JP5869969B2

JP5869969B2 - 車両の空気抵抗低減装置

Info

Publication number: JP5869969B2
Application number: JP2012127366A
Authority: JP
Inventors: 星野　元亮; 元亮星野; 誠和谷中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-06-04
Also published as: JP2013249041A; EP2671784B1; EP2671784A1

Description

この発明は車両の空気抵抗低減装置に関し、より具体的にはシンセティック・ジェット・アクチュエータを用いて車体に沿って流れる空気の流れを制御して車両の空気抵抗を低減させるようにした装置に関する。

シンセティック・ジェット・アクチュエータを用いて車体に沿って流れる空気の流れを制御して車両の空気抵抗を低減させるようにした装置の例としては、例えば特許文献１記載の技術を挙げることができる。その技術においては閉空間に配置される振動板（振動膜）に接続される加振部を周期的に駆動して振動板を振動させ、閉空間に穿設された開孔から空気を噴出・吸引させるシンセティック・ジェット・アクチュエータを車体の下部に取り付け、車体壁面に生成される境界層の剥離点を下流側に移動して車体に作用する空気抵抗を低減させるように構成している。

より具体的には、特許文献１記載の技術は、シンセティック・ジェット・アクチュエータの開孔から噴出される空気の噴出方向が、車体に沿って流れる空気の流れ方向に対して垂直となるようにアクチュエータの開孔を位置させるように構成している。

特開平９−１１８２７０号公報

特許文献１記載の技術は上記のようにアクチュエータの開孔からの空気の噴出方向が車体に沿って流れる空気の流れ方向に対して垂直となるように構成しているが、発明者達が知見した限り、空気の流れ方向に垂直に噴出させても空気抵抗低減効果は見られなかった。また、車体のような鈍体形状の物体の空気抵抗を低減するには、剥離点を下流側に移動するだけでは十分ではなく、車体の後流の変動を抑制する必要があることも判明した。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、シンセティック・ジェット・アクチュエータを用いて車体に沿って流れる空気の流れ（車体壁面に生成される境界層）を制御すると共に、車体の後流の変動を抑制して車体に作用する空気抵抗を低減させるようにした車両の空気抵抗低減装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、閉空間に配置される振動板に接続される加振部を周期的に駆動して前記振動板を振動させ、前記閉空間に穿設された開孔から空気を噴出・吸引させるシンセティック・ジェット・アクチュエータを車体に取り付け、車両が走行するときの空気抵抗を低減させるようにした車両の空気抵抗低減装置において、前記アクチュエータの開孔から噴出される空気の噴出方向が前記車体に沿って流れる空気の流れ方向と平行となるように前記アクチュエータの開孔を位置させると共に、少なくとも前記車両の走行速度に基づいて前記加振部の駆動周波数を決定する駆動周波数決定手段と、前記決定された駆動周波数に基づいて前記加振部を駆動する加振部駆動手段とを備えると共に、前記アクチュエータの開孔が、前記車両の後部において前記車体壁面に生成される境界層の剥離点の付近に位置させられる如く構成した。

請求項２に係る車両の空気抵抗低減装置にあっては、前記駆動周波数決定手段は、前記車両の走行速度に応じて予め設定された前記駆動周波数の特性を検索して前記加振部の駆動周波数を決定する如く構成した。

請求項３に係る車両の空気抵抗低減装置にあっては、前記駆動周波数の特性は、前記車両の走行速度と前記車体に作用する空気抵抗に基づいて予め設定される如く構成した。

請求項１に係る車両の空気抵抗低減装置にあっては、シンセティック・ジェット・アクチュエータの開孔から噴出される空気の噴出方向が車体に沿って流れる空気の流れ方向と平行となるようにアクチュエータの開孔を位置させるように構成したので、車両が走行するときに車体壁面に生成される境界層の剥離点を下流側に効果的に移動することができると共に、車体後部に形成される後流の変動を抑制することができ、よって車体に作用する空気抵抗を低減させることができる。

