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中村：トライボロジー技術の進展による自動車の省エネ

解 説

特集・創立 60 周年記念 自動車の省資源 ･ 省エネルギー〝トライボロジスト〟第 61 巻
原稿受付 2015 年 6 月 23 日

第 2 号（2016） 65～70

トライボロジー技術の進展による自動車の省エネ
中村隆＊

Improvement of Fuel Efficiency of Passenger Cars by Taking Advantage of Tribology
Takashi NAKAMURA＊
Key Words：tribolog, passenger car, fuel efficienc, improvement, power train, retroactive effectの損失削減が上流の損失に影響するとした考え）

₁． は じ め にを考案した2）．その結果として，動力伝達各要素

日本政府は 2030 年までの温暖化ガス排出量をの損失を削減した時の燃費に及ぼす影響を簡便に2013 年比で 26 ％削減する新たな目標を 2015 年計算することのできる ﹁寄与率﹂ が得られた．の G7 で打ち出した．東京電力福島第一原発事故

₂ ． 2010 年 基 準 乗 用 車

以降の混乱があるものの，温暖化ガス排出削減の努力は続ける必要がある．トライボロジストが排2011 年にスタートした研究会は，国内において出削減に貢献できるのは生産加工分野と輸送機器

その時点で最も平均的でボリュームゾーンの基準分野が主な対象であろうが，ここではトライボロ車として表 1 のガソリン乗用車を選んだ．現在か

ジー技術の進展による普通乗用車の省エネについらみればトランスミッションは CVT が主流となて議論する．本報告は日本トライボロジー学会のっている事，またエンジンオイルも 0W-20 が中

第 1 種研究会 ﹁自動車のトライボロジーによる省心となっていることなど変化があるが，あくまで資源・省エネルギー予測調査研究会﹂（以後，研2010 年車に対してトライボロジー的な進展による究 会）の 成 果 で あ る．研 究 会 は 2011 年 度 か ら2020 年車の燃費改善を予測することとした．表 1

2013 年度まで自動車メーカー，自動車部品メーには基準走行条件も併記する．平坦な舗装道路をカー，大学の研究者が集まり，2010 年に発売され60 kmh 一定速度で走行（定地走行と呼ぶことにた乗用車（2010 車）に対し，2020 年に発売されする），見積もり燃費を 20 kmL（5 L100km）る乗用車（2020 車）の燃費がトライボロジー技術とし，以後の近似実走行，損失削減による 2020

1）の進展によりどれだけ向上するかを予測した ．

年車の燃費計算では，この見積もり燃費を基準と予測は巷の未来予測などとは異なり，各要素メーして予測した．

カー技術者が技術的だけでなく市場的にも実現可

表1

能な動力伝達各要素の摩擦損失削減率を出した．
これだけならば研究会は 1 年もあれば終了したで

様

小型車，排気量：1 800 cc，5 速 AT
重量：1 500 kg，エンジンオイル：SAE5W30

基本走行
条件

舗装道路（傾斜 0）60 kmh 定速走行，エンジン回転数：1 500 rpm，エンジン油温：90℃，ATF 油 温：80℃，見 積 り 燃 費：
20 kmL，エアコン不使用仕あろうが，各要素の損失削減が燃費向上に及ぼす影響の議論が錯綜した．最も紛糾したのはエンジンの伝熱損失，排気損失であり，最終的には全摩擦損失削減率と同率でそれらの損失も削減できるとした．また研究会では遡及効果（動力伝達下流

2010 年基準乗用車の仕様と基準走行条件〔出典：文献 1）〕

名古屋工業大学 機械工学科（〒 466-8555 愛知県名古屋市昭和区御器所町）
Department of Mechanical Engineering, Nagoya Institute of Technology（Gokisocho, Showa-ku, Nagoya-shi, Aichi 466-8555）＊

