JP6958622B2

JP6958622B2 - 移動体

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Publication number: JP6958622B2
Application number: JP2019536361A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　裕一; 柳澤　政成
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: JPWO2019035159A1; WO2019035159A1

Description

本発明は、外部へ向けて流体を放出する手段を備える移動体に関する。

従来から、車両のエンジン及びエンジンルーム内を必要時にエアで冷却するエンジンなどの冷却装置が知られている（特許文献１）。エンジンルーム内が一定温度以上になると、エンジンルーム内からのエアが、エンジンの車室側端部上方の隙間から車外へ流出する。

特開昭５７−４８１２３号公報

一方、本発明の発明者等は、移動体の空気抵抗を低減する為に、移動体の近傍の空気の流速が遅くなる領域（境界層）の外側の領域（主流）の空気密度を下げることが有効であるという知見を得た。

しかし、特許文献１では、エンジンの車室側端部上方の隙間から、エンジンルーム内のエアを放出するため、移動体の周囲の主流の内、限られた狭い範囲の主流の空気密度を下げることしかできない。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、移動体の周囲の主流の空気密度を低下させて移動体の空気抵抗を低減することである。

本発明の一態様に係わる移動体は、移動体の進行方向前方の移動体の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて空気密度が低い流体を移動体の外へ向けて放出する。

本発明の一態様によれば、移動体の周囲の主流の空気密度を低下させて移動体の空気抵抗を低減することができる。

図１は、走行中の自動車１の周りに発生する自動車１の表面に沿った空気の流れを示す模式図、及び流体の圧力係数Ｃｐを示すグラフである。図２は、自動車１のフロントバンパ４のバンパフェイシアを示す断面図である。図３は、フロントバンパ４のバンパフェイシア上に形成されたダクト５を示す斜視図である。図４は、エンジン８の排気ガスをダクト５から放出する実施例を示す模式図である。図５は、図１の領域Ｘｅを拡大して表示する拡大断面図である。図６Ａは、空気の温度と空気密度との関係を示すグラフである。図６Ｂは、空気の分子量と空気の密度との関係を示すグラフである。図６Ｃは、空気中の水蒸気分圧と空気の密度との関係を示すグラフである。図７は、外気よりも高温の流体を生成する装置の例を示す模式図である。図８は、外気よりも水蒸気の分圧が高い流体を生成する装置の例を示す模式図である。図９は、エンジン８からの排気ガスの放出流量を変化させる流量制御弁６６を示す模式図である。図１０Ａは、移動速度に基づいてブロワー３２のエア放出量を制御する３つの制御パターン５２ａ、５２ｂ、５２ｃを示すグラフである。図１０Ｂは、流体の温度に基づいてブロワー３２のエア放出量を制御する３つの制御パターン５３ａ、５３ｂ、５３ｃを示すグラフである。図１０Ｃは、流体の温度又は自動車１の移動速度に基づいてブロワー３２のエア放出量を制御する制御システムの例を示すブロック図である。図１１Ａは、流体の放出流量に応じてラジエータシャッター３６の開閉状態を制御する制御システムの例を示すブロック図である。図１１Ｂは、ラジエータシャッター３６が閉じた状態を示す模式図である。図１１Ｃは、図１１Ａの制御システムにおける制御手順の一例を示すフローチャートである。図１１Ｄは、流体の流量に基づいてラジエータシャッター３６の開度を制御する制御パターン５４ａ、５４ｂ、５４ｃを示すグラフである。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。以下では、移動体が自動車である場合を挙げて説明する。

＜走行中の自動車１の周りの空気の流れ＞
図１に示すように、自動車１の静止系で見たとき、走行中の自動車１の周りには、自動車１の表面に沿った空気の流れが発生する。図５は、図１の領域Ｘｅを拡大して表示する。自動車１の表面２０Ｆ近傍では、空気と車体２０の表面２０Ｆとの間に生じる粘性摩擦によって空気の流れは遅くなっており、境界層４１が形成されている。境界層４１では、車体２０の表面２０Ｆから離れるほど空気の速度は大きくなり、空気の速度は、空気に対する自動車１の相対速度に近づいていく。

車体２０の表面２０Ｆから離れて境界４２よりも外側の外部領域４３では、もはや空気と車体２０の表面２０Ｆとの間に生じる粘性摩擦の影響はなくなっており、空気の速度は、空気に対する自動車の相対速度にほぼ等しくなっている。外部領域４３における空気の流れを主流２と呼ぶ。

