ハイブリッド車の燃費がいいというのは、誰でも分かっていることだと思います。
しかし、なぜハイブリッド車の燃費がいいのかについて分かっている人は、意外に少ないのではないかと思います。
「モーターを補助動力として使っているんだから、燃費が良くなるのはあたり前だ」と思うかも知れませんが、そのモーターを動かすためのバッテリーも、実はエンジンを使って充電されているわけです。
充電のためとはいえエンジンを回せば、当然ながらガソリンを消費します。
それなのに、なぜハイブリッド車は燃費が良くなるのでしょうか？
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低回転から高トルクを発生する直流モーター
ハイブリッド車ではない一般のガソリン車が、一番燃料を消費する場面というのはどういうときでしょうか？
ご存知の通り、車というのは止まっている状態から発進させるときに、たくさんのガソリンを消費することになります。
これは、自転車に乗ったときに、最初のこぎ始めのときに一番力を必要とするのと同じ理屈です。
一度動き出してしまった物体は、慣性の法則が働きますから、あとは空気抵抗や路面との抵抗などによってエネルギーを損失する分を、軽くエンジンで補ってあげればいいわけです。
信号の少ない郊外の道を走ると、燃費が良くなるのはそのためです。
ハイブリッド車というのは、この一番燃料を消費する発進のときに、モーターの力を借りることによって、エンジンの負担を減らすことができるように考えられています。
では、なぜ発進のときにモーターの力を借りることで、燃料の消費を減らすことができるのでしょうか？
モーターを回すためのバッテリーも、エンジンを回すことで充電しているわけですから、もともとはガソリンを消費することでモーターのエネルギー源としているわけです。
しかし、ハイブリッド車に使われている直流モーターには、どんな回転であっても発生トルクがフラットだという特徴があるのです。
電車などに使われているのもまさにこの直流モーターで、低回転であっても高回転であっても、常に最大トルクを発揮することができるのです。
それに対して、ガソリンエンジンというのは、低回転時にはトルクが低く、高回転になるにしたがってトルクが強くなっていくという特性があるのです。
つまり、クルマのスタート時というのは、エンジンにとって回転数が低くてトルクが出にくい状態、つまりあまり力が出ない状態であるわけです。
そんな力が出にくい状態であるにもかかわらず、エンジンはクルマを発進させるという一番大変な仕事をしなければならないわけです。
そこで、エンジンが一番大変な仕事をするスタート時に、低回転から強いトルクを発揮する直流モーターの力を借りることで、エンジンの負担を大幅に減らすことができるわけです。
このように、エンジンが一番ガソリンを消費するスタート時に、低回転から最大トルクを発揮するモーターとの共同作業をすることで、発進時の効率を大幅にアップさせていることになります。
そして、モーターを動かすためのバッテリーは、エンジンの負荷の少ない一定速度で巡航しているときなどに、たっぷりと充電をしておけばいいわけです。
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回生ブレーキによって発生するエネルギーを回収
ハイブリッド車の燃費が良くなる理由は、発進時にモーターがエンジンを補助するからだけではありません。
本来は捨てているはずのエネルギーを利用して、モーターを回すためのバッテリーを充電する仕組みがハイブリッド車にはあるのです。
本来は捨てているはずのエネルギーというのは、つまりクルマを止まらせるときに使うエネルギーです。
クルマを発進させるためには大きなエネルギーが必要なことは誰もがイメージできると思いますが、動き出してしまった物体を止めるためにも同様にエネルギーが必要になります。
止まっている状態のクルマを60km/hまで加速させるために必要なエネルギーは、エネルギー保存の法則により60km/hで走っている状態のクルマを0km/hまで減速するときも同様に必要になるのです。※ここでは話を分かりやすくするために、空気の抵抗や路面の抵抗などはあえて無視して説明しています。
一般のガソリン車の場合は、運動エネルギーをブレーキングの際の摩擦により発生する熱エネルギーに変換することで、クルマを減速させることになります。
つまり、60km/hで走っていたときの運動エネルギーを、すべて熱に変換して捨ててしまっていることになるわけです。
ところがハイブリッド車の場合は、これまで熱エネルギーに変換して捨てていた運動エネルギーの一部を、電気に変換してバッテリーに蓄える仕組みを取り入れたわけです。
これを回生ブレーキと呼んでいます。
何か特別なブレーキのように感じるかも知れませんが、実はクルマを動かすためのモーターを発電機として利用しているのです。
実はモーターと発電機というのは、基本的に構造が同じなのです。
外部から電気エネルギーをもらうことでモーターとして動力を発生させることができますし、逆に動力的なエネルギーをもらうことで発電機として電気エネルギーを発生させることができるのです。
簡単にいうと、アクセルを踏んだときはモーターとして働き、アクセル戻した時には発電機として働くということです。
自転車のライトを点灯させるとペダルが急に重くなると思いますが、発電機が電気を発生するときには、運動エネルギーが電気エネルギーに変換されることによってブレーキのような役目を果たすことになります。
もちろん、この回生ブレーキだけでクルマを止めることは出来ませんので、あくまでもメインのブレーキは一般的なガソリン車と同じフットブレーキになりますが、これまで捨てていたエネルギーをいくらかでも回収するための仕組みが、この回生ブレーキということになるのです。
アイドリングストップによるガソリンの節約
エンジンはクルマを走らせるために存在し、ガソリンを消費しているわけですので、省エネの観点からみれば信号待ちや渋滞で止まっているときにエンジンがかかっているというのは、大いなる無駄ということになるわけです。
そのため、信号待ちや渋滞のときにはアイドリングをストップさせて、必要のないときにエンジンがガソリンを消費することを防ぐための装置は、燃費改善に非常に有効になるわけです。
この仕組みが、いわゆるアイドリングストップです。
最近では、ハイブリッド車以外のクルマでも、このアイドリングストップ装置を装備しているクルマが多くなっています。
最近のクルマがかつてにくらべて飛躍的に燃費が良くなった背景には、このアイドリングストップを採用したことによる影響が少なからずあると思われます。
また、アイドリングストップは燃費改善に効果があるばかりではなく、渋滞時における排気ガスの量を減らすことができますので、環境にもやさしいということが言えるわけです。
ハイブリッド車が市街地以外では燃費がのびない理由
このように、さまざまな仕組みにより普通のガソリン車とくらべて燃費が良くなっているハイブリッド車ですが、長距離を走ると思ったほど燃費が良くないという話を耳にすることがあります。
確かに、ハイブリッド車の燃費が良くなる仕組みを考えた場合、これは事実であるといえます。
高速道路や郊外の信号の少ない道路を淡々と走らせているときには、市街地を走るときにくらべて止まったりスタートしたりする回数が少なくなりますので、ハイブリッド車のメリットが得られにくくなるわけです。
つまり、クルマを一定の速度で走らせるときには、もともとガソリンの消費量は少なくなりますので、ハイブリッド車も一般のガソリン車も燃費的に大きな差は出なくなってしまうわけです。
特に高速走行をするときには、たとえハイブリッド車であっても、速度を維持するためにエンジンもモーターもフルに動くことになりますので、効率化の仕組みをうまく活用できないことで苦戦をすることになるわけです。
文・山沢 達也
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