燃費と出力、どちらを求めるか?

燃費熱力学

燃費を良くしつつ出力を上げようとしている僕ですが、実はこれらの両立は不可能なんですよね。

どちらかを求めるなら、もう一方は犠牲にする必要があります。

 

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なぜ両立できない?

厳密な理論については各自で調べていただくとして、感覚的に説明します。

一般的に使われているエンジン(熱機関)は、燃料を燃やすことで熱を生じさせ、これを仕事(トルク)に変換しています。

ということは、温度差が大きければ大きいほど仕事を大きくできます。

 

ところが、いくら大きな仕事を生み出しても、ピストンのストローク量は変わりません。

また、回転数が上がれば上がるほど、一度に仕事を取り出す時間も減ってしまいます。

上記2つの理由から、いくら大きな温度差を生じたところで変換効率が落ちてしまうのです。

 

最近の車で採用されているミラーサイクル(アトキンソンサイクル)は、INバルブを閉じるタイミングをずらすことで吸気量を減らしています。

つまり、圧縮比を減らすことで圧縮熱を減らし燃焼温度を下げます。

さらに、圧縮比を下げながら膨張比はそのままなので、相対的にピストンのストローク量(仕事を取り出す時間)が増え、効率が上がります。

 

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排気量を増やすことで燃費を改善できる?

先程述べたことを利用すると、実は排気量を増やすことで燃費を改善できます。

元の状態よりロングストローク化して排気量を上げつつ、圧縮比を維持すれば仕事を取り出す時間のみ増えます。

 

もちろんエンジンの重量アップや摩擦によるロスはあるでしょうが、それ以上にトルクが上がることにより回転数を下げることで燃費が改善されます。

 

実際、プリウスはモデルチェンジの際に排気量を上げて燃費を良くしたことがあります。

 

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効率100%を目指すとエンジンは止まる

ミラーサイクルというのは、温度差を小さくしつつ、仕事を取り出せる時間を長くしています。

つまり、効率を100%にしようとすると、いずれは温度差がなくなってしまい、仕事が取り出せなくなってしまうのです。

このことから、出力と燃費は両立することは現実的ではありません。

実際、スターリングエンジンは効率は良いものの十分な出力が得られず、実用化されている例はかなり限定的です。

 

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最後に

エンジンでは効率と出力がトレードオフのため、効率だけを求めると結局はモーター駆動が優勢になってしまいます。

しかし、エンジンにしかないメリットもあるので、しばらくはなくならないと思います。

それを考慮すると、現状で最もベストなのは燃費出力共にハイブリッドなのかもしれません。

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