特に車両下面の構造に焦点を当てて示した説明図である。（実施例１） 図３は本発明の実施方法を平面的に、特にダクトの構造に焦点を当てて示した車両中央の断面図である。（実施例１） 図４はx軸をマッハ数、y軸を吸気口の面積と排気口の面積の比とした関数のグラフである。（実施例1）

１ 車両
２ ダクト部
３ 吸気口部（エアインテーク）
４ 左前輪
５ 左後輪
６ 吸気口部
７ 排気口部
８ 実施例１において近似的に負圧がかかるとする正三角形部
９ 車両
１０ スロート部
１１ 流線
１２ 車両（ダクト）が流れに下向きの力を与えている箇所
１３ 車両（ダクト）が流れに上向きの力を与えている箇所
１４ 右前輪
１５ 右後輪
１６ ダクト内を通る空気の流れ
２３ 吸気口部
２４ 排気口部

Claims (6)

1. 単数又は複数のダクトを備えた自動車の構造であって、車両走行中、前記車両前面に設けた単数又は複数の吸気口より前記ダクト内に取り入れた空気の流れを、前記車両下面の先端から後輪の先端部までのいずれかの位置に設けた、前記吸気口よりも前記流れの向きに対して垂直面の総断面積が小さい単数又は複数の排気口より、水平面に対しほぼ平行の角度で、前記車両下面に沿わせるように前記車両後方に排出させることを特徴とした自動車の構造。
2. 前記吸気口又は前記排気口又はそれら両方の前記総断面積が可変であることを特徴とした請求項１に記載の自動車の構造。
3. 前記排気口の向きが前記車両のハンドルと連動して左右方向に関して前記ハンドルの向きと前記流れの向きが逆となるよう可変であることを特徴とした請求項１に記載の自動車の構造。
4. 前記流れをラジエーターを経由させることを特徴とした請求項１に記載の自動車の構造。
5. 前記流れをエンジンルームを経由させることを特徴とした請求項１に記載の自動車の構造。
6. 前記ダクト内の前記吸気口と前記排気口間に、前記流れの速さが音速となるように前記ダクトの前記総断面積の縮小部を設け、前記排気口部の前記総断面積が前記縮小部より大きくなることを特徴とした請求項１に記載の自動車の構造。

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