JP2022026372A - 整流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行風が車輪に衝突して生じる剥離流れを適切に整流する整流装置を提供する。【解決手段】車輪ＦＷと、車体の下方及び外側方に開口するとともに車輪の一部を収容する空間部Ｓとを備える車両１に設けられる整流装置を、空間部において車輪に対して車両前方側に設けられ、車輪の車幅方向内側の面部に隣接する乱流境界層Ｔを形成する気流を噴出する気流噴出部７１，１００（１００ｏ，１００ｉ）を備える構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の車両に設けられ車輪周辺の気流を整流する整流装置に関する。

自動車等の車両の走行時に、車体の周辺には自車両の走行に起因して発生する気流（いわゆる走行風）が形成される。
このような走行風が車体周辺の一部で乱流となり、渦流を形成すると、空気抵抗、操縦安定性、空力騒音（風切音）、空力振動などが悪化する原因となる。
特に、車輪及び車輪を収容するホイールハウスの周辺では、走行風が車輪や周辺部品と衝突して剥離することにより、気流の乱れが発生しやすいことから、様々な手法により車輪周辺の整流を図ることが提案されている。

車両の車輪、又は、その周辺に設けられる整流装置に関する従来技術として、例えば特許文献１には、車輪を収容するホイールハウス内に突出した整流位置と、車輪との干渉を回避する回避位置との間で移動可能な空力スタビライザを設けることが記載されている。
特許文献２には、車体の側方における空気乱れの発生を抑制するため、ホイールハウスからの空気流の吹き出しを抑制するフィンを設けることが記載されている。
特許文献３には、車両ホイールのディスク部に、気流導引部及び気流補助部を前後に配列した複数のホイールブレードを設けて空気抵抗と騒音を防止することが記載されている。
特許文献４には、タイヤサイド部の温度低減を図るため、タイヤのサイドウォールから突出し車輪の径方向に沿って延在する乱流発生用突起を設けることが記載されている。
また、整流装置に気流を発生させるデバイスを設けることに関する従来技術として、例えば特許文献５には、車体下部に設けられるアンダーカバーの下面部に、車両後方側へ噴出する空気流を発生させるプラズマアクチュエータを設けることが記載されている。

特開２００７－２５３９２９号公報 特開２０１５－ ９７４９号公報 特開２０１４－２２７１６８号公報 国際公開ＷＯ２００８／１１４６６８ 特開２０１６－２２２１５２号公報

車両の走行時に自車両の前方側から床下側に流入する走行風が車輪（典型的には前輪）やその周辺の他部品に衝突すると、気流が剥離して乱れが生じ、特にタイヤの車幅方向内側へ剥離した流れは、タイヤの内側面に沿って進行した後、一部は車両の外側面側へ排出される。
このような車両外側面方向への剥離流れは、空気抵抗や操縦安定性が悪化する要因となる。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、走行風が車輪に衝突して生じる剥離流れを適切に整流する整流装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、車輪と、車体の下方及び外側方に開口するとともに前記車輪の一部を収容する空間部とを備える車両に設けられる整流装置であって、前記空間部において前記車輪に対して車両前方側に設けられ、前記車輪の車幅方向内側の面部に隣接する乱流境界層を形成する気流を噴出する気流噴出部を備えることを特徴とする整流装置である。
これによれば、車輪の車幅方向内側の面部（内側面）に隣接する乱流境界層を形成することにより、車輪や隣接する他部品に走行風が衝突して剥離した流れを、この乱流境界層に追従させて車両床下中央側の流れに合流させ、剥離した流れが車体の外側面側に排出されることを防止できる。
これにより、車両の空気抵抗を抑制するとともに操縦安定性を改善することができる。
特に前輪に整流装置を設けた場合には、剥離した流れが後輪及びその周辺部品に衝突することを抑制し、空気抵抗をさらに抑制するとともに、後輪周辺の空力騒音、空力振動を抑制することができる。

