ディフューザー (自動車)

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ポルシェ・918のディフューザー

ディフューザー (diffuser) は、レーシングカーやロードカーの車体後尾に装備されるエアロパーツの一種。車体の床下を通過する気流を拡散 (diffuse) し、ダウンフォースの発生を促進する機能を持つ。

概要[編集]

リアエンド下面の気圧変化をあらわすダイアグラム。ディフューザーの手前の低圧部分(青色)で、強いダウンフォースが発生する。

自動車が高速走行中、車体の下に空気が流れ込むとリフトが発生し、操縦性が悪化する。これを抑制するのがフロントスポイラーである。逆に、車体下面を適切に整形し、気流が床下を淀みなく通過するようにしてやれば、ベンチュリ効果により気流が加速され、ベルヌーイの定理により負圧域が生成される。この負圧が車体を地面方向に吸い寄せる下向きの力(ダウンフォース)となり、タイヤの接地力が高まり、コーナリング性能が向上する(自動車の地面効果)。

一般的な乗用車の場合、車体下面には様々な部品が露出しているため、気流の通過の妨げとなる。レーシングカーや高性能スポーツカーは車体下面を平滑なアンダーパネルで覆い、床下の気流を高速かつ低圧な状態に保つようにしている。

ディフューザーはアンダーパネルの後部、気流の出口に当たるリアエンド部分に装備される。車体下面を後方に向けて斜めに跳ね上げた形状をしており、内部では空間が緩やかに拡がっていく。ここで徐々に気圧が高まり、空気が後方へ勢いよく押し出される。結果、床下の気流通過がよりスムーズになり、負圧が強まることでダウンフォースが増大する。東海大学工学部動力機械工学科が日産・マキシマのミニチュアモデルを用いて行った風洞実験によれば、アンダーパネル装着時のダウンフォース発生量は10gだが、ディフューザーを追加すると620gにまで増加したという[1]

ディフューザーはツーリングカーなどのカスタムパーツとしても販売されている。この分野では「リアディフューザー」と呼ばれ、フロントスポイラーのアンダープレートは「フロントディフィーザー」、サイドステップに装着する整流板は「サイドディフューザー」と呼ばれる。

工夫と規制[編集]

裏面から見たアンダーパネル、スキッドブロック、ディフューザー(2007年ル・マン24時間レース)。

レーシングカーの空力設計においては、抗力(ドラッグ)の発生を抑えつつ、いかにダウンフォースを稼ぐかというテーマが追求されている。F1マシンの場合、フロントウィング、リアウィング、フロア(ディフューザー)でそれぞれ1/3ずつダウンフォースを発生しているが[2]、フロアは抗力の発生量が少なく最も効率が良いため、開発上の重点項目とされている。

ディフューザーは容積が大きいほど気流を多く速く流すことができるが、急角度で跳ね上げると表面から気流が剥離し、効果が減少してしまう。なだらかに高い位置まで傾斜することが望ましいが、レーシングカーではコーナリングスピードの上昇を抑制するため、縦横の幅や高さが規制されている。

路面との間隔が狭いほどベンチュリ効果が高まるため、レーシングカーの車高は一般車よりも低く設定されている。また、車高を一定に保つため、サスペンションのストローク量を減らし、硬いスプリングで車体の上下動(ピッチング)を抑え込んでいる。

レースカテゴリによっては、車高を上げさせるため、アンダーパネルの中央に木板(スキッドブロック)の装着を義務付けるステップドボトム規定が導入されている。スキッドブロックが路面を擦って規定値よりも薄くなると、レース後の車検で失格となる[3]

フォーミュラカーは露出したタイヤが大きな空気抵抗となるが、これを利用してディフューザーの効果を高めることもできる。リアエンドをコンパクトにして後輪との間に空間を作ると、後輪にぶつかった気流が内側に回り込み、ディフューザー上面を通過する気流が加速される[4]。この上面の気流がディフューザー内部からの排出を増強し、床下のダウンフォース発生量を増すことになる[5]。このリアエンドの絞り込みは、コカ・コーラの瓶に例えて「コークボトル」と呼ばれる。コークボトル部分に気流を誘導するため、サイドポンツーンは後方にむけて低く落とし込まれ、側面下部を深くえぐった形状となっている。ラジエターや排気集合管ギアボックス、リアサスペンションなどの内蔵部品は、空力的要請によりコンパクトにデザインされる。

F1のディフューザー[編集]

ロータス・99T(1987年)のディフューザー。
トヨタ・TF104(2004年)のディフューザー。

F1においては、1983年に「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」とするフラットボトム規定が施行され、グラウンド・エフェクト・カーの使用が禁止された。失われたダウンフォースを取り戻すため、規定範囲より後方のリアエンドにディフューザーを装備するアイデアが登場し、1980年代後半には定番化した。