Corresponding author : E-mail: tnakamur@nitech.ac.jp

3

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トライボロジスト

第 61 巻

第 2 号 （2016）

₃． 定 地 走 行 で の 負 担 割 合 と 寄 与 率

オイルポンプ 2.4

クランク 2.6

₃ .₁ 定 地 走 行 で の 各 要 素 負 担 割 合 と 削 減 率
自動車のエンジンからタイヤまでの動力伝達にピストン 2.8

おいて，定地走行におけるガソリン消費量に対す

パルプ 0.8

排気・冷却損失60

る各要素の負担割合を研究会で算出した結果を表2 に示す．定地走行ではタイヤの損失が最も大きチェーン 2.4ブレーキ 1.2
ハブBRG 1.3

く，またエンジンの負荷率が小さい事から吸気ポ

ポンピングロス 7.0

ベアリング 0.1
ギヤ 1.4.
デフ 0.5ンピングロスの占める割合が次に大きい．これをタイヤ 7.5

クラッチ 1.25

エンジンの排気・冷却損失，空力損失を含めてグ

摩擦損失
20

ラフで表すと図 1 となる．燃料消費全体を 100 と理論出
力 40

すると，空力損失が 5，動力伝達の摩擦損失が 35，排気・伝熱損失が 60 である．動力伝達各要素の燃料消費 100

損失を 2010 年車と比べ 2020 年車ではどれだけ削図1減できるかを研究会メンバーの自動車部品メーカ

ウォータポンプ 2.0

オイルポンプ 1.75

摩擦損失5純出力
20駆動
15エンジン 40TM・デフ 20

摩擦損失
10

走行 5

空力損失5ホイール15

空気抵抗 5定地走行での摩擦損失負担割合（％）
〔出典：文献 1）〕ー，および自動車メーカーから出してもらい，同出した（H27 年度採択の科研テーマは ﹁引きずりじく表 2 に削減手法とともに示す．ただし，ブレ抵抗を限りなくゼロとするディスクブレーキの開ーキ（走行中もディスクとパッドが接触している発研究﹂）．ここまでは，これまでの経験と少しのことによる引きずり抵抗）についてはブレーキメ勇気で完成したが，研究会の名称からすればそれーカーが不在であったため，主査の私の責任で算により燃費がどれだけ良くなるかを示すことなく2020 年車
損失削減率，％

エンジン

近似実走行寄与率，％コンポーネント

5 ％傾斜登坂負担増加率，％動力伝達各要素の定地走行負担割合，登坂時負担増加率，近似実走行寄与率，2020 年車損失削減率および損失削減
方法〔出典：文献 1, 2）〕
定地走行負担割合，％

表2

オイルポンプ

2.4

86

4.7

17

オイル低粘度化

クランクベアリング

2.6

96

5.350

幅狭化，テクスチャ，表面処理，低粘度化

ピストン

2.8

180

7.2

71

低面積，リング張力低減，表面性状

バルブ

0.8

180

2.075

表面性状，転がり化，シール改善

要素

2.4

180

6.250

ガイド材料改善，チェーンリンク平滑化，
幅狭化

ポンピングロス

7.0

−7

9.9

29

排気再循環，ミラーサイクル

ウォータポンプ

2.0

87

4.0

25

シール改善，電動化

チェーン・ベルトトランスミッション・デフホイール

損失削減方法

ベアリング

0.1

43

0.3

50

小型化，低粘度化，玉軸受化

ギヤ

1.4

200

5.6

50

高精度化，低粘度化

デフ

0.5

100

1.550

高精度化，低粘度化

クラッチ

1.25

87

3.920

低粘度化

オイルポンプ

1.75

875.114低粘度化

ブレーキ1.202.592

非接触化

ハブベアリング

1.352.762

シール改善，グリース改良

タイヤ

7.5

1016.135

材料分子設計，トレッド改善

4中村：トライボロジー技術の進展による自動車の省エネ

67

終わることはできない．の結論であり，空気抵抗を含む全摩擦損失の削減

₃. ₂ タ イ ヤ の 転 が り 損 失 削 減 と 寄 与 率は図 1 の排気・冷却損失を同じ割合で削減すると日本自動車タイヤ協会ではその HP で，タイヤしている（HOLMBERG の三重効果）．エンジンの専の転がり損失を低減した時の燃料消費削減率を門家には異論もあると思われるが，摩擦損失削減﹁寄与率﹂ として，表 3 に示す寄与率の値を示し前後で燃焼効率が大きくは変わらないとすると，3）ている ．たとえば寄与率が 10 ％の時，タイヤの最大限の見積もりとして受け入れることが可能で転がり損失を 20 ％低減すれば燃料消費は 2 ％削ある．そこで，タイヤの損失削減の例に適用する減できることになる．表 3 の一定速度走行では，と，図 1 より全摩擦損失は 40 であるから 7.5÷40

