KR20090036065A - 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨테이너를 구비하며 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량에 관한 것으로서, 운전석 캐빈의 루프 위에 설치된 루프 스포일러와, 상기 컨테이너의 후단에서 컨테이너의 상단과 이격되게 배치된 가이드 베인을 포함하는 것을 특징으로 하므로, 공기저항이 크게 감소되어 챠량의 연비가 향상되는 등 수송에너지가 크게 저감되고 유해가스의 배출을 저감시켜서 대기환경을 크게 개선시킬 수 있다는 이점이 있다.

상용차량, 공기저항, 가이드 베인, 스포일러, 컨테이너

Description

공기저항 감소장치를 구비한 상용차량{A COMMERCIAL VEHICLE COMPRISING INDUCED DRAG REDUCTION DEVICE}

본 발명은 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량에 관한 것으로서, 특히 주행시 작용하는 전체적인 공기저항을 감소시켜서 수송에너지와 유해가스의 배출을 저감시킬 수 있는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량에 관한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 화물트럭과 같은 상용차량의 주행시에는 다양한 공기저항력을 받게 되며, 그 중 차량 전면에서의 공기압에 의한 압력저항과 차량 후면에서의 와류에 의한 유도저항이 대표적이다.

이와 같은 공기저항력(압력저항과 유도저항)에 의해 연료소비량이 많아지고 PM이나 CO₂와 같은 유해가스의 배출량이 많아지게 된다.

종래에는 이러한 문제점을 해소하기 위해 상용차량을 구성하는 운전석 캐빈(cabin)의 루프(roof) 위쪽에 루프 스포일러(roof spoiler)를 설치하였다.

그러나, 루프 스포일러만으로는 차량 전면의 압력저항을 낮추는 효과나 컨테이너 상단에서의 난류발생 억제효과만을 기대할 수 있을 뿐 차량 후면에서의 와류 발생에는 효과가 없어 여전히 큰 저항력을 받게 된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 압력저항과 유도저항을 포함하는 총 공기저항력을 감소시켜서 연료소비량을 줄이고 유해가스의 배출을 저감시킬 수 있는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량은 컨테이너를 구비하는 차량으로서,

운전석 캐빈의 루프 위에 설치된 루프 스포일러와, 상기 컨테이너의 후단에서 컨테이너의 상단과 이격되게 배치된 가이드 베인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가이드 베인은,

상기 컨테이너의 상단과 이격된 상태에서 나란히 배치되는 앞날개와, 상기 앞날개로부터 뒤쪽으로 연장되며 아래쪽으로 경사지게 절곡된 뒷날개로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 컨테이너의 상단과 앞날개 사이의 이격거리는 컨테이너 길이의 2~12%이고, 앞날개의 길이는 컨테이너 길이의 8~17%이고, 뒷날개의 길이는 컨테이너 길이 의 5~14%의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 앞날개에 대한 뒷날개의 절곡 각도는 5~20도의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 뒷날개는 상하방향으로 힌지 이동이 가능하게 결합된 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 가이드 베인의 뒷날개에 횡방향의 수평 회전봉이 설치되어 있고, 상기 수평 회전봉의 일단에는 베벨기어가 설치되어 있는 동시에, 컨테이너의 측면에는 상하방향으로 수직 회전봉이 설치되어 있고 상기 수직 회전봉의 상단에는 상기 뒷날개에 설치된 베벨기어와 맞물리는 베벨기어가 설치되어 있으며, 상기 수직 회전봉의 하단에는 핸들이 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 루프 스포일러는 캐빈의 루프 선단으로부터 컨테이너의 상단 모서리까지 연장되며 원호형으로 구성된 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 상용차량 주행시 공기저항이 크게 감소되어 연비가 향상되는 등 수송에너지가 크게 저감될 뿐만 아니라 유해가스의 배출을 저감시켜서 대기환경을 크게 개선시킬 수 있다는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상용차량은 컨테이너(3)를 구비하는 것으로, 운전석 캐빈(4)의 루프(4a) 위에 설치된 루프 스포일러(5)와, 상기 컨테이너(3)의 후단에서 컨테이너의 상단과 이격되게 배치된 가이드 베인(10)을 포함한다.

여기서, 상기 루프 스포일러(5)는 차량 선단의 압력저항을 낮추는 동시에 컨테이너(3) 상단의 공기흐름을 층류(laminar flow)로 유도하는 역할을 하며, 가이드 베인(10)은 컨테이너(3) 후방의 와류에 의한 유도저항을 최소화시키는 역할을 수행한다.

특히, 상기 가이드 베인(10)은, 상기 컨테이너(3)의 상단과 이격된 상태에서 나란히 배치되는 앞날개(1)와, 상기 앞날개(1)로부터 뒤쪽으로 연장되며 아래쪽으로 경사지게 절곡된 뒷날개(2)로 구성된다.