請求項２に係る発明は、前記気流噴出部は、前記車輪の転舵に応じて、前記気流の噴出方向を偏向させる気流偏向部を有することを特徴とする請求項１に記載の整流装置である。
これによれば、車輪の転舵（トー方向変位）により車輪と気流噴出部との位置関係が変化した場合であっても、車輪の内側面近傍に確実に乱流境界層を形成することができ、上述した効果を得ることができる。

請求項３に係る発明は、前記気流噴出部は、前記車輪に対し車両前方側に設けられた開口部から走行風を前記空間部内に導入するダクト部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の整流装置である。
これによれば、走行時に車体に対して相対的に前方側から後方側へ流れる気流である走行風の動圧を利用して、乱流境界層を形成する気流を効率よく発生させることができる。

請求項４に係る発明は、前記気流噴出部は、前記ダクト部に設けられ、前記ダクト部内を通過する気流を加速する気流加速部を有することを特徴とする請求項３に記載の整流装置である。
これによれば、ダクト部内を流れる気流（走行風）を気流加速部でさらに加速させることにより、乱流境界層の流速及び乱れを強め、上述した効果を促進することができる。

請求項５に係る発明は、前記気流加速部は、誘電体を挟んで配置された少なくとも一対の電極及び前記電極に電圧を印加する電源を有するプラズマアクチュエータを有することを特徴とする請求項４に記載の整流装置である。
これによれば、可動部分を持たないシンプルな構成により、応答性よく気流を発生させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、走行風が車輪に衝突して生じる剥離流れを適切に整流する整流装置を提供することである。

本発明を適用した整流装置の第１実施形態を有する車両の車体前部の模式的側面視図である。 図１のII－II部矢視模式的断面図である。 第１実施形態の整流装置に設けられる２極式のプラズマアクチュエータの模式的断面図である。 第１実施形態の整流装置におけるプラズマアクチュエータの制御システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の整流装置を有する車両において前輪がトーイン側にステアされた際のホイールハウス内の気流の流れを示す模式図である。 第１実施形態の整流装置を有する車両において前輪がトーアウト側にステアされた際のホイールハウス内の気流の流れを示す模式図である。 本発明を適用した整流装置の第２実施形態を有する車両のホイールハウス周辺部を示す模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明を適用した整流装置の第１実施形態について説明する。
第１実施形態の整流装置は、例えば、車室前方にエンジンルームが設けられる、いわゆる２ボックス又は３ボックスの車型を有する乗用車等の自動車（移動体）に設けられるものである。
図１は、第１実施形態の整流装置を有する車両の車体前部の模式的側面視図である。
車両１は、フロントシールド１０、フロントピラー２０、ルーフ３０、フロントドア４０、フード５０、フェンダ６０、バンパフェイス７０、フロントコンビネーションランプ８０、フラップ９０等を有して構成されている。

フロントシールド１０は、車室前部に設けられたウインドウガラスである。
フロントシールド１０は、ほぼ矩形状に形成されるとともに、上端部１１が下端部１２に対して車両後方側となるように後傾して配置されている。
フロントシールド１０の側端部１３は、フロントピラー２０に沿って配置されている。
フロントシールド１０は、車両前方側が凸となるように湾曲（ラウンド）して形成された２次曲面の合わせガラスである。

フロントピラー（Ａピラー）２０は、フロントシールド１０の側端部１３に沿って延在する車体構造部材である。
フロントピラー２０の後縁部は、フロントドア４０上部のフロントドアガラスの周囲に形成されたサッシュ部と隣接して配置されている。

ルーフ３０は、車室の上面部を構成するパネル状の部分である。
ルーフ３０は、フロントシールド１０の上端部から車両後方側へ延在している。
フロントドア４０は、車室前部の側面部に設けられた開閉扉である。
フロントドア４０は、前端部に設けられた図示しないヒンジ回りに揺動して開閉する。

フード５０は、エンジンルームの上部を覆って設けられる外装部材であって、開閉式の蓋状体として構成されている。
フード５０の後縁部５１は、フロントシールド１０の下端部１２の前方側に、車両前後方向に間隔を隔てて配置されている。
フード５０の側縁部５２は、フェンダ６０の上面部６１の車幅方向内側の端縁と、不可避的に設けられる隙間を介して隣接して配置されている。

