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つれづれ:自動車の動力について考える

一般的な乗用自動車の動力としては100年以上前から内燃機関:ガソリンや軽油などの液体燃料の筒内燃焼によるオットーサイクル・レシプロエンジン(以下エンジン)が現在まで主流で、電動機(以下モーター)を使用した電気自動車(以下EV)はあるにはありますが未だに主流とはいえず、しかし20年ほど前からは両方の特徴を兼ね備えた実用的なハイブリッド車(以下HV)が出回るようになりました。

現在、自動車の動力として見たエンジンには以下のような特徴、短所と長所があります。

【長所】
燃料の補給が容易に行える(インフラが出来上がっている)
・燃料のエネルギー密度が高い

【短所】
・稼働中に振動し、騒音を出す
 :往復運動を回転運動に変えている原理上、振動は消すことが難しく、内燃機関である以上は連続する排気音が避けられません。
 :排気音については消音器(マフラー)が義務付けられていて、エンジンの出力に影響を与えています
有毒な排気ガスが出る
 :1970年代には排気ガスによる公害の問題が深刻化しました
 :現在は燃焼効率を上げるとともに、触媒による浄化が義務付けられていて、これも出力に影響を与えています
・回転数に対する出力の特性に偏りがあるため、複数段の変速機が必要で、機械的損失がある
 :効率の高い場所を使うために無段変速機の採用や、変速機の多段化が流行しています
外部から回転力を与えないと始動できない
 :現在はスターターモーター等でクランキングするのが主流で、重い鉛バッテリーとスターターモーター及びバッテリー充電用の発電機オルタネーターが必要になります
 :任意に停止することができないため、クラッチで動力を切り離してアイドリングさせておく必要があります  :最近のアイドリングストップ車では停止と始動を自動制御して燃費を稼ぎますが、その分バッテリーとスターターモーターへの負荷が増大します
動力変換効率(熱効率)が最大で40%を越える程度
・ピストン等摺動部の摩擦低減と燃焼室の密閉を維持するため、循環させる潤滑油及びフィルターの定期的な交換が必要
・バルブを駆動するクランクやカムシャフトなどの機械的損失や摩耗がある
・空気を吸入する際、排気する際のポンピングロスが避けられない

一方、自動車の動力として見たモーターは

【長所】
・稼働中の騒音や振動が非常に小さい
 :電磁力によって直接回転力に変えるため振動はほとんどなく、排気音もないので、HVやEVにはわざわざ車両接近通報装置が義務付けられているほどです
・有毒な排気ガスを出さない
・出力特性が低回転でトルクが高いため、自動車の発進、加速に向いており、多段変速機が要らない
 :リバースの時もモーターを電気的に逆転させるだけなので変速機は不要です
・クランキングなしで停止と始動が任意に行える
 :HV車では駆動用モーター自体がクラッチやスターターの役目も果たせるので、機構の単純化にも貢献しています
動力変換効率(電力→動力)が高く、最大で90%以上に達する
 :回生ブレーキで発電する場合も同様で、発電効率は最低でも20%から最大で90%程度が出せるようです
潤滑油が要らない(軸受のみ)
機械的損耗がない(ブラシレス誘導モーター)
ポンピングロスがない
・回生ブレーキによってエネルギー回生ができる
 :ブレーキパッドの摩耗が少なくなり、燃費の向上にも大きく貢献します

【短所】
電力の供給源がまだ成熟していない
 :二次電池の重量や体積に対するエネルギー密度が低い、充電時間がかかる、充電にしても水素ステーションにしてもインフラが未整備です


こうして並べてみると、モーターはかなり自動車向きの動力ですね。
現状、問題は電力源だけのように思います。液体燃料という利便性を取った結果、自動車用のモーターと電力源はほぼ100年間大きな進歩がなかった、とも言えます。
21世紀に入り、様々な新技術が競うように開発されているので、そろそろ常識を見直して、油にまみれた鉄の塊であるエンジンの時代は終わっても良いのではないかな?と思っています。
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テーマ : 日記
ジャンル : 車・バイク

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