1994年シーズン途中、死亡・負傷事故の続発を受けてダウンフォースの削減策がとられ、車体中央300mmより外側の部分のディフューザーは、後輪前端から後輪中心線までの長さに制限された。さらに、1995年より車体下面の中央部 (300〜500mm) より左右の部分に50mmの段差を設けるステップドボトム規定が導入された。以後、中央部の大型ディフューザー+左右段差面の小型ディフューザーという構造が2008年まで採用された。

国際自動車連盟オーバーテイクシーン創出のため、2008年にオーバーテイク・ワーキング・グループ (OWG) を設立。ダウンフォース50%削減を狙い、2009年に空力要素のレギュレーション変更を行った[6]。ディフューザーの開始点は後輪中心線に後退し、一体型のシンプルな構造に制限されたが[7]、後述の複層化(マルチディフューザー)や排気吹き付け(ブロウンディフューザー)の開発によりダウンフォースの回復が図られた。

各種ディフューザー[編集]

バットマン・ディフューザー[編集]

初期のディフューザーは一枚板のシンプルな形状だったが、エイドリアン・ニューウェイの処女作マーチ・881(1988年)は内部をトンネル状に区切って排出効果を高めようとした。マクラーレン・MP4/5B(1990年)は5つのトンネルをもつ大型ディフューザーを装備し、後方から見ると『バットマン』のシンボルマークのように見えることから、通称「バットマン・ディフューザー」と呼ばれた。ジョーダン・191(1991年)も同様の2つのトンネル状のディフューザーを採用した。

ダブルフロア[編集]

ジャン=クロード・ミジョーが手がけたフェラーリ・F92A(1992年)は、ディフューザー上面へより多くの気流を送り込むため、サイドポンツーンとアンダーパネルを分離し、その間を気流が通過する「ダブルフロア」を採用した。補機類の搭載位置が上がるため重心が高くなるデメリットがあり、成功例とはならなかったが、2011年にトロ・ロッソ STR6が同様のアイデアを復活させた[8]

マルチディフューザー[編集]

ウィリアムズ・FW31(2009年)のマルチディフューザー。

(原文)

  • 3.5 Width behind the rear wheel centre line
    • 3.5.1 The width of bodywork behind the rear wheel centre line and less than 200mm above the reference plane must not exceed 1000mm.
    • 3.5.2 The width of bodywork behind the rear wheel centre line and more than 200mm above the reference plane must not exceed 750mm.
  • 3.12 Bodywork facing the ground
    • 3.12.5 Fully enclosed holes are permitted in the surfaces lying on the reference and step planes provided no part of the car is visible through them when viewed from directly below.
    • 3.12.7 No bodywork which is visible from beneath the car and which lies between the rear wheel centre line and a point 350mm rearward of it may be more than 175mm above the reference plane.

(和訳)

  • 3.5 リアホイール中心線より後方の幅 
    • 3.5.1 リアホイール中心線から後方にあり、基準面から200mm高さ未満の車体の幅は1000mmを超えてはならない。
    • 3.5.2 リアホイール中心線から後方にあり、基準面から200mm高さ以上の車体の幅は750mmを超えてはならない。
  • 3.12 地面に面した車体
    • 3.12.5 基準面と段差面を構成する表面に完全に閉鎖された穴を設けることが認められるが、真下から見てそれらの穴を通して車両のいかなる部分も見えないことを条件とする。
    • 3.12.7 車両の下方から見える車体で、リアホイール中心線とそれより350mm後方に位置するいっさいの部品は基準面より175mmを超えて上方にあってはならない。
—-- 2009 FORMULA ONE TECHNICAL REGULATIONS[9]
(2009年度 F1テクニカルレギュレーション)

2009年に導入された技術規定において、ディフューザーの許容寸法は「後車軸中心線より後方に長さ350mm×幅1000mm×高さ175mm」とみなされる(第3条5項1・第3条12項7)。しかし、第3条12項7の「下方から見える」という条件を外せば、175mm以上の高さでも利用可能と解釈することもできる(第3条5項2)。

7チームのマシンは規定値通りのディフューザーを装着したが、ウィリアムズ・FW31[10]トヨタ・TF109[11]ブラウン・BGP001[12]は、高さ175mmのディフューザーの上段(下方から見えない部分)に第2・第3のエアトンネルを設置。ステップドボトムの垂直段差面に通風孔を開け(第3条12項5)、そこから気流を引き抜いてディフューザーの効率を高める方式とした。これらの複層型は「マルチディフューザー(もしくはダブルディフューザー)」と呼ばれた。