図９（ａ）は、引用文献１記載の技術の如く、シンセティック・ジェット・アクチュエータの開孔から噴出される空気の噴出方向が車体に沿って流れる空気の流れ方向に対して垂直となるようにアクチュエータの開孔を位置させた場合の構成（ＳＪ−垂直）、（ｂ）は、この発明の実施例に示すように、アクチュエータの開孔から噴出される空気の噴出方向が車体に沿って流れる空気の流れ方向と平行となるようにアクチュエータの開孔を位置させた場合の構成（ＳＪ−平行）を模式的に示す説明図である。また、同図（ｃ）はこれらの構成とシンセティック・ジェット・アクチュエータを利用した空気の噴出がない場合とを数値解析によってそれぞれ比較した結果をまとめたデータを示すものである。尚、（ｃ）に示すデータはシンセティック・ジェット・アクチュエータの加振部を駆動周波数８０Ｈｚで振動させた場合を示す。

図９（ｃ）から、図９（ａ）に示す引用文献１記載の技術においては、シンセティック・ジェット・アクチュエータを利用した空気の噴出がない場合と比べて車体に作用する空気抵抗の低減効果が見られないのに対し、図９（ｂ）に示すこの発明の実施例にあっては、空気の噴出がない場合に比べて空気抵抗を１０パーセント低減できたことを確認することができる。

また、少なくとも車両の走行速度に基づいて加振部の駆動周波数を決定して加振部を駆動するようにしたので、図３から図６を参照に後述する如く、車体の後流の変動を抑制して車体に作用する空気抵抗を一層効果的に低減させることができる。また、アクチュエータの開孔が、前記車両の後部において車体壁面に生成される境界層の剥離点の付近に位置させられる如く構成したので、境界層に効果的に空気を噴出することができ、換言すれば効果的にエネルギを供給することができるため、剥離点を下流側に一層効果的に移動することができる。

請求項２に係る車両の空気抵抗低減装置にあっては、車両の走行速度に応じて予め設定された駆動周波数の特性を検索して加振部の駆動周波数を決定する如く構成したので、上記した効果に加え、駆動周波数を簡易かつ的確に決定することができる。

請求項３に係る車両の空気抵抗低減装置にあっては、駆動周波数の特性は、車両の走行速度と車体に作用する空気抵抗（背面圧力）に基づいて予め設定される如く構成したので、上記した効果に加え、駆動周波数を一層簡易かつ的確に決定することができる。

この発明の実施例に係る車両の空気抵抗低減装置を全体的に示す概略図である。図１の装置の効果を確認するための試験機の説明図である。図２に示す試験機のスピーカ加振部の駆動周波数と背面圧力係数の関係を風速３０ｍ／ｓでの計測した結果を示すデータ図である。図１の装置の効果を数値解析した結果を示す説明図である。図３に示す、駆動周波数３５０Ｈｚのときの背面圧力係数Ｃｐを測定高さごとに示す説明図である。図３に示す、駆動周波数２５０Ｈｚのときの背面圧力係数Ｃｐを測定高さごとに示す説明図である。図１の制御部の動作を示す説明図である。図１の装置の効果を示す説明図である。シンセティック・ジェット・アクチュエータの開孔の構成などの説明図である。

以下、添付図面に即してこの発明に係る車両の空気抵抗低減装置を実施するための形態について説明する。

図１はこの発明に係る車両の空気抵抗低減装置を全体的に示す概略図である。

図１において符号１０はその装置を示し、装置１０は、車両１２の車体１２ａに取り付けられるシンセティック・ジェット・アクチュエータ（Synthetic Jet Actuator。以下「ＳＪアクチュエータ」と略称する）１６を備える。

車両１２は図示のようなハッチバック型の乗用車からなり、車体１２ａの前部にはエンジン（内燃機関）、電動モータ、あるいはそのハイブリッドのいずれかからなる原動機（図示せず）が搭載され、原動機の駆動力で駆動輪１４を駆動して走行する。車体１２ａの後部のトランクルーム（図示せず）の内部にはＳＪアクチュエータ１６が取り付けられる。

図１ではＳＪアクチュエータ１６を模式断面図で示す。ＳＪアクチュエータ１６はケース１６ａを備え、ケース１６ａは上面と、底面と、前面と、車幅方向の両側面と、後面からなるボックス状を呈する。ケース１６ａは、車幅方向の長さ１００ｃｍ、重力方向の高さ２５ｃｍ、車長方向の長さ２０ｃｍ程度の大きさを有する。

ケース１６ａの前面には車幅方向に４個のスピーカ（１個のみ図示）１６ｂが配列されると共に、ケース１６ａの内部には１個の閉空間１６ｃが形成される。スピーカ１６ｂは、コーン状の振動板（振動膜）１６ｂ１と、それに接続されるマグネットなどから構成される加振部（磁気回路部）１６ｂ２とからなる公知の構造を備える。