フェンダ６０は、エンジンルームの側面部等を構成する車両の外装部材である。
フェンダ６０は、上面部６１、側面部６２等を有して構成されている。
上面部６１は、フード５０の側縁部５２の側端部と隣接する領域であって、フード５０の表面部を形成する曲面を車幅方向外側に延長した曲面にほぼ沿って形成されている。
側面部６２は、上面部６１の車幅方向外側の端部近傍から、下方へ延びて形成されている。
また、側面部６２には、前輪ＦＷが収容されるホイールハウスＨの開口６３が形成されている。

バンパフェイス７０は、車両前端部の下部に設けられる樹脂製の外装部材である。
バンパフェイス７０は、フェンダ６０における開口６３の前方側に設けられている。
バンパフェイス７０の内部には、車体前面部に設けられた開口から走行風を取り入れ、ホイールハウス内に導入するダクト７１が設けられている。
ダクト７１の詳細な構成は、後に詳しく説明する。
フロントコンビネーションランプ８０は、前照灯、車幅灯、ターンシグナル灯などの各種灯火装置を、共通のハウジング内に収容しユニット化したものである。
フロントコンビネーションランプ８０は、車両前端部においてフード５０の下方側であってバンパフェイス７０の上方側に配置されている。

フラップ９０は、車体下面における前輪ＦＷの前方側の領域から下方に突出した板状の部材である。
フラップ９０は、車両前方側から床下側に流入する走行風を左右に振り分けるよう整流し、前輪ＦＷへの衝突を抑制する機能を有する。

図２は、図１のII－II部矢視模式的断面図である。
ダクト７１は、車両の前後方向に沿って延在し、前端部はバンパフェイス７０の前面において車両前方側に開口している。
ダクト７１の後端部は、前輪ＦＷを収容するホイールハウスＨの車両前方の壁部（インナフェンダ）に開口している。
ダクト７１の後端部は、車幅方向における位置が、前輪ＦＷの車幅方向内側の面部（内側面）と隣接する箇所に配置されている。
ダクト７１の後端部は、後述するプラズマアクチュエータ１００ｏ，１００ｉと協働して、本発明の気流噴出部として機能する。
ダクト７１の後端部は、前輪ＦＷの内側面に対して車幅方向内側にオフセットされ、ダクト７１から後方へ噴出された気流が前輪ＦＷの内側面に沿って、渦を伴う乱流により構成された境界層である乱流境界層Ｔを形成可能とすることが好ましい。
乱流境界層Ｔは、比較的流速の大きい流れと、前輪ＦＷの内側面に近接した流速の小さい流れとが混合され、運動量交換が活発に行われることにより、層流境界層に対して剥離し難い特性を有する。

図２に示すように、ダクト７１には、例えば一対のプラズマアクチュエータ１００（１００ｏ，１００ｉ）が設けられている。
プラズマアクチュエータ１００（１００ｏ，１００ｉ）は、ダクト７１の後端部近傍において、車幅方向に相互に対向する一対の側壁部にそれぞれ設けられている。
プラズマアクチュエータ１００ｏは、ダクト７１における車幅方向外側の側壁部に設けられている。
プラズマアクチュエータ１００ｉは、ダクト７１における車幅方向内側の側壁部に設けられている。
プラズマアクチュエータ１００（１００ｏ，１００ｉ）は、車両後方側へ進行する気流Ｆ（Ｆｏ，Ｆｉ）を発生するとともに、その強度（流速、流量）を調節可能となっている。
プラズマアクチュエータ１００（１００ｏ，１００ｉ）は、本発明の気流偏向部、気流加速部として機能する。

図３は、第１実施形態の整流装置に設けられる２極式のプラズマアクチュエータの模式的断面図である。
２極式のプラズマアクチュエータ１００（１００ｏ，１００ｉ）は、誘電体１１０、上部電極１２０、下部電極１３０、絶縁体１４０等を有して構成されている。