図１に戻り、自動車１は、自動車１の進行方向前方の自動車１の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて空気密度が低い流体を自動車１の外へ向けて放出する流体放出装置を備える。図１の上部の断面図に示すように、流体放出位置は、例えば、自動車１の進行方向前方のよどみ点３である。よどみ点３は、図１の下部のグラフに示すように、流体の圧力が最大となる点であるため、よどみ点３から放出された流体は、主流２として、自動車１の表面全体へ流れる。よって、広い範囲の主流２の空気密度を低下させることができる。また、よどみ点３からの湧き出しは、一様流の流線を乱しにくく最も影響が小さい。よって、流体は自動車１の表面全体へ流れるため、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。図１の下部のグラフの横軸は、自動車１の進行方向の位置を示し、縦軸は、圧力係数Ｃｐを示す。

実施形態において、流体放出位置はよどみ点３に限らない。この他にも、例えば、図２に示すように、自動車１のフロントバンパ４のバンパフェイシアに、流体放出位置を定めることもできる。つまり、流体放出装置は、自動車１のフロントバンパ４のバンパフェイシア上に定めた流体放出位置から、外気に比べて空気密度が低い流体を自動車１の外へ向けて放出してもよい。詳細には、フロントバンパ４の上端４ａから下端４ｂの間において、流体放出位置を任意に定めることができる。

なお、図１のよどみ点３が、フロントバンパ４のバンパフェイシア上に位置するか否かにかかわらず、フロントバンパ４のバンパフェイシアに、流体放出位置を定めることができる。フロントバンパ４のバンパフェイシアから放出される流体は、主流２として、自動車１の表面の広い範囲へ流れる。よって、広い範囲の主流２の空気密度を低下させることができる。

＜流体放出装置の具体的な構成例＞
次に、流体放出装置の具体的な構成例を説明する。流体放出装置は、流体放出位置に形成された流体放出孔を備える。流体放出装置は、流体放出孔として、図３に示すように、フロントバンパ４のバンパフェイシア上に形成されたダクト５を備える。流体放出装置は、外気に比べて空気密度が低い流体をダクト５から放出する。流体放出装置は、その一端がダクト５に接続された配管７を備える。配管７の他端は、例えば、図４に示すように、自動車１の駆動源の一例であるエンジン８の排気口に接続されている。エンジン８から排出される排気ガスは配管７を通り、ダクト５から自動車１の外へ放出される。即ち、流体放出装置は、外気に比べて空気密度が低い流体の一例として、エンジン８から排出される排気ガスを放出する。

エンジン８から排出される排気ガスは、大気よりも水蒸気を多く含み、且つ大気よりも高温である。このため、主流２の空気の分子量が下がり、且つ主流２の温度が上昇する。よって、主流２の空気密度が低下するので、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。

なお、自動車１の駆動源には、エンジン８のみならず、燃料電池及びモータも含まれる。つまり、自動車１は、燃料電池車（ＦＣＶ）、電気自動車（ＥＶ）、及びこれら２以上の駆動源を持つハイブリッドカー（ＨＶ、ＰＨＶ）が含まれる。燃料電池には、少なくとも、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が含まれる。また、エンジン８、燃料電池及びモータは発熱部品でもあり、その周囲の空気は大気よりも高温である。また、燃料電池から排出されるガスは水蒸気を多く含む。よって、駆動源の周囲の高温なガス、或いは駆動源から排出されるガスを回収し、ダクト５から放出することにより、主流２の空気密度が低減する。

＜空気抵抗低減のメカニズム＞
次に、主流２の空気密度を低下させることによって自動車１の空気抵抗が低減されるメカニズムを説明する。

一般に、走行中の自動車１が空気から受ける力は、自動車１の前後、左右、上下の各軸方向の力と各軸周りのモーメントで表され、総称して空力六分力と呼ばれる。通常、走行中の自動車１が空気から受ける力は無次元化して表され、特に前後方向の力である空気抵抗Ｆは、次の式（１）によって表される空気抵抗係数Ｃｄによって表される。ここで、ρは、外部領域４３の空気の密度、Ａは、自動車１の進行方向に対する前面投影面積、Ｖは、主流に対する自動車１の相対速度である。