ケース１６ａの後面にはスピーカ１６ｂの個数に対応して４個（１個のみ図示）の径１ｍｍの開孔１６ａ１が穿設される。図示の如く、ＳＪアクチュエータ１６においてケース１６ａに穿設される開孔１６ａ１は、その開孔１６ａ１から噴出される空気の噴出方向Ａが、車両１２が走行するときに車体１２ａに沿って流れる空気の流れ方向Ｂと平行となるように位置させられると共に、空気の流れＣによって車体１２ａの壁面に生成される境界層の剥離点（図８で後述）付近に位置させられる。尚、剥離点の位置は車体１２ａの形状と想定される車両１２の走行速度に応じ、実験によって予め適宜推定（測定）される。また、便宜のため図１で開孔１６ａ１の径を誇張して示した。

車両１２の運転席付近などの適宜箇所にはＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏなどからなるマイクロコンピュータを備えたＥＣＵ（Electronic Control Unit。電子制御ユニット）２０が配置される。ＥＣＵ２０は、図１の下部に示す如く、速度情報生成部２０ａと制御部２０ｂとして機能する。

駆動輪１４のドライブシャフト（図示せず）の付近には速度センサ２２が配置され、ドライブシャフトが所定角度回転する度にパルス信号をＥＣＵ２０の速度情報生成部２０ａに出力する。速度情報生成部２０ａでは出力パルスの時間間隔を計測して車両１２の走行速度を示す速度信号を生成して制御部２０ｂに出力する。

制御部２０ｂは、相関情報参照部２０ｂ１と駆動周波数決定部２０ｂ２と加振部駆動部２０ｂ３を備え、相関情報参照部２０ｂ１と駆動周波数決定部２０ｂ２において車両１２の走行速度に基づいてスピーカ１６ｂの加振部１６ｂ２の駆動周波数を決定し、加振部駆動部２０ｂ３において決定された駆動周波数に基づいて（決定された駆動周波数で）加振部１６ｂ２を駆動する。加振部駆動部２０ｂ３は増幅器を備える。

上記について図２を参照して説明する。

図２は図１の装置１０の効果を確認するために行った試験機１００の説明図である。試験機１００は、車両１２の車体１２ａを１／１０程度の縮尺でモデル化した車体モデルからなり、風洞１０２の内部に配置され、矢印Ｄで示す方向から空気を送風される。尚、試験機１００ではケース１０４の開孔１０４１は、開孔１０４１から噴出される空気の噴出方向が試験機１００に沿って流れる空気の流れ方向Ｄと平行となるようにＳ字状に形成される。

発明者達は図２に示す試験機１００を用いて鋭意試験を重ねた結果、図９を参照して最初に述べた如く、特許文献１記載の技術のようにＳＪアクチュエータの開孔からの空気の噴出方向が車体に沿って流れる空気の流れ方向に対して垂直となるように構成しても空気抵抗低減効果は見られないこと、また図１に示す車体１２ａのような鈍体形状の物体の空気抵抗を低減するには剥離点を下流側に移動するだけでは十分ではなく、車体１２ａの後流の変動を抑制するように空気の流れＣを制御する必要があることが判明した。

従って、この実施例は、図１に示す如く、ＳＪアクチュエータ１６を用いて車体１２ａに沿って流れる空気の流れＣ（車体壁面に生成される境界層）を制御して剥離点を下流側に移動させると共に、車体１２ａの後流の変動を抑制して車体１２ａに作用する空気抵抗を低減させるようにした車両の空気抵抗低減装置１０を提供することを目的とする。

車体１２ａの空気抵抗の低減、即ち、背面圧力（車体１２ａの下流の空気の圧力）の増加について説明すると、スピーカ１６ｂの加振部１６ｂ２の駆動周波数と車体１２ａの後流の変動の関係を明らかにするため、図２に示す試験機１００を用いて周波数をパラメータとして背面圧力を計測した。図３に風速３０ｍ／ｓ（時速１０８ｋｍ／ｈ相当）のときの計測結果を示す。尚、図３においてＣｐは計測した背面圧力を風洞１０２に送風される空気の入口動圧で除して無次元化した値（背面圧力係数）を示し、地面から７５ｍｍの高さでの計測値である。