誘電体１１０は、例えばポリテトラフルオロエチレンなどのフッ化炭素樹脂などからなるシート状の部材である。
上部電極１２０、下部電極１３０は、例えば銅などの金属薄膜からなる導電テープにより構成されている。
上部電極１２０は、誘電体１１０の表面側（車体等に取り付けた際、外部に露出する側）に貼付されている。
下部電極１３０は、誘電体１１０の裏面側に貼付されている。
上部電極１２０と下部電極１３０とは、誘電体１１０の面方向にオフセットして配置されている。
絶縁体１４０は、プラズマアクチュエータ１００の基部となるシート状の部材であって、誘電体１１０の裏面側に、下部電極１３０を覆って設けられている。

プラズマアクチュエータ１００の上部電極１２０と下部電極１３０に、電源ＰＳによって所定の波形を有する交流電圧を印加すると、電極間にプラズマ放電Ｐが発生する。
印加電圧は絶縁破壊が生じてプラズマ放電Ｐが発生する程度の高圧とする必要があり、例えば、１乃至１０ｋＶ程度とすることができる。
また、印加電圧の周波数は、例えば、１乃至１０ｋＨｚ程度とすることができる。
このとき、プラズマアクチュエータ１００の表面側の空気がプラズマ放電Ｐに誘引され、壁面噴流状の気流Ｆ（図２における気流Ｆｏ，Ｆｉ）が発生する。
また、プラズマアクチュエータ１００は、印加される交流電圧の波形を制御することにより、気流Ｆの方向を逆転することも可能となっている。

第１実施形態の整流装置は、上述したプラズマアクチュエータ１００（１００ｏ，１００ｉ）に駆動電力を供給して気流Ｆ（Ｆｏ，Ｆｉ）を発生させ、ホイールハウスＨ内の整流を行うため、以下説明する制御システムを備えている。
図４は、第１実施形態の整流装置におけるプラズマアクチュエータの制御システムの構成を示すブロック図である。
制御システムは、整流制御ユニット２００、車速センサ２１０、舵角センサ２２０等を備えている。
整流制御ユニット２００は、電源ＰＳを制御してプラズマアクチュエータ１００ｏ，１００ｉの作動、停止、及び、作動させる場合の強度（風量、風速）を制御するものである。
整流制御ユニット２００は、例えば、ＣＰＵ等の情報処理部、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶部、入出力インターフェイス、及び、これらを接続するバス等を有するマイコンとして構成されている。

車速センサ２１０は、車両１の走行速度を検出するものである。
車速センサ２１０は、前輪ＦＷ及び図示しない後輪を回転可能に支持するハブベアリングハウジングに設けられ、車輪の回転速度に応じた車速信号を出力する。
舵角センサ２２０は、前輪ＦＷの舵角を検出するものである。
舵角センサ２２０は、例えば、図示しない電動パワーステアリング装置の一部として設けられ、ステアリングホイールの回転をステアリングギアボックスに伝達するステアリングシャフトの角度位置を検出する角度エンコーダを有する構成とすることができる。

次に、第１実施形態の整流装置の動作について説明する。
図２は、車両が直進時（前輪ＦＷの舵角が中立時）の状態を示している。
この状態では、外側、内側のプラズマアクチュエータ１００ｏ，１００ｉは、発生する気流Ｆｏ，Ｆｉの強度（流速）を同等として、車両後方側へ噴出させる。
気流Ｆｏ，Ｆｉの強度は、車速の増加に応じて増加するよう制御される。
これにより、ダクト７１に進入した走行風Ｗは、気流Ｆｏ，Ｆｉによって加速された噴流としてホイールハウスＨの空間部Ｓ内に噴出し、前輪ＦＷの内側面に沿った乱流境界層Ｔを形成する。
これにより、車体下部においてフラップ９０、前輪ＦＷと衝突し剥離した気流は、乱流境界層Ｔに引き寄せられて追従し、車両床下中央側の流れに合流する。
このため、剥離した気流の車幅方向外側（車両外側面側）への流出、及び、後輪への衝突が抑制される。

