Thermal Science & Engineering Vol.15 No.2 (2007)[Review Lecture Paper]

自動車の環境対応と熱・流体課題
池上 徹‡

小林 信雄†

Automobile Industry’s Action on Environments
and Relevant Thermal and Fluid Dynamics
Nobuo KOBAYASHI†

and Tohru IKEGAMI‡

Abstract
To enhance the environmental performance of vehicles, CO2 emission should be reduced and the fuel efficiency
should be improved. The fuel efficiency can be improved by reducing the aerodynamic drag of vehicles and improving
the thermal efficiency of engines. Further improvement can be achieved by currently developed systems such as the
hybrid vehicle (HV), which employs the internal combustion engine and the motor, and by the fuel cell vehicle, which
does not require fossil fuel. However, HV and FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle) have piles of concerns to be tackled
such as thermal issues of new devices including the motor, the inverter, the battery and the fuel cell. This paper reviews
the thermo-fluid dynamic approaches, which are indispensable to manage these concerns.
Key Words: Automobile fuel consumption, Aerodynamic resistance, Hybrid vehicle,
Fuel cell hybrid vehicle

１ はじめに２ 自動車の普及と自動車産業

19 世紀に発明された自動車は 20 世紀に黎明期を

自動車の歴史は 1886 年ドイツのカールベンツが迎え，移動タイミングの自由度やドア TO ドアの利作った 3 輪自動車が祖と言われ，発明当時の動力と便性から個人の移動手段として人々に広く受け入れ

しては蒸気機関を用いていた．その後，意外な事にられ，供給燃料の安定確保，道路整備と相まって目

電気モータを動力とする自動車，ガソリンを燃料と覚しい普及をみた．反面，大気汚染，交通事故，最する内燃機関を動力とするガソリン自動車が開発さ

近では石油資源枯渇危機，CO2 増加による地球温暖れた．

化等，負の遺産を生み出したことも否めない．持続1900 年当時はこれら 3 つの動力を持つ自動車がそ発展可能な社会を実現するには自動車の環境対応は

れぞれ走っていたが，それぞれに課題を抱えていた．

欠くことができない．

蒸気はボイラーに入れる軟水の供給設備が不足し，自動車が関わる環境問題には，地域・都市環境問

電気は充電時間が長いにも関わらず走行距離が短く，題である大気汚染，騒音，振動，悪臭，廃棄物等がガソリンについてはエンジン始動性のため重いクラあり，また地球規模では地球温暖化，酸性雨，資源ンクを回す必要があり，更に変速が難しい上，給油枯渇等があげられる．

体制も未整備であった．

本稿では，地球温暖化に焦点を当て，とりわけ自

ガソリン自動車に幸運だったのは，当時照明のラ

動車の燃費向上技術の開発状況とその中の熱・流体

ンタンに灯油が使われたが，その精製過程の副産物

課題について簡単に紹介したい．

であるガソリンが，地方都市のドラッグストアで入受付日: 2006 年 3 月 20 日, 第 43 回日本伝熱シンポジウムより受付，担当エディター: 中山 顕
†トヨタ自動車(株) 471-8572 豊田市トヨタ町 1‡トヨタ自動車(株)第 1 車両技術部 471-8572 豊田市トヨタ町 1- 49 -© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.2 (2007)

手できたことにあった．その後 1911 年に電動スター

年以降減少する悲観的な予測もあり（図 3），エネル

タが発明され，ユーザは始動時のクランキングの重ギー需給から自動車も燃料多様化への対応は必須で労働から開放され，スイッチひとつでエンジン始動

ある（図 4）[1]．

が可能となり，次にトランスミッションのシンクロ

CO2排出量(GTC)

