自動車工学に関する質問です。

Question

現在一般に、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、ジェネレータ等を常時駆動させていると思います。

そこで疑問ですが、

(1)バッテリーがフル充電されても、ジェネレーターは回し続けられる訳ですが、これは燃費を悪化させる要因ではないか？

(2)エンジンの排気でターボを回し、ターボのタービンと「同軸上に」ジェネレータを配し、ターボの回転エネルギーを直接電気エネルギーに変換すれば、排気で発電できるのに何故、そうしないのか？
（ターボの回転エネルギーは、吸気に使用せず、エンジン内部を経由させず、直接電気エネルギーにする）

「(2)」なら、
・ジェネレータは小型（高回転）で済む。
・ジェネレータレイアウトの自由度も上がる。（エンジンの駆動軸と並行でなくても良い）
・消耗部品であるＶベルト（ジェネレータ用）は不要となる。
・Ｖベルトのテンションによる摩擦ロスが減る。
・エンジンの負担が減る。

思うのですが、どうして、そういう手法を取っていないのでしょうか？

sailor · Accepted Answer

プラグインハイブリッド車などではごく小さなジェネレーターで良いかもしれませんが、アイドルストップに関して必ずしもOKとはいえません。アイドルストップをするには条件があり、条件を満たさない場合はアイドルストップを行いません。たとえば夏季のエアコン使用時等はエンジンを止めてしまうと、空調が不可能になりますので止めませんし、エアコン使用時は消費電力も大きくなります（室内のブロワーやコンデンサーファンなどでこれだけでも３００Wから４００W必要）です。

高速型ジェネレーターではコイルの巻き数は確かに少なくなりますが、高い周波数を扱うことになるのでコイル自体のインピーダンスは必ずしも低くはなりませんし、現存する高速発電機でも効率が通常のものと比べて特に高いわけではありません。したがって、ある出力を必要とする場合に与えられたエネルギーの電気出力以外のロスの部分は熱になると考えるのが妥当で、当然放熱を考慮しなければ壊れます。

ターボが効率よく発電する状況において発電量が足りていればOKというのも問題ですね、たとえば炎天下の大渋滞に巻き込まれてのろのろ運転をした場合などはどうしますか、この状態で発電量が不足してしまえばいずれバッテリー上がりを起こしますね。それとも巨大なバッテリーをつみますか？

駆動ロスよりの話は排気抵抗によるエンジンそのものの出力低下が、元からあるベルト方式の駆動ロスよりも大きくなってしまう可能性についての記述で、駆動方式自体のロスについての記述ではありません。

多軸から少軸への移行自体は私もしかるべきと思いますし、排ガスエネルギーの回収も大変有効なことだと言うことにはまったく異議を唱えるつもりはありません。ただ、ガスの発生源であるエンジンがエネルギー消費する側の都合とは無関係に運転される状況では相当無理があることと、ジェネレーターと言う基本的には熱を嫌うものをタービンのそばに置くこと、小型ジェネレーターで大出力を得ることが電気的には可能でも熱的には極めて難しいこと、容積型内燃機関の排気経路中に抵抗があると、排気行程で燃焼室内に排ガスが多く残ることになり、結果として新気の吸気がおよび燃焼阻害するので、前述のような記述をしてきた次第です。

確かに排気タービンのような手法は有効ですが、たとえば小型（ポータブルサイズもある）のガスタービン発電機はコンプレッサーと燃焼器とで構成されるガスジェネレーターは、出力タービンに必要な量のガスを供給するように制御されています。先のも述べたようにタービンと言う機構が極めて狭い範囲でしかその効率のよさを発揮できないた、めかなり細かな制御が必要になるようです。

mazeran · Answer

「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。

sailor · Answer

数センチ立法程度の発電機はちょっと無理でしょう。一般の乗用車クラスのオルタネーターでも800Wから1KW程度の出力を持っていますが、ジェネレーターの効率がよほど高くない限り、自ら発生する熱で丸焦げになってしまいますね。高周波での発電では確かにコイルの巻数は少なくてすむので、その点で小型化には有利ですが、小型化すれば2乗3乗の法則で、熱的に苦しくなりますよね。現状のオルタネーターでも内部のローターにファンを設けて、ケースには通風孔を設けて冷却にはかなり苦労しています。軸受けに関してもHDDの流体軸受けと同様とは行かないでしょう。氷点下からエンジンルーム内に設置するとなると100℃（タービンの近くならもっと高くなるでしょう）程度の温度で安定して働く必要があります。