また、プラズマアクチュエータ１００ｏ，１００ｉは、発生する気流Ｆｏ，Ｆｉの強度を相互に異ならせる（流速差を発生させる）ことによって、ダクト７１から噴出される気流の方向を水平面にほぼ沿って変化（揺動）させることができる。
図５、図６は、第１実施形態の整流装置を有する車両において前輪がトーイン側、トーアウト側にそれぞれステアされた際のホイールハウス内の気流の流れを示す模式図である。
図５においては、例えば、車両１の左側の前輪ＦＷがトーイン側（右側）へステアされた状態を示している。
この場合、整流制御ユニット２００は、外側のプラズマアクチュエータ１００ｏが発生する気流Ｆｏの強度を、内側のプラズマアクチュエータ１００ｉが発生する気流Ｆｉに対して大きくする。
気流Ｆｏ，Ｆｉの速度差により、気流Ｆｏ，Ｆｉが合成されてホイールハウスＨの空間部Ｓ内に噴出する気流は、車幅方向内側に偏向される。
これにより、前輪ＦＷの前端部が車幅方向内側に変位した状態であっても、前輪ＦＷの内側面に沿って適切に乱流境界層Ｔを形成することができる。

図６においては、例えば、車輪１の左側の前輪ＦＷがトーアウト側（左側）へステアされた状態を示している。
この場合、整流制御ユニット２００は、内側のプラズマアクチュエータ１００ｉが発生する気流Ｆｉの強度を、内側のプラズマアクチュエータ１００ｏが発生する気流Ｆｏに対して大きくする。
気流Ｆｏ，Ｆｉの速度差により、気流Ｆｏ，Ｆｉが合成されてホイールハウスＨの空間部Ｓ内に噴出する気流は、車幅方向外側に偏向される。
これにより、前輪ＦＷの前端部が車幅方向外側に変位した状態であっても、前輪ＦＷの内側面に沿って適切に乱流境界層Ｔを形成することができる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）ダクト７１及びプラズマアクチュエータ１００（１００ｏ，１００ｉ）を用い、前輪ＦＷの車幅方向内側の面部（内側面）に隣接する乱流境界層Ｔを形成することにより、前輪ＦＷやフラップ９０等の隣接する他部品に走行風Ｗが衝突して剥離した流れを、この乱流境界層Ｔに追従させて車両床下中央側の流れに合流させ、剥離した流れがフェンダ６０の側面部６２側に排出されることを防止できる。
これにより、車両１の空気抵抗を抑制するとともに操縦安定性を改善することができる。
また、剥離した流れが後輪及びその周辺部品に衝突することを防止し、これによっても車両の空気抵抗を抑制し、さらに後輪周辺での空力騒音、空力振動を抑制することができる。
（２）プラズマアクチュエータ１００ｏ，１００ｉが発生する気流Ｆｏ，Ｆｉの速度差を利用し、前輪ＦＷの転舵に応じて気流を偏向させることにより、前輪ＦＷの転舵（トー方向変位）により、前輪ＦＷとダクト７１の出口部との位置関係が変化した場合であっても、前輪ＦＷの内側面近傍に確実に乱流境界層Ｔを形成することができ、上述した効果を得ることができる。
（３）バンパフェイス７０の前部の開口からホイールハウスＨの空間部Ｓ内に走行風Ｗを導入するダクト７１を設けることにより、走行風Ｗの動圧を利用して、乱流境界層Ｔを形成する気流を効率よく発生させることができる。
（４）ダクト７１内を流れる気流（走行風）を気流加速部でさらに加速させることにより、乱流境界層の流速及び乱れを強め、上述した効果を促進することができる。
（５）走行風Ｗを加速、偏向する気流Ｆｏ，Ｆｉを、プラズマアクチュエータ１００ｏ，１００ｉを用いて発生させることにより、可動部分を持たないシンプルな構成により、応答性よく気流Ｆｏ，Ｆｉを発生させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用した整流装置の第２実施形態について説明する。
第２実施形態において、上述した第１実施形態と共通する箇所には同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図７は、第２実施形態の整流装置を有する車両のホイールハウス周辺部を示す模式図（第１実施形態の図２に相当する図）である。
第２実施形態の整流装置は、ダクト７１の出口部分に、ダクト７１から噴出される気流の風向を偏向させる可動ルーバ３００を備えている。
可動ルーバ３００は、例えば、車両１の直進状態において鉛直方向及び車両前後方向にほぼ沿った平板状のフラップとして形成されている。
可動ルーバ３００は、前端部に設けられかつ鉛直方向に延在する回転軸３０１回りに、図示しないアクチュエータにより回転（揺動）駆動される。
可動ルーバ３００は、前輪ＦＷの内側面に沿って乱流境界層Ｔが形成されるよう、舵角センサ２２０が検出する前輪ＦＷの舵角に応じて回動する。
以上説明した第２実施形態によれば、ダクト７１からホイールハウスＨ内に噴出される気流の方向制御性を高めることにより、転舵状態における整流効果をより確実に得ることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）車両及び整流装置の構成は、上述した実施形態に限定されず、適宜変更することが可能である。
（２）実施形態におけるプラズマアクチュエータの配置、個数は一例であって、適宜変更することができる。
（３）実施形態では、プラズマアクチュエータを用いて乱流境界層を形成する気流を発生させているが、プラズマアクチュエータ以外の手法により気流を発生させてもよい。
例えば、ブロワファン等の他の気流発生手段を用いてもよい。
また、プラズマアクチュエータの構成も、実施形態のものに限定されず、適宜変更することができる。
例えば、実施形態では２極式のプラズマアクチュエータとしたが、複数の電極対を配列した３極式のプラズマアクチュエータとしてもよい。
さらに、気流を偏向させる手段も特に限定されない。
（４）実施形態では、プラズマアクチュエータの電極間に交流電圧を印加しているが、これに代えて、直流電圧を印加する構成としてもよい。例えば、直流電圧を所定の周波数でパルス状に印加してもよい。また、直流電圧を印加する場合には、気流の発生方向を制御するため、極性をスイッチング可能とすることができる。
また、３極式のプラズマアクチュエータを用いる場合は、両方の電極対に交流電圧を印加する構成、両方の電極対に直流電圧を印加する構成、一方の電極対に交流電圧を印加しかつ他方の電極対に直流電圧を印加する構成としてもよい。