空気抵抗係数Ｃｄは、空気の動圧「ρＶ^２／２」と前面投影面積Ａの積によって、空気抵抗Ｆを除した値である。空気抵抗係数Ｃｄは、自動車１の形状に依存して決まる量であり、走行時の燃費、最高速度、加速性能などに影響を及ぼす。自動車１のような物体の空気抵抗Ｆは、自動車１全体でみたときには圧力抵抗が支配的であり、航空機で問題となる摩擦抵抗は自動車１では小さい。そのため、自動車１において空気抵抗Ｆを低減するためには、圧力抵抗を小さくすることに着目するのが効果的である。

上記着目に基づいて数式（１）を見直すと、通常の自動車の設計において、前面投影面積Ａは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされる。一方、主流の空気密度ρ、および、速度Ｖについては、自動車の走行環境に応じて変動しうるものであるため、車両の設計で対応可能なパラメータとしてみなされない。

しかしながら、上記の既存概念の枠にとらわれることなく、本発明の発明者は、主流の空気密度ρは、圧力抵抗を小さくするために車両の設計で対応可能なパラメータとなりうると考えた。そして、空気抵抗Ｆの大部分を占める圧力抵抗が主流の空気密度ρに比例することに着目し、主流２の空気密度ρを下げることで、空気抵抗Ｆを低減することが可能であるとの知見を得た。

図５に示すように、主流２の空気は、車体２０の表面２０Ｆから離れた場所にあるため、直接に加熱することはできない。しかしながら、流体放出装置が、自動車１の進行方向前方の自動車１の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて空気密度が低い流体を自動車１の外へ向けて放出する。放出された流体は、流体放出位置よりも進行方向後方に位置する主流２を形成する。これにより、主流２の空気密度ρを下げることできるため、自動車１の空気抵抗Ｆを低減することができる。

＜流体の各物性値と流体の密度の関係＞
次に、流体放出位置から放出される流体（空気）の各物性値と空気密度との関係を説明する。図６Ａは、空気の温度と空気密度との関係を示すグラフである。空気の温度が高いほど、空気の密度は低くなる。よって、外気よりも高温の流体を排出することにより、主流２の温度が高くなるので、主流２の空気密度を下げることできる。

外気よりも高温の流体には、図４に示したエンジン８の排気ガスが含まれる。この他にも、例えば、図７に示すように、自動車１に搭載された発熱部品３１に対して、ブロワー３２（コンプレッサを含む）がエアを送り、発熱部品３１によって加熱された高温のエアを回収して、配管７を介してダクト５へ送ってもよい。自動車１に搭載された発熱部品３１には、エンジン８、燃料電池、ラジエータ、ブレーキ、ショックアブソーバ、強電部品（駆動用バッテリ、駆動用モータ、当該モータを駆動するインバータを含む）が含まれる。

図６Ｂは、空気の分子量と空気の密度との関係を示すグラフである。空気の分子量が小さいほど、空気の密度は低くなる。よって、外気よりも分子量が小さい流体を放出することにより、主流２の分子量が小さくなるので、主流２の空気密度を下げることできる。

例えば、水の分子量（１８．０１５２８ｇ／ｍｏｌ）は、空気の平均分子量（２８．９６６ｇ／ｍｏｌ）よりも小さい。図６Ｃは、空気中の水蒸気分圧と空気の密度との関係を示すグラフである。空気中の水蒸気分圧が高いほど、空気の密度は低くなる。よって、外気よりも水蒸気の分圧が高い流体を放出することにより、主流２の分子量が小さくなるので、主流２の空気密度を下げることができる。

外気よりも水蒸気の分圧が高い流体は、エンジン８または燃料電池から排出される排気ガスの他に、図８に示す装置を用いて生成してもよい。即ち、自動車１が備えるエアコン３５から排出される水を容器３３に回収し、容器３３の底部に配置された超音波振動子３４を用いて微細な霧を発生させ、ブロワー３２を用いてこの霧を配管７からダクト５へ送る。

＜流体の放出流量の制御＞
流体放出装置は、流体の放出流量を制御することができる。例えば、自動車１の移動速度が速くなるほど、主流２の速度も速くなり、主流２の流量も増加する。そこで、流体放出装置は、自動車１の移動速度に応じて流体の放出流量を変化させる。具体的には、流体放出装置は、自動車１の移動速度が速いほど、流体の放出流量を増加させる。

例えば、流体放出装置は、図１０Ｃに示すように、コントローラ６１を備える。コントローラ６１は、車速センサ６３が検出した移動速度に基づいて、ブロワー３２のエア放出量を制御する。制御パターンとしては、図１０Ａのグラフに示す３つの制御パターン５２ａ、５２ｂ、５２ｃのいずれかを用いることができる。