開幕戦オーストラリアGPでは、ブラウンGPが1・2位、トヨタが3・4位と上位を独占したことで、規定違反ではないかとの論争が沸騰した。ブラウンGP代表のロス・ブラウンは、前年の時点で新規定の抜け道を指摘し修正を提案したが、オーバーテイク・ワーキンググループ (OWG) により拒否されたと主張[13]。トヨタも新規定を詳細に検討し、開発段階からFIAに相談してきたと主張した[14]フェラーリルノーレッドブルの3チームはFIA国際控訴法廷 (ICA) に提訴したが、4月14日に合法との裁定が下されたため、抗議派のチームも追随せざるを得なくなった。

以後、ダウンフォース回復の秘策として熾烈な開発競争が繰り広げられたが、ドライバーやチーム関係者からは新規定を導入した意義が損なわれるという意見も出された[15][16]

2010年には上段トンネルの経路を確保するためギアボックスを底上げしたり[17]、エンジンを前傾して搭載する[18]設計まで見られたが、2011年の規定改正により、マルチディフューザーはFダクトとともに使用が禁止された。

ブロウンディフューザー[編集]

マクラーレン・MP4-26(2011年)のブロウンディフューザー。偏平な排気管をリアタイヤ内側まで延長している。

エンジンから排出された排気ガスは高温・高速の状態にあるため、ディフューザー周辺に吹き付ける「エグゾースト・ブローイング」を行うと、ディフューザーの排出効果を高めることができる。

この「ブロウンデュフューザー (Blown Diffuser) 」はルノー・RE40(1983年)で採用され[19]、1990年代まで多く見られた。当時はディフューザー内に直接排気ガスを放出していたが、アクセル操作に応じてダウンフォース量が増減し、マシンの挙動が不安定になるという課題があった。2000年代には上方排気方式の流行により一旦姿を消したが、レッドブル・RB6(2010年)が採用して再び脚光を浴びた。

レッドブルの新方式はリアサスペンションのロアアーム手前に排気口を設け、ディフューザー上面に排気ガスを吹き付ける[20]。さらにレッドブル・RB7(2011年)の仕様では排気管を延長し、リアタイヤの内側付近を狙って吹き付け、リアタイヤの後方乱流を吹き流す役割を持たせた[21]。逆に、ルノー・R31 (2011年)はサイドポンツーン前端下部に排気口を設け、床下に吹き付ける独自の「前方排気」方式を採用した[22]

排気の量に関しては、エンジンの電子制御プログラムを調節して、アクセルを緩めた状態でも大量の排気を供給し続けるオフスロットル・ブローイングを行っている[23]。これを活用すると、ハードブレーキングによって荷重が前掛かりになっても、リアタイヤのスタビリティ(安定性)を保持することができる。2011年のレースでは、マシンがコーナーにアプローチする際、炸裂音の様なエグゾーストノートを響かせているのを聴くことができる。

排気の質にも2種類あり、空気のみを排出するときは「コールドブローイング」、燃料を混合して高温・高速流のガスを供給するときは「ホットブローイング」と呼ばれる[23]。ホットブローイングはエンジンのシリンダー内に燃料を噴射するが、プラグの点火タイミングを意図的にずらすことで、不要なトルクの発生を回避する。ホットブローイングの方がより効果的だが、燃費(燃料搭載量)に支障があるため、予選と決勝ではエンジンマッピングを変更して使い分ける。

このシステムの影響力は、予選において1周あたり0.5秒から1秒にも達するといわれる[24]。しかし、エンジンの制御を精密に行えなければ、逆にマシンバランスを崩す結果となり、チーム・エンジンメーカーによって開発力の差が生じた。

FIAはドライバーのアクセル操作が空力的特性の変更手段となることを禁じる規定(第3条15項)に抵触するとの懸念を示し、ヨーロッパGPより予選と決勝のエンジンマッピングの変更を禁止した。次戦イギリスGPではオフスロットル時の排気を12,000rpmでは全開時の10%、18,000rpmでは20%に制限し、空力的作用を禁止した[25]。しかし、ルノーとメルセデスエンジンへの特例措置を巡ってレース前に紛糾し[26]、公平を期すためドイツGPよりヨーロッパGP時点の規制に戻し、シーズン中はオフスロットル・ブローイングの使用を認めることになった[27]

2012年からは排気口の位置,角度,形状,エンジンマッピングが厳密に管理され、結果エキゾーストブローイングは不可能になった。

脚注[編集]