メッシュの発明により扱いやすさが各段に向上した．

14
12
10
8
6
4
2
0
199 0

更に，1914 年のガソリンエンジンである T 型フォードのベルトコンベア方式による大量生産の開始に伴い生産コストが劇的に下がった．
こうして燃料が容易に入手できるインフラ，取扱い易さ，低価格という普及 3 条件が整ったガソリン
自動車が，終に電気自動車や蒸気自動車から抜け出
し，20 世紀の主役に踊り出たのである．
また，1913 年のリンカーンハイウェイ協会のアメに対し，1950 年には 7000 万台，2000 年には 7.5 億台となっている．先進国の普及率が 1 台/2 人である

650 p pm
550 p pm
450 p pm
201 5

40

65

(年 )

90

210 0

Fig. 2 The curve of reduction of CO2 emission forthe stabilization of CO2 concentration.
70

年間バレル数＝x10億

地球上の保有自動車は 1900 年に 20 万台であったの

750 p pm

出典：IPCC 第 3 次評価報告書

リカ大陸横断道路構想に代表される自動車道路整備も開始されたことで自動車は目覚しい普及となり，2100年時点
CO2濃度

可能性

50
40

2037
2026

30
HistoryMean
Low (95%)
High (5%)

20

0
1900

測される（図 1）[1]．

最終的回収（ 10億ﾊﾞｰﾚﾙ）
2,248（low)3,003(expected)
3,896(high)

95%
50%
5%

10

ことを考えると今後 BRICs を中心に更なる増加が予

2047

USGS の最終的回収の見積もり

60

1925

1950

1975

2000

2025

2050

2075

2100

注: 全世界の生産量：U.S. 生産量と USGS 海外生産量の合計
仮定 ：年２％の石油需要成長率

2125(year)（出典：米国鉱山局）

14

１台/８人

10

６０億人

8

７.５億台

4

１台/４０人

人口80[石油換算百万トン]

70
60

途上国
先進国

50
40

人口（億人）

保有台数（億台）

12

6

Fig. 3 Scenario of crude oil production.

90

１台/数人

30

２５億人

35,00030,000

実績

再生可能エネルギー（水素転換分）推計25,000

再生可能エネルギー（ﾊﾞｲｵ、風力、太陽光）

20,000水力
非在来型天然ガス
原子力

20
2

０.７億台
1950

1960

1970

1980

1990

15,000

10

保有台数

0

2000

2004

天然ガス
非在来型石油10,0000
2 0 X0Estimation by TOYOTA

石油

5,000
石炭

Fig. 1 The number of the world population and owned
automobiles.

01900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100[年]

出典：日本エネルギー経済研究所

Fig. 4 The expected amount of energy supply.
３ 自動車と環境
４ 自動車の燃費規制
地球温暖化については IPCC (Intergovernmental
Panel on Climate Change )の報告によれば，現状を放前節の地球温暖化防止，石油資源枯渇対応を背景

置すると大気中の CO2 濃度は急激に増大し，2100 年として各国で燃費規制の設定・強化が実施されていレベルで約 6℃の気温上昇が予測されている．現在

る（図 5）．2005 年には自動車販売台数が急速に伸長

では 2℃上昇により異常気象，砂漠化，食糧危機がしている中国においても，燃費規制が開始された．

顕在化するとの予測がされており，それを防ぐには

日本の 2010 年燃費基準は 1995 年比で平均 22.8%の大気中の CO2 濃度を 450～550 ppm に安定化するこ

燃費改善，欧州の自主協定である各自動車工業会平とが必要とされている（図 2）．

均 CO2:140 g/km は 1995 年比で 25%（欧州自動車工CO2 排出量低減は化石エネルギーから新エネルギ業会）の削減という厳しいレベルにある．

ーへの転換や CO2 の固定化技術の開発等多面的な対最近では CARB(California Environmental Protection

応が必須である．また，原油生産量についても 2020

Agency)によりカリフォルニア州の温暖化ガス排出- 50 -© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.2 (2007)

規制（AB1493）が検討され，2009 年から規制を開(La －Lh )×η t ＝ Lw＋Lb ＋(Rl ＋μr×M ×g) ×V ･･･(1)La ＝ (Be×γ f×Hu ) ×η e・・・(2)
Rl = 12 ρ a V²×C D ×A
・・・(3)

