車の燃費を左右する正味熱効率

車の燃費を左右する正味熱効率

熱効率とは

熱効率とは、供給された熱の量がどれだけ有効に仕事に変換されたかを示す割合のことです。自動車を例に説明すると、燃料であるガソリンは化学エネルギーを蓄えています。エンジン内部でガソリンが燃焼すると、この化学エネルギーは熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーを利用してエンジン内部のピストンが動き、車が前進するための力、つまり仕事に変換されます。この一連のエネルギー変換の過程で、投入された熱エネルギーのうち、どれだけの割合が実際に車の駆動力として利用されたかを表すのが熱効率です。

熱効率を理解する上で重要なのは、熱エネルギーはすべてが仕事に変換されるわけではないということです。熱力学の法則によれば、熱エネルギーの一部は必ず排気ガスやエンジン冷却水などを通して外部に逃げてしまいます。そのため、熱効率は100%になることはありません。

熱効率が高いほど、少ない燃料でより多くの動力を得ることができるため、燃費が向上します。近年、自動車メーカーは燃費向上のため、エンジンの熱効率向上に力を入れています。様々な技術革新により、ガソリンエンジンの熱効率は以前より向上しており、40%を超えるものも出てきています。これは、投入された熱エネルギーの40%以上が車の駆動力に変換されていることを意味します。熱効率の向上は、燃料消費量の削減に繋がり、ひいては地球環境の保護にも貢献します。 熱効率は、自動車の性能を評価する上で非常に重要な指標の一つと言えるでしょう。

正味熱効率の重要性

自動車の心臓部である原動機には、様々な種類がありますが、ガソリンを燃やす原動機や軽油を燃やす原動機といった、燃料を燃やして力を得る原動機においては、正味熱効率と呼ばれるものが燃費に大きく影響します。この正味熱効率とは、燃料がもともと持っているエネルギーのうち、実際に車輪を回し、車を走らせる力として使われたエネルギーの割合を示すものです。

燃料を燃やす原動機の内部では、燃料を燃やすことでピストンと呼ばれる部品を動かし、それがクランク軸という部品を回転させることで動力が生まれます。しかし、この動力発生の過程では、どうしても無駄が生じてしまいます。例えば、燃焼後の熱い空気は排気管から外へ出て行ってしまいますし、原動機内部の部品同士が擦れ合うことでもエネルギーが熱に変わって失われてしまいます。他にも、原動機を冷やすための冷却水や、様々な補機類を動かすためにもエネルギーが使われます。正味熱効率は、こうした様々な損失を全て差し引いた後で、実際に車を動かすために使える動力の割合を表すため、燃費の良し悪しを判断する上で、とても重要な指標となるのです。

近年の自動車製造会社は、燃費を良くするために、様々な技術開発に取り組んでいます。その中でも、原動機の正味熱効率を向上させることは、燃費向上を実現するための重要な課題となっています。熱損失を減らすための燃焼技術の改良や、摩擦による損失を減らすための部品の改良、排気ガスの熱を回収して再利用する技術など、様々な工夫が凝らされています。これらの技術開発によって、正味熱効率は年々向上しており、より少ない燃料でより長い距離を走れる自動車が実現しつつあります。

正味熱効率の算出方法

車の燃費性能を示す重要な指標の一つに、正味熱効率というものがあります。これは、車に燃料を供給した際に、燃料の持つエネルギーのうち、実際に車の駆動に役立つ動力に変換された割合を表します。言い換えれば、燃料をどれだけ無駄なく動力に変えているかを数値で示したものです。

この正味熱効率は、計算式によって求めることができます。計算式は、（軸出力）÷（燃料の量 × 低発熱量）× 100 (%) です。

まず、軸出力とは、エンジンが回転することによって生み出される動力のことです。これは、エンジンの回転速度と回転する力（トルク）から計算されます。回転速度が速く、力も強いほど、軸出力は大きくなります。