図３でしきい値αはこの実施例に係る空気抵抗低減制御を行わないときの値を示す。図３から明らかな如く、駆動周波数が低い領域では背面圧力（背面圧力係数Ｃｐ）が低下、換言すれば空気抵抗が増加するが、駆動周波数を上げるにつれて背面圧力が上昇、換言すれば空気抵抗が減少することが分かる。

即ち、駆動周波数が１５０−４００Ｈｚの範囲で背面圧力係数Ｃｐはしきい値αを超えて上昇すると共に、３００−３５０Ｈｚで最大（最良）となる。例えば、図２に示す試験機１００において加振部１６ｂ２を周波数２５０Ｈｚで駆動した場合、図４に示す如く、空気抵抗を１２パーセント低減できることを確認できた。図示の特性はＥＣＵ２０において速度信号ごとにＲＯＭ内にテーブル値として格納される。

図５は駆動周波数３５０Ｈｚのときの背面圧力係数Ｃｐを測定高さごとに示す説明図である。図中、実線が加振部１６ｂ２を４．０Ｗ、破線が加振部１６ｂ２を３．８Ｗで駆動した場合である。線βはこの実施例に係る空気抵抗低減制御を行わないときの値を示す。図６は同様に、加振部１６ｂ２を駆動周波数２５０Ｈｚで１２．８Ｗで駆動したときの背面圧力係数Ｃｐを測定高さごとに示す説明図である。また、図７はこの実施例に係る制御部２０ｂの動作を示す説明図である。

上記を前提にして図１の説明に戻ると、相関情報参照部２０ｂ１においては速度信号が例えば３０ｍ／ｓ（１０８ｋｍ／ｈ）を示すとき、その速度に対応する図７に示す特性Ｆを参照し（ＲＯＭから速度情報テーブルを選択（検索）し）、駆動周波数決定部２０ｂ２において特性Ｆの背面圧力係数Ｃｐがしきい値α（所定圧力）以上のときの１５０−４００Ｈｚの中の任意の値、より具体的には図７に示す特性Ｆにおいて最良の駆動周波数である３００−３５０Ｈｚの中の任意の値を選択し、それを加振部１６ｂ２の駆動周波数として決定する。

尚、上記において図７に示す特性Ｆは速度信号が３０ｍ／ｓ（１０８ｋｍ／ｈ）のときの値を示すが、他の速度についても同様に特性Ｆが設定されてＥＣＵ２０のＲＯＭに検索（参照）可能に格納される。

図８は、この発明の実施例に係る空気抵抗低減装置を用いた場合の効果を示す説明図である。図中、実線がアクチュエータを用いて車体に沿って流れる空気の流れ方向と平行となるように空気を噴出した場合（ＳＪ−平行）の流線（空気の流れ）とそのときの剥離点、破線がアクチュエータを利用した空気の噴出がない場合の流線とそのときの剥離点を示す。同図に示す如く、この発明の実施例に係る空気抵抗低減装置を用いてアクチュエータの開孔１６ａ１から空気を噴出することにより、車体壁面に生成される境界層の剥離点を下流側に効果的に移動することができる。

上記した如く、この実施例にあっては、閉空間１６ｃに配置される振動板１６ｂ１に接続される加振部１６ｂ２を周期的に駆動して前記振動板を振動させ、前記閉空間に穿設された開孔１６ａ１から空気を噴出・吸引させるＳＪアクチュエータ（シンセティック・ジェット・アクチュエータ）１６を車体１２ａに取り付け、車両１２が走行するときの空気抵抗を低減させるようにした車両の空気抵抗低減装置１０において、前記アクチュエータ１６の開孔１６ａ１から噴出される空気の噴出方向Ａが前記車体に沿って流れる空気の流れ方向Ｂと平行となるように前記アクチュエータ１６の開孔１６ａ１を位置させると共に、少なくとも前記車両１２の走行速度（より具体的には、走行速度と背面圧力係数Ｃｐ）に基づいて前記加振部１６ｂ２の駆動周波数を決定する駆動周波数決定手段（相関情報参照部２０ｂ１、駆動周波数決定部２０ｂ２）と、前記決定された駆動周波数に基づいて前記加振部１６ｂ２を駆動する加振部駆動手段（加振部駆動部２０ｂ３）とを備えると共に、前記アクチュエータ１６の開孔１６ａ１が、前記車両１２の後部において前記車体１２ａの壁面に生成される境界層の剥離点の付近に位置させられる如く構成したので、車両１２が走行するときに車体１２ａの壁面に生成される境界層の剥離点を下流側に効果的に移動することができると共に、車体１２ａの後部に形成される後流の変動を抑制することができ、よって車体１２ａに作用する空気抵抗を低減させることができる。