また、流体放出装置が放出する流体の温度が高いほど、少ない放出流量によって、主流２の温度を高めることができる。そこで、流体放出装置は、放出する流体の温度に応じて流体の放出流量を変化させる。具体的には、流体放出装置は、放出する流体の温度が高いほど、流体の放出流量を減少させる。

例えば、コントローラ６１は、図１０Ｃに示すように、温度センサ６２が検出した流体の温度に基づいて、ブロワー３２のエア放出量を制御する。具体的には、コントローラ６１は、流体の温度が高いほど、エア放出量を減少させる。制御パターンとしては、図１０Ｂのグラフに示す３つの制御パターン５３ａ、５３ｂ、５３ｃのいずれかを用いることができる。

なお、図９に示すように、流体放出装置が放出する流体がエンジン８からの排気ガスである場合、コントローラ６１は、流量制御弁６６の開度を制御する。流量制御弁６６は、エンジン８から排出される排気ガスの全体流量のうち、ダクト５から放出される流量とエキゾーストマニフォールド６５へ送られる流量との比率を調整する。流量制御弁６６の開度を大きくすると、ダクト５から放出される流量の割合が増加し、流量制御弁６６の開度を小さくすると、ダクト５から放出される流量の割合が減少する。

＜エンジン８の冷却と空気抵抗の低減の両立＞
自動車１の進行方向前方のよどみ点３又はフロントバンパ４の付近には、エンジン８からの熱を外気に放熱するラジエータが配置されている場合がある。ところが、流体放出位置から外気温よりも高温の流体を放出してしまうと、外気温よりも高温の流体がラジエータに流入するため、ラジエータの冷却性能を低下させてしまう可能性がある。

そこで、流体放出装置は、ラジエータに流入する空気流量を制御するラジエータシャッターの開度を、流体放出装置が放出する流体の放出流量に応じて変化させる。これにより、ラジエータのエンジン冷却性能を低下させることなく、自動車１の空気抵抗を低減することができる。具体的には、流体放出装置が放出する流体の放出流量が多いほど、ラジエータシャッターの開度を小さくする。流体の放出流量が少なければ、外気温よりも高温の流体がラジエータに流入しにくいため、ラジエータシャッターの開度を大きくしてもラジエータの冷却性能への影響は小さい。流体の放出流量が多ければ、ラジエータシャッターの開度を小さくして、外気温よりも高温の流体をラジエータに流入させない。これにより、エンジン８の冷却と自動車１の空気抵抗の低減とを両立させることができる。

例えば、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、ラジエータシャッター３６の各々は、固定軸３７に回転可能に支持され、各ラジエータシャッター３６の一端が可動リンク３８に連結されている。可動リンク３８がモータ６０及びギア３９により上下方向に駆動される。これにより、図１１Ａに示すラジエータシャッター３６が開いた状態と図１１Ｂに示すラジエータシャッター３６が閉じた状態との間で、ラジエータシャッター３６の開度が変化する。コントローラ６１は、流量センサ６４が検出した、流体放出装置が放出する流体の放出流量に基づいてモータ６０を制御することにより、ラジエータシャッター３６の開度を制御する。

例えば、コントローラ６１は、図１１Ｄに示す制御パターン５４ａ、５４ｂ、５４ｃのいずれかを用いて、流量センサ６４が検出した流体の流量に基づいて、ラジエータシャッター３６の開度を制御する。

図１１Ｄの制御パターン５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、ラジエータシャッター３６の開度を連続的に変化させる。コントローラ６１は、ラジエータシャッター３６の開度を、非連続的に変化させてもよい。例えば、図１１Ｃに示すように、流量センサ６４が流体の流量を検出し（Ｓ０１）、検出流量が予め定めたしきい値（所定値）以上であるか否かを判断する（Ｓ０３）。しきい値以上である場合（Ｓ０３でＹＥＳ）、コントローラ６１は、ラジエータシャッター３６の開度を図１１Ｂに示した閉状態に制御する（Ｓ０５）。しきい値未満である場合（Ｓ０３でＮＯ）、コントローラ６１は、ラジエータシャッター３６の開度を図１１Ａに示した開状態に制御する（Ｓ０７）。

以上説明したように、実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。

自動車１は、自動車１の進行方向前方の自動車１の表面に定めた流体放出位置から、外気に比べて空気密度が低い流体を自動車１の外へ向けて放出する流体放出装置を備える。これにより、自動車１の周囲の主流２の内、広い範囲の主流２の空気密度が低下するので、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。