상기 앞날개(1)가 컨테이너(3)의 상단과 이격된 상태로 부착되기 위해 상기 앞날개(1)의 양측과 컨테이너(3) 상단 사이에 플랜지와 같은 적당한 연결부(1a)를 개재하고 용접등의 수단으로 연결할 수 있다.

그리고, 상기 가이드 베인(10)은 컨테이너(3)의 전체 폭에 걸쳐서 연장되는 것이 좋다.

전산유체동력학 프로그램과 풍동실험을 통해, 상기 컨테이너(3)의 상단과 앞 날개(1) 사이의 이격거리(h_G)는 컨테이너 길이(L)의 2~12%이고, 앞날개(1)의 길이(L1)는 컨테이너(3)의 길이(L)의 8~17%이고, 뒷날개(2)의 길이(L2)는 컨테이너 길이(L)의 5~14%의 범위에 있는 것이 공기저항력의 저감에 유효한 것으로 밝혀졌다.

또한, 상기 앞날개(1)에 대한 뒷날개(2)의 절곡 각도(θ)는 5~20도의 범위에 있는 것이 공기저항력의 저감에 효과적이다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 뒷날개(2)는 상하 방향으로 힌지 이동이 가능하게 결합된 것이 좋다. 이와 같이 구성하면, 컨테이너(3)의 후단에 있는 문(7)을 개폐할 때 간섭되는 경우가 없어진다.

이를 위해, 상기 가이드 베인(10)의 뒷날개(2)에 횡방향의 수평 회전봉(8)을 설치하고 그 일단에 베벨기어(8a)를 설치하는 동시에, 컨테이너(3)의 측면 모서리에도 상하방향으로 수직 회전봉(9)을 설치하고 상기 수직 회전봉(9)의 상단에는 상기 뒷날개(2)에 설치된 베벨기어(8a)와 맞물리는 베벨기어(9a)를 설치할 수 있다. 또한, 상기 수직 회전봉(9)의 하단에는 핸들(6)을 설치하여 회전구동을 용이하게 할 수 있다.

더욱이, 상기 루프 스포일러(5)는 캐빈(4)의 루프(4a) 선단으로부터 컨테이너(3)의 상단 모서리까지 연장되며 원호형으로 구성된 것이 바람직하다. 본 실시예에서 상기 루프 스포일러(5)의 곡률반경(ρ)은 상용차의 크기에 따라 다소 차이는 있지만 4800~6000mm 범위에 있는 값이면 무난하다.

그리고, 도 2에서 a와 b는 각각 캐빈(4)의 루프에서 컨테이너(3)의 상단 사이의 높이 및 세로길이(a)와 가로길이(b) 및 캐빈(4)의 루프 선단에서 컨테이너(3)의 선단까지의 길이를 나타내며 차량에 따라 다소 차이가 있다. 시중에 나와 있는 상용차에 대하여, 대략 a는 0.53~1.35m, b는 1.5~2.5m의 범위에 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 공기저항 감소장치(루프 스포일러+가이드 베인)를 구비한 상용차량의 주행시 공기흐름을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상용차량의 선단으로부터 후방까지 매끄러운 공기흐름이 이루어지며, 특히 후단에서 와류의 발생이 눈에 띄게 줄어들고 있음을 알 수 있다.

또한, 도 4에는 전산유체동력학 프로그램을 이용하여 주행시 상용차량 주변의 위치별 압력에너지와 난류운동에너지의 분포와 위치별 공기저항력이 나타나 있다.

도면에서, 도 4a는 공기저항 감소장치가 없는 표준(standard) 상용차량이고, 도 4b는 루프 스포일러만 설치한 상용차량이며, 도 4c는 루프 스포일러와 후방 가이드 베인이 모두 설치된 본 발명에 따른 상용차량이다.

도면의 각각의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 공기저항 감소장치가 없는 상용차량에 비해서 루프 스포일러를 설치한 상용차량에서 총 공기저항력(Fd)과 저항계수(Cd)가 줄어들고 있음을 알 수 있다.

더욱이, 본 발명과 같이 루프 스포일러와 후방 가이드 베인이 모두 설치된 상용차량이 루프 스포일러만 설치한 상용차량보다 총 공기저항력(Fd)과 저항계수(Cd)가 작음을 알 수 있다.

또한, 도 5에는 실제 풍동실험(1:10 scale)을 통해 본 발명과 가이드 베인이 없는 구조를 서로 비교한 사진 자료가 도시되어 있다.

도 5a는 공기저항 감소장치가 없는 상용차량에 대한 것으로서 차량 선단에서 위쪽으로 다소 급격하게 상승하므로 압력저항이 많이 작용하고 후단에서는 와류가 크게 발생하는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 5b는 루프 스포일러만 설치한 상용차량에 대한 것으로서 차량의 선단에서는 매끄러운 흐름이 가능하나 후단에서는 와류가 크게 발생함을 알 수 있다.