始し 2016 年にかけて段階的に規制値を強化するものである．乗用車・小型トラックの 2013 年での規制
値は欧州自主協定 140 g/km より厳しいレベルとな

La: エンジン軸出力っている．カリフォルニア州以外でも米国東部州

Lw: ホイールベアリング摺動損失を中心にこの規制を採択しようとする動きが出て

Lb: ブレーキ引き摺り損失いる[2]．

r:

03

04

05

06

07

08

09

10

2005年 燃 費 基 準（ ﾃ ﾞｨ ｰ ｾ ﾞ ﾙ ）日本a:

P 2 0 10 年
燃費基準

1 4 0 g /km 達 成

中間目標
欧 州 自 工 会 (1 6 5 ～ 1 7 0 g/k m )日 本 自 工 会 (1 6 5 ～ 1 7 5 g/k m )

ＣＡＦＥ
米国

1 2 0 g/k m

欧州自工会
日本自工会
韓 国 自 工 会 (1 6 5 ～ 1 7 0 g/k m )韓 国 自 工 会 （ 2 0 1 2)

欧州

乗 用 車 LDVL D T 2 0 .7 → 2 2 .2 m p g
規制強化

小 型 ﾄ ﾗ ｯ ｸ L D V ： 2 0 .7 m p g

2005年(第 1 段 階 )

中国

燃料比重量

e : エンジン発熱量

A: 車両前面投影面積

６ 燃費性能の向上技術

加 州 CO2規 制（ A B 1 4 93 ）： 2 7 .5 m p gf:

空気密度 V: 車両速度

CD: 空気抵抗係数（ ｶ ﾞｿ ﾘ ﾝ ）t : 駆動系伝達効率

Be: 燃料消費量

Hu: 燃料低位発熱量

11～ 152010年
燃費基準

Rl: 空気抵抗

M: 車両質量

タイヤ転がり抵抗係数

g: 重力加速度
02

Lh: 補機駆動損失

L D T ｻ ｲ ｽ ﾞｸ ﾗ ｽ 規 制

6.1 走行抵抗

2008年(第 2 段 階 )走行抵抗は前出の式（1）の右項であるがシャシー

注：CAFE : Cooperate Average Fuel Economy 企業別平均燃費

系部品の摩擦抵抗（ホイールベアリング転動抵抗，Fig. 5 Trend of the regulation of fuel consumption withrespect to the countries.

ブレーキ引き摺り抵抗）低減とタイヤの転がり抵抗の低減，質量低減と共に空気抵抗低減が必要となる．
一般的な乗用車において空気抵抗の走行抵抗へ

５ 自動車の燃費性能構成因子の寄与率は車速 60 km/h 程度を境にシャシー系部品

車両の燃費性能は定められた走行パターンで消費される燃料（ガソリン・軽油）を示し，一般的には（走行距離/消費された燃料の体積）で表される．
ガソリンの熱効率： e は，
理論上 60%程度あるが，現実には機関各部の摺動抵抗（フリクション），吸排の転がり抵抗を上回り，200 km/h では走行抵抗の約9 割を占め，空気抵抗を 10%低減すると国内 10･15燃費モード(乗用車・軽商用車燃費試験方法)では 1%
弱，車速 120 km/h の高速巡航モードでは 5%の燃費向上が期待できる（図 7）．

気損失，燃焼による損失があり，エンジン軸出力に

定地走行
1400

部分が冷却水，
排気ガスを通じ，外部に放出される．

1200

エンジン軸からでた出力は，補機にその一部を与1000えた後，駆動系の伝達効率 t を経て，タイヤに駆動力として伝達される．

走行抵抗 （Ｎ）

変換できなかったエネルギーは，熱・圧力となり大800とのバランスにより，加速・減速・定常走行が決定

0示す[2]．

米国ﾓｰﾄﾞ

転がり抵抗

60km/h

国内ﾓｰﾄﾞ

0

50

100
150
車速 (km/h）

200

250

0

1

2

3

4

5

【走行抵抗の 低減】
・空気抵抗：CD・車両質量・転がり抵抗

A:車両前 面投影 面積 M:車 両質量
RRC:タイヤ 転がり抵抗 係数 (Ro lling Resistauce Coefficient)