20～25 ％と示されているが，20 ％は空力損失の=0.1875=18.75（％）がタイヤ損失の全摩擦損失占める割合が大きい高速道路での寄与率であり4）， （空気抵抗を含む）に占める割合となる．タイヤ研究会が想定する 60 kmh の一定速度では寄与損失を 0 にしたとすると，冷却・排気損失も同じ率を 25 ％とするのが妥当である．ところが表 2割合で削減されるとしたことから，全燃料消費もに示すとおり，定地走行でのタイヤの負担率は18.75 ％の削減となり，これが定地走行でのタイ7.5 ％であり，タイヤ損失の燃費への寄与率 25 ％ヤの燃費に対する寄与率となる．しかしながら最には遠く及ばず，他の影響があると推定できる．

大限の見積もりであるこれでも日本自動車タイヤ

₃ .₃ HOLMBERG の 結 論協会が示すタイヤの寄与率 25 ％には及ばない．
₃.₄ 遡 及 効 果

研 究 会 が ス タ ー ト し た 年 度 の 年 明 け に，K.
HOLMBERG らは全世界を対象に自動車利用においここまでの寄与率推定では，たとえばタイヤのて摩擦損失でどれだけの燃料を浪費しているかの転がり損失を削減した場合，他の動力伝達各要素報告を出した5）．彼らはその報告の中で平均速度の摩擦損失は変化がないとして計算した．確かに

60 kmh の実走行での分析を行い，燃料消費削減

エンジン回転数が変わらない限り，オイルポンプに関し以下の結論を得ている．

やクラッチでの摩擦損失には変化がない．しかし，①燃料エネルギーの 33 ％はエンジン，変速機，歯車や軸受などの要素では，タイヤの転がり損失

タイヤ，ブレーキでの摩擦損失に打ち勝つためが減れば伝達すべき動力も少なくなり，摩擦損失に使われている．

も減ると考えられる．そこで図 2 に示すように，②全摩擦損失（空気抵抗 5 ％を含む）の削減は三タイヤの転がり損失を 10 ％削減した時の影響を，重に燃料消費の削減に寄与し，排気損失と冷却各コンポーネントでの損失削減率を動力伝達上流損失の両方を同じ割合で削減する．の一部の要素（影響のある）の損失から差し引き，③平均速度 60 kmh の実走行において，2010 年最終的な燃料消費を計算した．ここで，表示の数車と比べ，2020 年車は 52 ％の燃料消費削減が値は燃費（L100km）換算とし，またクランク可能．

シャフト軸受では軸回転数依存度が大きいことか

HOLMBERG らの分析は市街地から高速道路までら影響量を少なくした．計算結果は燃料消費がの平均車速を 60 kmh としているが，①の結論2.77 ％削減され，寄与率としては 27.7 ％となっでは定地走行とした研究会とほぼ同じ（研究会でた．上記の計算は最大限の見積もりであることかは 35 ％）負担率を示している．注目すべきは②