次に、燃料の量は、車に供給された燃料の量そのものを指します。一般的には、リットルやキログラムといった単位で測られます。

そして、低発熱量とは、燃料が完全に燃焼した際に発生する熱量から、燃焼によって生じた水が蒸気になる際に奪われる熱量を差し引いた値です。この値は、燃料の種類によって決まっています。ガソリン、軽油、天然ガスなど、燃料の種類ごとに低発熱量は異なります。

これらの値を用いて計算することで、正味熱効率を算出できます。例えば、軸出力が100で、燃料の量が10で、低発熱量が50の場合、正味熱効率は、(100) ÷ (10 × 50) × 100 = 20(%) となります。つまり、この場合、燃料の持つエネルギーの20%が、車の駆動力に変換されたことを示しています。

正味熱効率が高いほど、燃料を効率的に使えていると言えるため、燃費の良い車と言えるでしょう。

図示熱効率との関係

車の燃費を左右する要素の一つに、熱効率があります。熱効率には種類があり、そのうちの一つが図示熱効率です。図示熱効率とは、エンジンが取り込んだ燃料のエネルギーのうち、どれだけがピストンの動きという仕事に変換されたかを示す割合です。簡単に言うと、エンジン内部でどれだけ効率的に燃料の力を運動エネルギーに変えているかを表しています。

しかし、図示熱効率だけでは、実際に車輪を動かす動力として使われるエネルギーの割合は分かりません。なぜなら、エンジン内部で発生した運動エネルギーは、様々な部品を経由して車輪に伝わるまでに、どうしても損失が出てしまうからです。エンジン内部には、ピストンやクランクシャフト、カムシャフトなど、多くの可動部品があります。これらの部品が動く際、金属同士の摩擦や潤滑油の抵抗によって熱が発生し、エネルギーが失われてしまうのです。この損失を考慮に入れた熱効率が、正味熱効率です。

正味熱効率は、図示熱効率に機械効率を掛け合わせた値で表されます。機械効率とは、エンジン内部で発生した運動エネルギーのうち、どれだけが損失なく車輪を駆動する軸出力にまで伝わったかを示す割合のことです。つまり、摩擦などの損失が少ないほど機械効率は高くなります。図示熱効率が高くても、機械効率が低ければ、正味熱効率は低くなってしまいます。これは、エンジン内部で効率良くエネルギーを生み出していても、そのエネルギーが車輪に伝わるまでに多くが失われてしまうためです。高い正味熱効率を実現するためには、図示熱効率と機械効率の両方を高める必要があるのです。例えば、エンジンの設計を工夫して摩擦を減らす、潤滑油の性能を向上させるといった対策が重要になります。

熱効率向上の取り組み

自動車の燃費を良くするために、様々な技術開発が進められています。その大切な要素の一つが、エンジンの熱効率を上げることです。熱効率とは、燃料が持っている熱エネルギーを、どれだけ無駄なく車の動かす力に変換できるかを示す割合です。この割合を高めることで、少ない燃料でより長い距離を走れるようになり、燃費が向上します。

熱効率を上げるための取り組みとして、まず燃料をいかにうまく燃やすかが重要になります。燃料を完全に燃やしきることで、熱エネルギーを最大限に引き出すことができます。そのために、燃料を噴射する装置や、燃焼室の形状などを工夫し、最適な燃焼状態を作り出す技術が開発されています。

次に、エンジン内部の摩擦を少なくすることも大切です。エンジン内部では、たくさんの部品が動いていますが、部品同士が擦れ合うことでエネルギーが熱に変わり、失われてしまいます。これを摩擦損失と言います。この損失を減らすために、部品の表面を滑らかにしたり、摩擦を減らす特別な油を使うなど、様々な工夫が凝らされています。

さらに、排気ガスに含まれる熱を再利用する技術も注目されています。エンジンが動くと、排気ガスが出てきますが、この排気ガスにはまだ多くの熱エネルギーが残っています。この熱を無駄にせず、エンジンの熱源として再利用することで、燃費をさらに向上させることができます。

これらの技術開発により、エンジンの熱効率は年々向上しています。自動車メーカーは、熱効率の向上を通して、地球環境への負荷を減らし、持続可能な社会の実現に貢献しています。