한편, 도 5c는 본 발명에 따라 공기저항 감소장치가 상용차량에 관한 것으로서, 차량의 선단에서 매끄러운 흐름이 가능하고 후단에서도 후방의 가이드 베인에 의해 와류의 형성이 최소화되어 유도저항이 크게 저감된다.

도 6은 공기저항력을 감소시킬 수 있는 가이드 베인의 최적 치수를 찾기 위한 다양한 실험을 나타내는 그래프를 나타낸다. 도면의 좌단에는 공기저항 감소장치가 없는 상용차량에 대한 것으로 공기저항력이 매우 크게 나타남을 보여주고 있으며, 중간 위치에서 가이드 베인의 절곡각도(θ) 10도, 앞날개 길이(L1) 70cm, 뒷날개 길이(L2) 55cm를 나타내는 공기저항 감소장치에 대하여 공기저항력이 최소가 됨을 알 수 있다.

참고로, 도 6에서의 각각의 실험결과가 약어로 나타나 있으며, 예컨대 F14.5_GH1D10F7R5.5에서, F14.5는 루프 스포일러의 원주길이가 145cm, GH1은 가이 드 베인의 이격거리(h_G)가 10cm, D10은 베인의 절곡각도 10도, F7은 앞날개 길이(L1) 70cm, R5.5에서 뒷날개 길이(L2) 55cm를 나타낸다. 그리고, STANDARD는 루프 스포일러와 가이드 베인이 없는 트럭에 대한 실험치이다. 또한, only fairing0.9_14.5는 단지 루프 스포일러만 있는 실험치로서 그 높이가 a의 90%이고 원주길이가 145cm인 것을 나타낸다.

도 1은 상용차의 주행시 작용하는 공기저항을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량의 일 예를 나타내는 측면 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량의 주행시 공기흐름을 나타내는 도면이다.

도 4는 전산유체동력학 프로그램을 이용하여 주행시 상용차량 주변의 위치별 압력에너지와 난류운동에너지의 분포와 위치별 공기저항력을 나타내는 도면으로 (a)는 공기저항 감소장치가 없는 상용차량, (b)는 루프 스포일러만 설치한 상용차량, (c)는 루프 스포일러와 후방 가이드 베인이 설치된 상용차량이다.

도 5는 풍동실험을 통한 주행시 상용차량 주변의 위치별 공기흐름을 시각적으로 나타낸 도면으로, (a)는 공기저항 감소장치가 없는 상용차량, (b)는 루프 스포일러만 설치한 상용차량, (c)는 루프 스포일러와 후방 가이드 베인이 설치된 사용차량이다.

도 6은 공기저항력을 감소시킬 수 있는 가이드 베인의 최적 치수를 찾기 위한 다양한 실험을 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량의 다른 예를 나타내는 사시도이다.

<주요 구성부호의 설명>

1... 가이드 베인의 앞날개

2... 가이드 베인의 뒷날개

3... 컨테이너

4... 캐빈

4a... 루프

5... 루프 스포일러

8... 수평 회전봉

9... 수직 회전봉

10... 가이드 베인

Claims (7)

1. 컨테이너(3)를 구비하는 상용차량에 있어서,

   운전석 캐빈(4)의 루프 위에 설치된 루프 스포일러(5)와, 상기 컨테이너(3)의 후단에서 컨테이너의 상단과 이격되게 배치된 가이드 베인(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가이드 베인은,

   상기 컨테이너의 상단과 이격된 상태에서 나란히 배치되는 앞날개(1)와, 상기 앞날개로부터 뒤쪽으로 연장되며 아래쪽으로 경사지게 절곡된 뒷날개(2)로 구성된 것을 특징으로 하는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량.
3. 제2항에 있어서,

   상기 컨테이너의 상단과 앞날개 사이의 이격거리는 컨테이너 길이의 2~12%이고, 앞날개의 길이는 컨테이너 길이의 8~17%이고, 뒷날개의 길이는 컨테이너 길이의 5~14%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량.
4. 제3항에 있어서,

   상기 앞날개에 대한 뒷날개의 절곡 각도는 5~20도의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량.
5. 제2항에 있어서,

   상기 뒷날개는 상하방향으로 힌지 이동이 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량.
6. 제5항에 있어서,

   상기 가이드 베인의 뒷날개에 횡방향의 수평 회전봉이 설치되어 있고, 상기 수평 회전봉의 일단에는 베벨기어가 설치되어 있는 동시에, 컨테이너의 측면에는 상하방향으로 수직 회전봉이 설치되어 있고 상기 수직 회전봉의 상단에는 상기 뒷날개에 설치된 베벨기어와 맞물리는 베벨기어가 설치되어 있으며, 상기 수직 회전봉의 하단에는 핸들이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 루프 스포일러는 캐빈의 루프 선단으로부터 컨테이너의 상단 모서리까지 연장되며 원호형으로 구성된 것을 특징으로 하는 공기저항 감소장치를 구비한 상용차량.

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