即ち、図９はそれを示す説明図であるが、図９（ｃ）から、図９（ａ）に示す引用文献１記載の技術においては、車体１２に作用する空気抵抗の低減効果が見られないのに対し、図９（ｂ）に示すこの実施例に係る空気抵抗低減装置１０にあっては、加振部１６ｂ２を駆動周波数８０Ｈｚで振動させた場合、空気の噴出がない場合に比べて空気抵抗を１０パーセント低減できたことを確認することができる。

また、それに加え、車両１２の走行速度に基づいて加振部１６ｂ２の駆動周波数を決定して加振部１６ｂ２を駆動するようにしたので、図３から図６に示す如く、車体１２ａの後流の変動を抑制して車体１２ａに作用する空気抵抗を一層効果的に低減させることができる。また、前記アクチュエータ１６の開孔１６ａ１が、前記車両１２の後部において前記車体１２ａの壁面に生成される境界層の剥離点の付近に位置させられる如く構成したので、境界層に効果的に空気を噴出することができる、換言すれば効果的にエネルギを供給することができるため剥離点を下流側に一層効果的に移動することができる。

また、前記駆動周波数決定手段は、前記車両１２の走行速度に応じて予め設定された、前記駆動周波数の特性（図７のＦ）を検索して前記加振部１６ｂ２の駆動周波数を決定する如く構成したので、上記した効果に加え、駆動周波数を簡易かつ的確に決定することができる。

また、前記駆動周波数の特性（図７のＦ）は、前記車両１２の走行速度と前記車体１２ａに作用する空気抵抗（より具体的には背面圧力係数Ｃｐ）に基づいて予め設定される如く構成したので、上記した効果に加え、駆動周波数を一層簡易かつ的確に決定することができる。

尚、上記においてＳＪアクチュエータの振動板（振動膜）としてスピーカの振動板を利用したが、圧電振動板（振動膜）であっても良い。

また、車両１２としてハッチバック型の乗用車を例にして説明したが、車両の形状はこれに限らず、例えばセダン型やミニバン型の乗用車などであっても良い。

また、ケース１６ａの大きさやスピーカ１６ｂの個数など、ＳＪアクチュエータ１６の構成を具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではない。

１０車両の空気抵抗低減装置、１２車両、１２ａ車体、１４駆動輪、１６ＳＪアクチュエータ（シンセティック・ジェット・アクチュエータ）、１６ａケース、１６ａ１開孔、１６ｂスピーカ、１６ｂ１振動板、１６ｂ２加振部（磁気回路部）、１６ｃ閉空間、２０ＥＣＵ（電子制御ユニット）、２０ａ速度情報生成部、２０ｂ制御部、２０ｂ１相関情報参照部（駆動周波数決定手段）、２０ｂ２駆動周波数決定部（駆動周波数決定手段）、２０ｂ３加振駆動部（加振駆動手段）、２２速度センサ

Claims

閉空間に配置される振動板に接続される加振部を周期的に駆動して前記振動板を振動させ、前記閉空間に穿設された開孔から空気を噴出・吸引させるシンセティック・ジェット・アクチュエータを車体に取り付け、車両が走行するときの空気抵抗を低減させるようにした車両の空気抵抗低減装置において、前記アクチュエータの開孔から噴出される空気の噴出方向が前記車体に沿って流れる空気の流れ方向と平行となるように前記アクチュエータの開孔を位置させると共に、少なくとも前記車両の走行速度に基づいて前記加振部の駆動周波数を決定する駆動周波数決定手段と、前記決定された駆動周波数に基づいて前記加振部を駆動する加振部駆動手段とを備えると共に、前記アクチュエータの開孔が、前記車両の後部において前記車体壁面に生成される境界層の剥離点の付近に位置させられることを特徴とする車両の空気抵抗低減装置。
前記駆動周波数決定手段は、前記車両の走行速度に応じて予め設定された前記駆動周波数の特性を検索して前記加振部の駆動周波数を決定することを特徴とする請求項１記載の車両の空気抵抗低減装置。
前記駆動周波数の特性は、前記車両の走行速度と前記車体に作用する空気抵抗に基づいて予め設定されることを特徴とする請求項２記載の空気抵抗低減装置。