ら，日本タイヤ協会が示す 25 ％に対し，寄与率27.7 ％は極めて良い推定であると言える．動力伝表3

達川下要素の損失削減が川上要素の損失に影響す日本自動車タイヤ協会が示すタイヤの寄与率〔出典：文献 3）〕
走行条件

タイヤ燃費への寄与率

一定速度走行

20～25 ％

モード燃費試験

10～20 ％

一般市街地走行7～10 ％

ることを遡及効果と呼ぶことにする．

₄． 近 似 実 走 行
古くは自動車の燃費も 60 kmh 定地走行での燃料消費で表していた．しかし，実用時の燃費と5

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トライボロジスト

オイルポンプ 0.12

排気・冷却損失
3.00.134

バルブ 0.04

0.038

チェーン 0.120.115

遡及効果ブレーキ 0.06
ハブBRG 0.065

0.06
0.065

ポンピングロス 0.35

2.917

1.945

燃料消費

図20.128

ピストン 0.14

2.0

理論
出力2.0

第 2 号 （2016）

0.12

クランク 0.13

2.77 % 燃料改善
5.04.862

第 61 巻摩擦損失
1.0純出力1.0

ベアリング 0.005

0.35

0.1

ウォータポンプ 0.10.067

デフ 0.025
クラッチ 0.063

0.024
0.063

オイルポンプ 0.087

0.087

1.945
0.985

1.00.958

0.958 0.75

エンジン

0.713

TM・デフ

摩擦損
失 0.5

タイヤ 0.375

0.338

タイヤ損失のみ
10 %削減0.713

摩損 0.25 0.245

駆動
0.75

0.0048

ギヤ 0.07

走行 0.25

0.463

0.25

0.25

空損 0.25ホイール

空気抵抗 （右がタイヤ損失削減後）2010 年基準乗用車のタイヤ損失を 10 ％削減した時の他要素に及ぼす影響：
遡及効果，図中の右側が削減後の燃料消費（L100km）〔出典：文献 1, 2）〕の差が大きいことから，現在は複雑な走行パター事だけでなく，各要素の損失も増大する．増大したンを模擬した試験によりモード燃費（国内では損失を表 2 に示す．エンジンでの損失はエンジンJC08）で示している．トライボロジー技術の進展

回転数が 1 500 rpm から 2 800 rpm に増大するこによる 2020 年車の燃費向上は，定地走行では後との影響が大きい．これをグラフで表すと図 3 と述するように 35 ％と予想されたが，やはり実走なる．登坂純仕事はガソリンの燃焼により得られる

行での燃費向上の予測が必要である．JC08 はコ熱量から発生水蒸気の潜熱を除いた低位発熱量でールドスタートも含み幅広い速度での走行パター計算した．エンジンまでの燃料消費 5.38 L100kmンを規定しているため，計算で予測することは困の 1.5 倍が排気・伝熱損失となるので，2.5 倍の難である．そこで，簡便に計算できる次の走行パ

13.45 L100km がトータルの燃料消費であり，定ターンを設定し，近似実走行とする．

地走行の 3 倍近い燃料を消費する．

₄ .₁ 走 行 パ タ ー ン

₄.₃ 近 似 実 走 行 で の 各 要 素 寄 与 率

自動車は加速時と登坂時に多くの燃料を消費す2010 年車の近似実走行燃費は，登坂での燃費る．加速はエンジン回転数も逐次変化し燃料消費

13.45 L100km，定 地 走 行 5.0 L100km，降 坂

は複雑なため，登坂で代表することとした．登坂

0 L100km（フューエルカットのため）から，は定地走行と同じ 60 kmh の一定速度で 5 ％傾

13.45×0.3+5.0×0.4+0×0.3=6.04

斜の坂道を登るものとする．一般幹線道路での（L100km）

5 ％傾斜坂道は登坂車線を設置する必要のない最と計算できる．これは燃費 16.6 kmL に相当し，大傾斜の坂道であり，車でこれを下る時（降坂）2010 年車が郊外を安全走行する燃費として妥当はアクセルを離しても加速する傾斜である．近似な値である．先の定地走行でのタイヤ損失の寄与

実走行の走行パターンは 100 km の距離を走行す率を計算した時と同じように，動力伝達各要素のる中で 30 ％は登坂，40 ％は定地走行，30 ％は降損失を 10 ％削減した時の定地走行と登坂での燃坂とした．

料消費を計算し，上記の近似実走行の燃費を計算

₄.₂ 登 坂 で の 各 要 素 負 担 と 燃 費することで，各要素の寄与率が得られる．近似実

5 ％傾斜の坂道を登坂する時は，純粋な登坂仕走行での各要素寄与率を表 2 に示す．タイヤの寄6

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中村：トライボロジー技術の進展による自動車の省エネ標をクリアーできそうであ