流体放出位置は、進行方向前方のよどみ点３である。よどみ点３は流体の圧力が最大となる点であるため、よどみ点３から放出される流体は自動車１の表面全体へ流れる。よって、広い範囲の主流２の空気密度を低下させることができる。よどみ点３からの湧き出しは、一様流の流線を乱しにくく最も影響が小さい。よって、よどみ点３から放出される流体は自動車１の表面全体へ流れ、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。

流体放出位置は、自動車１のフロントバンパ４のバンパフェイシアに定められていてもよい。バンパフェイシア上の流体放出位置から放出される流体は自動車１の表面全体へ流れる。よって、広い範囲の主流２の空気密度を低下させることができる。

流体放出位置から放出される流体は、外気温よりも高温の流体である。流体が外気温よりも高温であれば、主流２の温度を上昇させることができる。主流２の温度上昇により、主流２の空気密度が低下するので、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。

流体放出位置から放出される流体は、外気よりも分子量の小さい流体である。流体の分子量が外気よりも小さいため、主流２の空気の分子量が下がる。よって、主流２の空気密度が低下するので、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。

流体放出位置から放出される流体は、外気よりも水蒸気の分圧が高い流体である。水の分子量は空気より小さいため、水蒸気の分圧を外気よりも高くすると主流２の空気密度が低下する。よって、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。

流体放出位置から放出される流体は、自動車１が備えるエンジン８から排出される排気ガスである。エンジン８から排出される排気ガスは、大気よりも水蒸気を多く含み、且つ高温である。このため、主流２の空気の分子量が下がり、主流２の温度が上昇する。よって、主流２の空気密度が低下するので、自動車１の空気抵抗を低減させることができる。

流体放出装置は、自動車１の移動速度に応じて流体の放出流量を変化させる。自動車１の空気抵抗を低減するために必要な放出流量の流体を放出することができる。

流体放出装置は、流体の温度に応じて流体の放出流量を変化させる。主流２の温度を上昇させるために必要な放出流量の流体を放出することができる。

流体放出装置は、流体の放出流量に応じて、自動車１が備えるラジエータシャッター３６の開度を変化させる。ラジエータのエンジン冷却性能を低下させることなく、自動車１の空気抵抗を低減することができる。つまり、エンジンの冷却と空気抵抗の低減とを両立させることができる。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

上述の実施例では、移動体が自動車である場合を挙げて説明したが、自動車の他にも、空気中を運動する移動体に対して本発明は適用可能である。移動体の例としては、自動車の他に、二輪車、鉄道、航空機、ロケットなどが挙げられる。

上述の実施例では、流体放出位置から放出される流体が、外気に比べて、温度が高い、分子量が小さい、又は水蒸気の分圧が高いという条件のいずれかを満たす場合を述べたが、流体はこれに限らない。流体は、上記の中から任意に選んだ２以上の条件を同時に満たしてもよい。

また、流体放出装置は、流体の放出流量を、自動車１の移動速度と流体の温度との組合せに基づいて、制御してもよい。

１移動体
２０Ｆ表面
３よどみ点（流体放出位置）
４バンパフェイシア
８エンジン
３６ラジエータシャッター

Claims

移動体の進行方向前方の前記移動体の表面に定めた流体放出位置から、前記移動体の駆動源から回収した、外気より高温、或いは外気より水蒸気を多く含む、外気に比べて空気密度が低い流体を前記移動体の外へ向けて放出し、前記流体の放出流量を前記流体の温度に応じて変化させる流体放出装置を備える移動体。
前記流体放出位置は、進行方向前方のよどみ点である請求項１に記載の移動体。
前記流体放出位置が、前記移動体のバンパフェイシアに定められた請求項１又は２に記載の移動体。
前記流体は、外気よりも分子量の小さい流体である請求項１〜３のいずれか一項に記載の移動体。
前記流体は、外気よりも水蒸気の分圧が高い流体である請求項１〜４のいずれか一項に記載の移動体。
前記流体は、前記移動体が備えるエンジンから排出される排気ガスである請求項１〜５のいずれか一項に記載の移動体。
前記流体放出装置は、前記移動体の移動速度に応じて前記流体の放出流量を変化させる請求項１〜６のいずれか一項に記載の移動体。
前記流体放出装置は、前記流体の放出流量に応じて、前記移動体が備えるラジエータシャッターの開度を変化させる請求項１に記載の移動体。