空気抵抗低減のポイントは基本的には車両前部で内 部摩擦 T/M
冷 却水
(10 %)(2 %)エ ンジン
補 機(9 %) 【補機 負荷の 低減】
排 気ガス
・エ アコン・ヒ ータ【パワトレ効率 向上】【廃熱エネ ルギ ーの回 収】
・ オルタ ネータ：電気 負荷

流れを剥離させず，後部では後流を収束させるように形状を絞り込むのが良いとされているが，自動車としてのパッケージやデザインとの成立性の課題があるため，様々な空力技術を部位に応じて使い分け，Fig. 6 Energy flow.

改善を図っている．具体的にはルーフからトランク- 51 -

6

CD*A
10%当たりの燃費改善率 (%)
D

Fig. 7 Influence on the vehicles of the drag coefficient.

走 行動力( 16 %)
燃料
100 % 廃 熱
(63 %)

欧州ﾓｰﾄﾞ

400
200

6 に，エネルギーバランス式を式（1）
，
（2）
，
（3）に

定地
(120km/h)

空気抵抗

600

車両走行時には，このタイヤ駆動力と走行抵抗力される．定常走行時におけるエネルギーの流れを図

CD =0.30
A=2.11m2
M=1080kg
RRC=0.010

空力による燃費改善効果© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.2 (2007)にかけて圧力回復できるように形状を最適化，局所での剥離を抑制するよう徹底したボデー表面のフラ6.3 駆動系効率
駆動系による燃費向上は，大きく以下の 2 点によッシュサーフェス化とエンジン冷却開口とラジエーり対応されている．

タ周りのダクト化による通気抵抗低減，タイヤ周り（1）駆動系ユニットの損失低減の整流，徹底した床下流れの整流等（図 8）が行われている[3]．

トランスミッションギアの噛合い損失の低減，ト
ランスミッションフルードの攪拌損失の低減，摺動
面の引き摺り損失低減等ハード側の改良と

エン ジン
アンダーカバー

フロアカバー

サスペンショ ン下カバー

AT(Automatic Transmission)のロックアップ領域拡大

マフラー
フェアリングによる伝達効率向上と減速時ダウンシフトによるフューエルカット領域拡大等の制御側対応も実施され

バンパ
流入防止
フロント
スパッツ

ている．

フラットフロア（2）エンジン使用領域の最適化

リア スパッツ

整流インシュレータ

エンジン コンパー トメント
吹き出し 制御

効率的に燃費向上するためにエンジンの熱効率向Fig. 8 Points of Cd reduction.