１ 車両 １０ フロントシールド
１１ 上端部 １２ 下端部
１３ 側端部 ２０ フロントピラー
３０ ルーフ ４０ フロントドア
５０ フード ５１ 後縁部
５２ 側縁部 ６０ フェンダ
６１ 上面部 ６２ 側面部
６３ 開口 ７０ バンパフェイス
７１ ダクト
８０ フロントコンビネーションランプ
９０ フラップ ＦＷ 前輪
１００（１００ｏ，１００ｉ） プラズマアクチュエータ
１１０ 誘電体 １２０ 上部電極
１３０ 下部電極 １４０ 絶縁体
ＰＳ 電源 Ｐ プラズマ放電
Ｆ（Ｆｏ，Ｆｉ） 気流 Ｗ 走行風
２００ 整流制御ユニット ２１０ 車速センサ
２２０ 舵角センサ
３００ 可動ルーバ ３０１ 回転軸
Ｈ ホイールハウス Ｓ 空間部
Ｔ 乱流境界層

Claims (5)

1. 車輪と、
   車体の下方及び外側方に開口するとともに前記車輪の一部を収容する空間部と
   を備える車両に設けられる整流装置であって、
   前記空間部において前記車輪に対して車両前方側に設けられ、前記車輪の車幅方向内側の面部に隣接する乱流境界層を形成する気流を噴出する気流噴出部を備えること
   を特徴とする整流装置。
2. 前記気流噴出部は、前記車輪の転舵に応じて、前記気流の噴出方向を偏向させる気流偏向部を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の整流装置。
3. 前記気流噴出部は、前記車輪に対し車両前方側に設けられた開口部から走行風を前記空間部内に導入するダクト部を有すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の整流装置。
4. 前記気流噴出部は、前記ダクト部に設けられ、前記ダクト部内を通過する気流を加速する気流加速部を有すること
   を特徴とする請求項３に記載の整流装置。
5. 前記気流加速部は、誘電体を挟んで配置された少なくとも一対の電極及び前記電極に電圧を印加する電源を有するプラズマアクチュエータを有すること
   を特徴とする請求項４に記載の整流装置。

Images