自動車工学におけるエネルギー効率を向上させる方法とは？

質問

• 近年の自動車はエンジンの駆動力をＶベルトとプーリーを介してジェネレーター等を常時駆動させていますが、バッテリーがフル充電されても燃費に悪影響を及ぼすことはあるのでしょうか？
• また、エンジンの排気でターボを回し、ジェネレーターを配する手法は存在しますが、なぜ普及していないのでしょうか？その手法を用いればエネルギー効率を向上させることができると考えられます。
• この手法を採用することで、ジェネレーターのサイズを小型化し、レイアウトの自由度を高めることができ、さらに消耗部品や摩擦ロスを減らすことができます。なぜこのような手法が普及していないのか、疑問に感じています。

回答No.8

mazeran

「目的に対しての『効率』」と言う点で考えると、排気で回すタービンに負荷をかけることは禁物です。
それから「大電流を流すバッテリー」に対しての充電方法に関しても、適切な方法ではありません。

「内燃機関」と言うのは、吸気口の先から排気口の先端までが石油（ガソリン、軽油など）からエネネギーを発生させる機関となっているわけで、エンジン内部に入るまでの吸気回路や、仕事を終えたガスを排気する回路に負荷をかけると、エネルギーを変換するエンジン自体の効率が低下します。
つまり、石油からエネルギーを取る一つの回路になっているわけです。
その回路の中に負荷をかけると言うことは、ブレーキをかけながら回すことと同じになります。
排気効率が「１」下がったとすると、エンジンとしての効率は「３」とか「４」とか下がるわけです。
ジェットエンジンのように、「排気にエネルギーを与える」わけではないんです。

一般に言われている「ターボエンジン」とは、排気側に多少の負荷をかけて出力が低下すること以上に、同軸で繋がった圧縮機で吸気圧を上げた方が出力が上がるから実用化されているわけです。
たとえば自然の状態でのエンジンの出力を「１０」として、負荷をかけて低下した出力が「９」になったとしても、失われた「１」の内の「０．６」のエネルギーを使ってエンジン内に空気を送ると、エンジンの出力が「１２」になるわけです。
「吸気回路と排気回路」は、トランジスタで言うところの『ベース電流』のようなものです。
小さな変化が出力に大きく影響するわけです。

５０ｃｃのバイクは、排気量が小さくても人が乗って走れるのは、「回転数」が高いからです。
「馬力」と言うのは、「回転数」と「トルク」の関係になります。
回転数を上げることで、人が乗っても走れるような馬力を発生させています。
逆に考えると、タービンと言うのは、「抵抗」となる「トルク」に影響を与えないようにするために「回転数」が高いわけで、「すべり」によるロスを低くしています。
如何にして吸気と排気の抵抗を小さくするかが、エンジン開発では重要な事項となります。

そして、仮にタービンの軸に発電機を繋いだとしたら、回転数が高いので電圧は高いものが出ると思いますが、肝心の電流を上げることは、構造上できません。
軸受け云々以前の問題となります。
大電流を流すことを想定しているバッテリーの充電では、電流が低いと効率は極端に低くなります。
バッテリーが、入ってくる電気を受け付けず、場合によってはバッテリーに充電する電力は、すべてが「熱」になる可能性が高いです。

「商品」として現実的ではない方法であるので、今までも質問内容のような方法は取られていません。
機械の効率や電気の性質などを考慮すると、書かれているようなＶベルトのロスだとかジェネレータの大きさなどの問題も、「目的に対しての『効率』」を優先すると、まったく問題にならないと判断できるからです。
「機械」としては製作可能ですが、やはり「効率」を優先する「ものづくり」をして「商品」としている以上、実用化はされないです。

発電所のタービンの話も出ていましたが、根本的に「目的」が違いますので、今回の質問内容から同じ土俵では論じられないと言うことです。
発電所のタービンは、発電機を回す目的で作られたタービンだからと言うことが言えます。
飛行機のプロペラも、効率がいいからと言ってタービンには使えませんよね。それと同じです。

まずは、吸気から排気までを含むエンジンのしくみを理解していただければ、納得していただけるものと思います。