上を最大限引き出す方法として AT の多段化やCVT(Continuously Variable Transmission)によりエン

6.2 エンジン熱効率

ジン特性と協調させ，熱効率が最も良い作動点にエエンジンの熱効率を向上させるには，理論熱効率

ンジン回転数を制御する方法が取られている．

を向上させ排気損失，冷却損失を低減すること，機械効率を向上させ摩擦損失を低減，吸排気タイミン

７ 究極の環境対応車めざしてグと吸排気システムの適正化によるポンピング損失を低減させることが必要である．

究極の環境対応車を目指すにあたり 3 節で述べた

排気・冷却損失を低減する方策としては，次のよ

ようにエネルギーの多様化に対応する必要がある．

うな手段がある．

そのためにはハイブリット技術は適していると言え・ノッキング改善による高圧縮比化

るだろう．

・廃棄（熱・圧力）エネルギー回収+

ここで排気圧力エネルギー回収の一手法としてタ

バッテリー

外部電源

ーボ過給があり，ディーゼルエンジンでは一般化さ
ンの暖機特性を向上させるデバイスも開発されている（図 9）．
摩擦損失を低減する方法としては次の手段がある．

エネルギｰれた技術である．最近では排気熱を回収し，エンジ・スペックの最適化（オフセットクランク等）

加速時など
エネルギー不足の場合にエネルギーを供給

加速

ランプ
エアコン
オーディオ

運動エネルギーを一定のｽﾋﾟｰﾄﾞで回収して貯蔵余剰エネルギーを貯蔵

減速中、エンジン停止
時間軸

停車中は

・摺動面の加工精度向上，表面処理変更

エンジンも停止

エンジンを
最高効率域で運転

減速－
Fig. 10 Energy management for the hybrid vehicles.
Rrヒータコア
リヤヒータコアエンジン

図 10 にプリウスを例にとってハイブリット車のFrヒータコアフロン
トヒータコア

燃費向上の原理を示す．まず，減速時のエネルギー

流路切り替えバルブ

をモータの回生により電池に蓄えるとともに，その
マフラ
チェック
バルブ

回収したエネルギーを発進直後のエンジン効率が低

触媒い時にはモータで走行するのに使用するとともに，アクチュエータ
制御弁
VSV

加速時はエンジンを補助することにより燃費の向上

バキューム路を図るということがその原理である．また，走行時

Fig .9 Exhaust Heat Recirculation System.
(Estima HV 2006 model)に使用する電気エネルギーは減速エネルギーのみならず，エンジン効率の良好な作動条件において，発- 52 -© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.2 (2007)

電することにより蓄積させることもできる．ハイブ
ＨＶ専用分

リット車の燃費向上の原理は次のようにまとめられる．
・走行エネルギーの回収および再利用
・エンジンの低効率域での電池（&モータ）の代ｴﾝｼﾞﾝ系

冷却部位

冷却方式

エンジン

水冷

ﾊﾞｯﾃﾘ系

バッテリ極板

ＨＶ系

インバータ素子
DCDCコンバータ素子
モータコイル

替利用
実際の走行パターンで 2 つの動力源がどのように

強制空冷
水冷

HV冷却水の流れ

使われ，エネルギー回収しているかを図 11 に示す．

インバータ
DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀ
冷却風吸気

プリウスの例
HVﾗｼﾞｴｰﾀ
ポンプ

モータ

バッテリ

バッテリ冷却ファン

Fig. 12 Refrigeration system of the hybrid vehicles.
エンジン停止＋ﾓｰﾀｰ走行エンジン
or

ﾓｰﾀｰ走行
or

エンジン
＋
モータ

エンジン停止＋回生ブレーキエンジン停止エンジン＋モータ

Fig. 11 Driving mode of the hybrid vehicles.
さらに 2 代目プリウスにおいてはエアコン用コン
プレッサを従来のエンジン駆動式から電動モータ駆動式とすることで冷房の要求によるエンジン始動をなくし，エンジン停止時間を延ばし，燃費向上と快Fig. 13 Structure of the motor cooling.

適性の両立を実現している[4]．
８ 新しいパワーソースの熱・流体課題

8.2 インバータの熱課題
インバータの構成を図 14 に示す．
インバータ素子

ハイブリッド技術により画期的な燃費向上=CO2

自体を冷却したいが，電気的な絶縁が必要なためモ排出量削減を実現したが，そこにはたくさんの超えータ同様，熱抵抗の大きい間で冷却をする必要があ

るべき挑戦的課題が存在した．特にハイブリッド技

る．冷却性能を向上させるため，放熱板の材質類に術は新しい電子デバイスやパワーソースを活用する

よる熱伝導率向上，伝熱面積の拡大，ヒートシンクが，
熱課題がついてまわった．
代表的なものとして，に設けられた冷却水経路の改良により課題を克服しモータ，インバータ，バッテリーがあげられる．プている．