それから、ポンピングロスの問題も解決しないと確実に出力の低下が起こります。ターボコンパウンド式のエンジンの排気抵抗増加による出力の低下は２％から３％程度あるようです。回収するエネルギーが小さいので同等とは言いませんが、うまくやらないとベルト式の駆動系のロスより大きくなってしまうか、コストを掛けて大した効果がないということになってしまいかねません。

あと、もうひとつ問題点がることに気が付いたので追記しますね。ターボチャージャーのように回転が低い時点でのタービンに掛かるトルクが小さいものであれば、たいした問題ではないのでしょうけど、ジェネレーターを駆動するとなると、状況によっては排気ガスの流量が低いアイドル時などでも、ジェネレーターの負荷が最大になる可能性がありますが、遠心式にしろ軸流式にしろ、ガスタービンと言うのはある一定の回転数範囲以外では非常の効率が悪い機械です。これは、負荷変動に対して回転数を変えずに運転できる機器にしかガスタービンが利用されていないことでもわかりますよね。自動車エンジンのようにガスの流量が著しく、しかも頻繁に変化するような状況でジェネレーターを駆動するに十分な出力を発生し、排気抵抗が少ないタービンとなると現在のターボチャージャーのようなわけには行かないでしょう。ウエストゲートのようなバイパスバルブを設けるとしても、どうやって排気抵抗を軽減するかは大問題になるかと思います。A/R比可変のようなタービンもありますが、これとてアイドル時などにはほとんど出力が得られないでしょう。このような機構を設けるとさらにコストを引き上げる結果になりますしね。

oo14 · Answer

こんなんはありますし、

http://eee.tokyo-gas.co.jp/product/gascogene/f15.html

昔走っていましたね。こんなのが。

http://en.wikipedia.org/wiki/File:STP_Turbine.jpg
http://www.geocities.jp/archives_greendragon/car_stp-lotus56_indy1968_honda.html

ガスエンジンのような小さなものができないんですよね。

頑張ってチャレンジしてみてください。

sailor · Answer

まず最も問題となるのがコストですね、タービン自体がプーリーやベルトなどを含めた駆動系と比べてはるかに高価ですし、タービンと直結させるような高速型の発電機は、現在のオルタネーターに使用している材料では作れません。通常のオルタネーター同じ材料では、鉄損（鉄製のヒステリシスによる磁気損失）やコイル自体のインダクタンスによる損失が多くて使い物になりません。ジェネレーター内部の回転部分についても高度な動的バランスを取る必要があり、これもコストを引き上げる原因になります。

排気タービンは非常に高温になるためタービンとはある程度の距離をとる必要がありますが、毎分数万回転以上という高速で回転するタービンのシャフトを長く伸ばすのはあまり得策とは思えませんし、ジェネレーターの軸受けにも、現在使用しているような安価なベアリングは使えませんね。減速ギアなどを使用したのでは装置自体が大きくなってしまいますし、それだけ高回転に耐えるギアボックスも安くはないでしょう。

排気タービンはエンジンの力を直接使用しないのは確かですが、タービンをつけることによって排気抵抗が増えることは確実です。これによるエンジンのポンピングロスは確実に増えますのでエンジンの出力にまったく影響がないわけではありません。ジェネレーターを回していたのではありませんが、ターボコンパウンド式と言って排気タービンで得た力を、ギアボックスを介しエンジンの出力にプラスする方式のエンジンがありましたが、実際にはタービンで回収したエネルギーをプラスした分の出力は得られませんでした。これはタービンが予想以上に排気の抵抗となりポンピングロスを大きくしたため、エンジン自体の発生する出力が、予想以上に大きく下がってしまったためでした。

不必要なときに動力の伝達をきるのであれば、クランクシャフトやカムシャフトなど無くす事のできない回転部分と、ベルトなどを介さずに電磁クラッチなどで断続させる方がはるかに簡単でしょう。また、小型バイクにあるようにフライホイール自体をローターとして使ってしまえば断続する機構も必要ありませんね。フライホイール一部を加工してオルタネーターのローターとステーターを埋め込んでしまえばいい話で、技術的には難しいことではないでしょう。これなら駆動によるロスはありませんし、排気抵抗の増加もありません。ただし、メンテナンス性は最悪でしょうけど・・・