  1. ^ 『Racing On』、三栄書房、2005年10月、 18 - 21頁。
  2. ^ 永島勉TMGシャシー部門SEC「最新F1メカ講座」、『F1速報』2010年新年情報号、三栄書房、2010年、 31頁。
  3. ^ 2007年のフォーミュラ・ニッポン最終戦では、小暮卓史がスキッドブロックの厚さ違反でレース後に失格となり、獲得したはずのシリーズチャンピオンを逸した[1]
  4. ^ 由良拓也. “「空力の話」第4回 タイヤの空力について考えてみましょう”. ゆらたく屋 モータースポーツ塾. 2011年8月31日閲覧。
  5. ^ 小倉茂徳 (2010年3月13日). “今季のF1はディフューザーとサスの最適化が鍵を握る(2/6)”. OCNスポーツ モータースポーツコラム. 2011年8月31日閲覧。
  6. ^ 小倉茂徳 (2011年4月28日). “オーバーテイク増加策が成功、面白くなった2011年のF1”. オグたん式「F1の読み方」. Car Watch. 2011年8月31日閲覧。
  7. ^ 2009 regulation changes - rear diffuser”. Formula 1.com (2009年1月30日). 2011年8月31日閲覧。
  8. ^ Toro Rosso STR6 - double floor arrangement”. Formula 1.com (2011年2月11日). 2011年8月31日閲覧。
  9. ^ “2009 FORMULA ONE TECHNICAL REGULATIONS” (英語) (プレスリリース), 国際自動車連盟, (2009年3月17日), http://argent.fia.com/web/fia-public.nsf/7C4F8D883039AF6AC125757D00369C58/$FILE/1-2009_F1_TECHNICAL_REGULATIONS_Showing-Alterations_17-03-2009.pdf 2011年8月31日閲覧。 
  10. ^ Williams FW31 - rear diffuser design”. Formula 1.com (2009年2月2日). 2011年8月31日閲覧。
  11. ^ Toyota TF109 - 'triple-deck' diffuser”. Formula 1.com (2009年4月18日). 2011年8月31日閲覧。
  12. ^ Brawn BGP001 - rear diffuser layout”. Formula 1.com (2009年4月18日). 2011年8月31日閲覧。
  13. ^ “F1 ディフューザー問題”. F1-Gate.com. (2009年4月12日). http://f1-gate.com/other/f1_3273.html 2011年8月31日閲覧。 
  14. ^ “ディフューザーに関するFIA国際控訴裁判所判決に関して” (プレスリリース), トヨタモータースポーツ, (2009年4月15日), http://ms.toyota.co.jp/jp/F1archive/news/2009/090415.html 2011年8月31日閲覧。 
  15. ^ “BMWザウバー 「ディフューザーはオーバーテイクを損なう」”. F1-Gate.com. (2009年4月16日). http://f1-gate.com/redbull/f1_3301.html 2011年8月31日閲覧。 
  16. ^ “フェリペ・マッサ 「ダブルディフューザーはオーバーテイクを困難にした」”. F1-Gate.com. (2009年6月23日). http://f1-gate.com/massa/f1_3972.html 2011年8月31日閲覧。 
  17. ^ Red Bull RB6 - higher gearbox positioning”. Formula 1.com (2010年2月22日). 2011年8月31日閲覧。
  18. ^ Ferrari F10 - angled engine mounting”. Formula 1.com (2010年2月19日). 2011年8月31日閲覧。
  19. ^ 『F1 Modeling』第44巻、東邦出版、2010年、 75頁。
  20. ^ Red Bull RB6 - new exhaust positioning”. Formula 1.com (2010年3月13日). 2011年8月31日閲覧。
  21. ^ Red Bull RB7 - exhaust positioning”. Formula 1.com (2011年2月23日). 2011年8月31日閲覧。
  22. ^ Renault R31 - forward exhausts”. Formula 1.com (2011年2月11日). 2011年8月31日閲覧。
  23. ^ a b Blowing hot and cold - the off-throttle diffuser debate”. Formula 1.com (2011年6月15日). 2011年8月31日閲覧。
  24. ^ Kay Tanaka (2011年6月12日). “ブロウンディフューザー禁止はイギリスGPから”. ESPN F1. http://ja.espnf1.com/fia/motorsport/story/51415.html 2012年2月1日閲覧。 
  25. ^ オフスロットル時の排気はエンジンブレーキによるエンジンの損耗を回避する目的のため、最小限は許可される。
  26. ^ Second Wind (2011年7月11日). “F1第9戦イギリスGP アロンソ、敵失に乗じて今季初勝利(1/5)”. OCNスポーツ モータースポーツコラム. 2011年8月31日閲覧。
  27. ^ “フェラーリとザウバー、エキゾースト規制の撤廃に合意”. F1-Gate.com. (2011年7月11日). http://f1-gate.com/fia/f1_12316.html 2011年8月31日閲覧。 

関連項目[編集]