リウスの冷却システムを図 12 に示す．
制御基盤

R1

8.1 モータの熱課題
ハイブリッド車の電気モータは密閉型を使用しており，ロータ磁石の減磁防止，絶縁紙の耐熱性，コイル被覆の耐熱性に配慮し，水冷を行なっている．
しかしながら，ステータから各部を冷却するには絶縁紙自体，コイル巻線間の空間が熱抵抗となってしまう（図 13）．そこでモータギアの潤滑・冷却を行

チップ

放熱板

絶縁基盤

R2

放熱板（ベース）

ヒートシンク水ダ イオ ード

ヒートシン ク（ AL）

熱抵抗 ℃／Ｗ

ゲル材が充填

チップ

R3
半田- 53 -

R2
R3

シリコン グリスｴﾝｼﾞﾝﾍｯﾄﾞ ｲﾝﾊﾞｰﾀ

Fig. 14 Structure of the inverter cooling.

っているオイルも活用し，冷却を行っている[5]．

R1© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.2 (2007)8.3

バッテリーの熱課題

8.4

FCHV の熱課題

バッテリーはそれ自体の発熱量は 100～150 W 程

燃料電池を活用したハイブリッド車は走行時の度であるが，寿命の観点から許容温度が低く，少なCO2 排出が無いため都市環境負荷が非常に低いメリ

い温度差での冷却が要求される．実際のバッテリーットがある．燃料電池の発電効率は約 45～60%程度

冷却システムを図 15 に示す．
室内の空調された風をで高出力時ほど効率は低下し，それ以外は発熱とな活用してバッテリーを冷却しているが，冷却ファンるため水冷を行っている．低負荷ではその効率の良騒音等との両立が必要となっている[6]．

さから冷却は問題とならないが，高出力が要求された場合，内燃機関を持つ従来の車両では排気側にエ℃

ネルギーを捨てる事ができるが，燃料電池車では全

温度

ΔT≒ 50℃て水冷却側に廃熱されるため，非常に冷却が厳しい

ΔT≒ 10℃

ｴﾝｼﾞﾝ ﾗｼﾞｴｰﾀ
水温 前気温ﾊﾞｯﾃﾘ 冷却風
温度 温度

エン ジン 冷却

バッテリ冷却ものとなっている（図 16,17）．
９ 終わりに地球の温暖化防止，持続的発展可能な社会を実現

冷却水損失熱量(kW)Fig. 15 Structure of the battery coolimg.

するためには自動車の燃費向上は必須である．自動車だけでは到底解決できる問題ではないが，他に先FC駆けて積極的に対応していくべきことと考えている．

ｴﾝｼﾞﾝ

エン ジン

また，一人の人間としての立場からは人類が生み出（ Ｖ６ ３．３Ｌ）

してきた様々な負の遺産に自ら対峙し，青い地球を
高速定常

後世に継承していくためにできることは確実に実践

FCしていくことも大切であろう．
低速登坂

高速登坂

FC.ENG出力(kW)

参考文献

Fig. 16 Diagram of heating characteristics with respect
to the FC and Engine.

[1] 小吹, ハイブリッド車の現状と将来, 東京国際自動車会議 ，セッション F2-1，(2005).

[2] 高間, 西村, 伊藤, 車両の CO2 低減策, 自動車
技術, Vol.59, 20044169 (2004).
[3] 炭谷, 前田, 一之瀬, 自動車と流体力学:車体周り流れと空力特性, ながれ,23, 445-454 (2004).

[4] 佐々木, ハイブリッド車とその構成部品, 自動車技術, Vol.59, No.2, 20054127 (2005).

[5] 畑ら, FF SUV 車用新ハイブリッドトランスミッショ
ンの開発, 2005 自動車技術会学術講演会前刷集 ,No.8-05, 20055046 (2005).
[6] 宿谷ら, エスティマ HV 用新型バッテリシステムのFC 用ラジエータ

Fig. 17 Cooling system of the FC.

開 発 , SAE2002 World Congress, SP-1697, 2002-011090.

- 54 -© 2007 The Heat Transfer Society of Japan