一部の大型車などではジェネレーターをエンジン内部に組み込みカムシャフトを動かすタイミングギアによって回しているものもありますが、動力の断続機構などは持っていません。

sailor · Answer

まず最も問題となるのがコストですね、タービン自体がプーリーやベルトなどを含めた駆動系と比べてはるかに高価ですし、タービンと直結させるような高速型の発電機は、現在のオルタネーターに使用している材料では作れません。通常のオルタネーター同じ材料では、鉄損（鉄製のヒステリシスによる磁気損失）やコイル自体のインダクタンスによる損失が多くて使い物になりません。ジェネレーター内部の回転部分についても高度な動的バランスを取る必要があり、これもコストを引き上げる原因になります。

排気タービンは非常に高温になるためタービンとはある程度の距離をとる必要がありますが、毎分数万回転以上という高速で回転するタービンのシャフトを長く伸ばすのはあまり得策とは思えませんし、ジェネレーターの軸受けにも、現在使用しているような安価なベアリングは使えませんね。減速ギアなどを使用したのでは装置自体が大きくなってしまいますし、それだけ高回転に耐えるギアボックスも安くはないでしょう。

排気タービンはエンジンの力を直接使用しないのは確かですが、タービンをつけることによって排気抵抗が増えることは確実です。これによるエンジンのポンピングロスは確実に増えますのでエンジンの出力にまったく影響がないわけではありません。ジェネレーターを回していたのではありませんが、ターボコンパウンド式と言って排気タービンで得た力を、ギアボックスを介しエンジンの出力にプラスする方式のエンジンがありましたが、実際にはタービンで回収したエネルギーをプラスした分の出力は得られませんでした。これはタービンが予想以上に排気の抵抗となりポンピングロスを大きくしたため、エンジン自体の発生する出力が、予想以上に大きく下がってしまったためでした。

不必要なときに動力の伝達をきるのであれば、クランクシャフトやカムシャフトなど無くす事のできない回転部分と、ベルトなどを介さずに電磁クラッチなどで断続させる方がはるかに簡単でしょう。

一部の大型車などではジェネレーターをエンジン内部に組み込みカムシャフトを動かすタイミングギアによって回しているものもありますが、動力の断続機構などは持っていません。

oo14 · Answer

（１）フル充電されると負荷はなくなりますので、軽く回るようになります。燃費にはさほど影響しないと思われます。
（２）排気タービンは非力かつ、やわなので電力はたくさんは取り出せません。
また高回転なので減速器で相当のロスが出ますし、エンジン自体のパワー損失が大きいと思われます。
蒸気機関車は蒸気でタービン発電機を回していましたが、効率の悪さから使われることはなくなり、
修理に非常に苦労していると聞きます。実働機も日本で数台とか。

Lupinus2 · Answer

１　自動車のジェネレーターは励磁式。コイルと永久磁石ではなく、コイルと電磁石が使われており、
満充電になったら電磁石への給電を止めれば空回ししているだけなので、発電エネルギーは使われない。

２　ターボはエンジン回転が上がらないと回らない。低回転でも回るようにすれば高回転では回りすぎる。
排気熱で高温になるタービンはベアリングの潤滑など、耐久性が劣る。
加給器として使っているターボチャージドエンジンでも、オイル交換サイクルの短縮など、メンテナンスに手間がかかる。
小型のジェネレーターを高速回転させる場合でも、ベルトで変速（増速）すればいいだけのこと。
ベルトの消耗が問題になるならギア駆動にしてもいいし、バイクのようにクランクシャフトに直接取り付ける方法もある。

自動車工学に関する質問です。

プラグインハイブリッド車などではごく小さなジェネレーターで良いかもしれませんが、アイドルストップに関して必ずしもOKとはいえません。

「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。

数センチ立法程度の発電機はちょっと無理でしょう。

こんなんはありますし、

（１）フル充電されると負荷はなくなりますので、軽く回るようになります。

１ 自動車のジェネレーターは励磁式。

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