オイルポンプ 0.22

る．

クランク 0.25

排気冷却損失8.07

₆． 車 体 軽 量 化 の 寄 与率 と HEV

ピストン 0.39

近似実走行の燃費計算でバルブ 0.11
チェーン 0.34

ギヤ 0.21
ポンピングロス 0.33

摩擦損失1.83
理論出力5.38

ブレーキ 0.06
ハブBRG 0.068

る．そこで，車体重量を削質量1500 kgを5000 m持ち上げるエネル
ギーで計算（ガソリンの低位発熱量：32.9 MJ/L）

デフ 0.05
クラッチ 0.13

タイヤ 0.41

オイルポンプ 0.16

摩損 0.56
摩損 0.54

純出力3.55

空損 0.25駆動
2.99減した時の燃料消費改善か
ら，車体軽量化の寄与率を計算したところ 55.8 ％となった6）．一方，定地走行において 35 ％を占める動力伝達損失を各要素同一割

走行
2.45

登坂
2.2

純仕事
2.2

ホイール 2.99

走行 2.45

登坂動力 2.2

削減率が大きくなるほど値

傾斜 5 ％の坂を登坂する時の燃料消費（L100km）〔出典：文献 2）〕が小さくなるものの，削減

燃料消費13.45

図3ウォータポンプ 0.19は車体重量が考慮されていベアリング 0.007

エンジン 5.38 TM・デフ 3.55

合で削減した時の寄与率は，率 50 ％で寄与率 71 ％であ与率は 16.1 ％となり，表 3 の日本タイヤ協会がり，車体軽量化よりも効果的であることがわかっ示すモード走行の 10～20 ％のほぼ中央値を算出た．

している．また定地走行での寄与率 27.7 ％より

現在，エコカーの主流となっているハイブリッも小さくなるのは表 2 に示すように登坂でのタイド車（HEV）の将来性については様々な議論がな

ヤ負担増加割合が小さいためである．

されている．研究会では大胆な仮定を置いてではここで注意していただきたいのは，表 2 に示すあるがトライボロジーの進展による HEV の燃費寄与率は 2010 年車における各要素の燃料消費負向上についても計算を行った2）．結果は図 4 に示担率から計算したものであり，表右の 2020 年車

すように 2010 年 HEV に比べ 2020 年 HEV は近の各要素損失削減率予測値は全く使っていないこ

似実走行において 32 ％の燃費向上が見込まれた．とである．次ではこの予測値を基に 2020 年車のこれを一般車と比較するならば 2010 年では HEV

近似実走行燃費を計算するが，この予測が気に入が 25 ％燃費が良いのに対し，2020 年には一般車らないのであれば自分の予測値を入れて上記の計

6.04 L
(16.6km/L)

消 費 を 計 算 す る と 2020 年 車 の 定 地 走 行 で は3.25 L100km となり，35 ％の燃費向上が得られた．また登坂での燃費を加えた 2020 年車の近似

4.30 L(23.3km/L)

ハイブリッド車

普通車

実 走 行 で の 燃 料 消 費 は 4.30 L100km と な り，
2010 年車の 6.04 L100km と比べ 29 ％の燃費向普通車上となった．年度は異なるものの，自動車につい

図4てはトライボロジー技術で温暖化ガス排出削減目
749 %削減

4.52 L(22.1km/L)

28 %減

HOLMBERG の三重効果と研究会の遡及効果を考慮し，表 2 に示す各要素の損失削減から燃料29 %削減

₅． 2020 年 車 の 近 似 実 走 行 燃 費

2020年
25 %削減

2010年

32 %減

算をしていただければ燃費改善率が求まる．

3.09 L
(32.4km/L)

ハイブリッド車

近似実走行での一般車とハイブリッド車との燃費向上比較〔出典：文献 2）〕

70

トライボロジスト

第 61 巻

第 2 号 （2016）よりも 28 ％燃費が良くなり，その差が大きくな32 ％改善し，一般車との燃費差が開くことる事がわかった．

が予想された．
温暖化ガス排出削減に対するトライボロジーの

₇． お わ り に重要性を社会にアピールするには自動車が最も適発電機などとは異なり，貨物車も含め自動車はしたツールである．これまでにも各社は各要素の右から左に移動しているだけで何の仕事もしてい損失削減に務めてきたが，個々の要素が燃費に与ない．燃料は摩擦損失と空気の撹拌だけに使われえる影響をシステム全体で議論することが少なかている．であるから摩擦損失の削減は極めて効果った．本稿を参考にして，トライボロジー学会を的に燃費向上に繋がる．HEV での摩擦削減効果盛り上げる提言をお願いしたい．
自動車のトライボロジーによる省資源・省エネが一般車よりも良いのは，ブレーキ（エンジンブレーキ含む）で消費するエネルギーを回収利用しルギー予測調査研究会メンバー：中村隆（名工ているため，空力損失を除けば動力伝達の摩擦損大），糸魚川文広（名工大），木村好次（東大名失だけが残されているからである．ここまでの解誉），足立幸志（東北大），三原雄司（東京都市説をまとめると以下の結論となる．

大），熊田喜生（大豊工業），鈴木（1）空気抵抗を含む全摩擦損失の削減率は排気 ･自），岡崎雅之（本田技研），芥川恵造（ブリヂス厚（トヨタ

冷却損失を同率で削減する HOLMBERG の説，ト ン），出 崎および動力伝達川下要素の損失削減が川上要TPR），今井淳一（協同油脂），星野耕治（JX），素の損失に影響する遡及効果を考慮すること

三 田 修 三（豊 田 中 研）
，佐 田

で，各要素の損失削減が燃料消費削減に与えト），馬淵る影響を推定することが可能である．

文（2）60 kmh 一定速度走行において傾斜 5 ％の坂
道登坂 30 ％，定地走行 40 ％，降坂 30 ％と亨（大 豊 工 業）
，山 本 英 継（元隆（ジ ェ イ テ ク

豊（日産自），村上洋一（デンソー）

献1 ） 中村隆：自動車のトライボロジーによる省エネルギー（中間報告），トライボロジー会議予稿集，2013 春東京（2013）F1.
2 ） 中村隆：自動車のトライボロジーによる省エネルギー，トライボロジー会議予稿集，2014 春東京（2014）F1.
3 ） 日 本 自 動 車 タ イ ヤ 協 会：転 が り 抵 抗 の 低 減 の 効 果，
http://www.jatma.or.jp/labeling/faq02.html.
4 ） National Research Council：Tires and Passenger
Vehicle Fuel Economy, 2006, Transportation Research
Board Special Report 286.
5 ） K. HOLMBERG, P. ANDERSSON & A. ERDEMIR：Global
Energy Consumption due to Friction in Passenger
Cars, Tribology International, 47（2012）221.
6 ） 中村隆，三原雄司，木村好次：タイヤの転がり損失削減に見る燃費向上の効果，自動車技術会 2014 年秋季大会
学術講演会講演予稿集，仙台，260-20145714．

した近似実走行は，簡便な計算で実用に近い燃料消費量を推定することができる．またこれにより 2010 年普通乗用車の近似実走行での動力伝達各要素の燃費に対する寄与率を得ることができた．
（3）研究会が予測した動力伝達各要素の損失削減
により，2020 年車の燃費は近似実走行において 2010 年車と比べ 29 ％の燃料消費削減となった．
（4）車体空力損失を除く動力伝達損失全体の，燃料消費に対する寄与率は，損失削減率が大きくなるに従い低下するが，車体重量を削減し中村た時の燃料消費寄与率よりも高い値を保ち，摩擦損失削減の方が効果的であることがわかった．
（5）2020 年の HEV は，摩擦損失の削減により2010 年 の HEV と 比 べ 近 似 実 走 行 燃 費 が8

隆

著者プロフィール

1953 年生まれ．名古屋工業大学機械工学科卒業．名古屋大学にて工学博士取得．
現在，名古屋工業大学大学院工学研究科産業戦略工学専攻教授．主として機器のトライボロジーおよび切削加工におけるトライボロジーの研究開発に従事．他に日本機械学会，精密工学会，電気加工学会に所属．