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自動車エンジンの仕組み：内燃機関と電気モーターの解説
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要点
内燃機関はシリンダー内で燃料を燃焼させてピストンを押し、クランクシャフトを回転させます。一方、電気自動車はバッテリーを使用してモーターを駆動し、回転する磁場が直接ホイールを回します。両方のシステムは蓄積されたエネルギーを運動に変換しますが、非常に異なる機械的および電磁的なプロセスを通じて行われます。
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今日、道路上のほとんどの車を動かす2つの非常に異なるマシンがあります。1つは金属シリンダー内で液体燃料を燃焼させます。もう1つは電気を使用して磁石を回転させます。エンジンルーム内で何が起こるかを理解することで、これらの車がなぜそれほど異なるように感じられ、音がし、保守されるのかが説明されます。
内燃機関の仕組み
米国エネルギー省によると、内燃機関（ICE）は固定シリンダーと動くピストンで構成されています。燃料はシリンダー内で燃焼し、膨張するガスはピストンを押し、クランクシャフトを回転させ、最終的には車のホイールを駆動します。
エネルギー省が説明するように、ほとんどのICE車は4ストロークサイクル（吸入、圧縮、燃焼/動力、排気）で動作します。吸入の際、ピストンは下に移動して吸気弁が開き、空気と燃料を吸い込みます。圧縮の際、弁が閉じてピストンが上に移動し、空気燃料混合気を圧縮します。動力ストロークでは、圧縮混合気が点火され、ピストンが下に押し戻され、排気ストロークではピストンが再び上昇して2番目の弁が開き、使用済みガスが排出されます。
エネルギー省は、2つの主なエンジン設計を区別しています：スパークプラグが燃料空気混合気に点火するスパーク点火ガソリンエンジンと、燃料が熱い、高度に圧縮された空気で自己点火する圧縮点火ディーゼルエンジンです。ICEは、天然ガス、プロパン、バイオディーゼル、エタノールなどの代替燃料でも動作でき、ハイブリッドシステムまたはプラグインハイブリッドシステムで電気コンポーネントと組み合わせることができます。
電気自動車モーターの仕組み
米国政府のfueleconomy.govとエネルギー省の代替燃料データセンター（AFDC）によると、完全電動車はエンジンを1つ以上の電気トラクションモーターに置き換え、充電可能なバッテリーパックで駆動されます。AFDCは主要コンポーネントをリストアップしています：エネルギーを蓄積するトラクションバッテリー、入力交流電流を充電用直流に変換する充電ポートと車載充電器、アクセサリー用に電圧をステップダウンするDC/DC変換器、モーター速度とトルクを管理する電力電子コントローラー、およびホイールを駆動する電気トラクションモーター自体（ほとんどの設計ではトランスミッションを通じて）。
トラクションバッテリーで駆動される電力電子コントローラーは、どの程度の電気エネルギーが電気トラクションモーターに到達するかを管理し、モーターの速度とそれが生成するトルクを制御します。AFDCによると、別のサーマルシステムがバッテリー、モーター、および電子機器を適切な動作温度範囲内に保ちます。
回生ブレーキ：逆方向に動作するモーター
従来のICE車に相当する機能がない回生ブレーキの機能があります。マツダの消費者技術ページで説明されているように、エネルギー省の見積もりを引用しながら、ドライバーがアクセルから足を離すか、ブレーキをかけるか、丘を下りながら惰性走行するとき、電気モーターは役割を逆転させます：バッテリー電力を消費してホイールを回転させる代わりに、回転するホイールがモーターを回転させ、それは現在ジェネレーターとして機能し、電気をバッテリーに送り返します。エネルギー省の見積もりによると、マツダを引用して、このプロセスは都市と高速道路の走行の組み合わせ時に電気自動車の走行エネルギーの約22％を回収します（ハイブリッドでは5～9％）。回生ブレーキは緊急時に必要な制動力を提供できないため、従来の摩擦ブレーキがバックアップとして所定の位置に残ります。マツダが指摘します。
2つのシステムが効率が異なる理由
Fueleconomy.govは、電気自動車はグリッドから引き出された電気エネルギーの77％以上をホイールの電力に変換する一方、従来のガソリン車はガソリンに蓄積されたエネルギーのわずか12％～30％をホイールの電力に変換する（残りは主に熱とエンジン摩擦を通じて失われます）と述べています。Fueleconomy.govはまた、EVバッテリーは温暖な気候で12～15年、厳しい気候で8～12年続く可能性があり、フル充電には通常3～12時間かかり、急速充電で約30分で80％容量に達することに注意してください。
内燃機関と電気モーター：主な違い| 特性 | 内燃機関 | 電気モーター |
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| エネルギー源 | ガソリン、ディーゼル、または代替液体/ガス燃料 | バッテリーパックに蓄積された電気 |
|---|
| コアプロセス | 4ストロークー燃焼サイクル（吸入、圧縮、動力、排気） | 電力電子コントローラーがバッテリー電流をトラクションモーターに送る |
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| エネルギーからホイールへの効率 | 約12％～30％（fueleconomy.gov） | 77％以上（fueleconomy.gov） |
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| 燃料補給/充電 | 燃料ポンプで数分 | フル充電3～12時間。80％まで高速充電で約30分（fueleconomy.gov） |
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| ブレーキエネルギーの回収 | 適用できません；熱として失われたエネルギー | 回生ブレーキは走行エネルギーの約22％を回収します（DOE、マツダ経由） |
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一般的な用語の説明
- クランクシャフト：ピストンの上下運動を回転運動に変換する回転軸。エネルギー省によると。
- トラクションバッテリー：電気トラクションモーター用のエネルギーを蓄積する充電可能なバッテリーパック。AFDCによると。
- 電力電子コントローラー：バッテリーから電気エネルギーがどのように流れるかを管理し、モーターの速度とトルクを制御するコンポーネント。AFDCによると。
- 回生ブレーキ：減速時に電気モーターをジェネレーターとして使用してバッテリーにエネルギーを送り返すことです。マツダが説明したように、エネルギー省の見積もりを引用しています。
よくある質問
- ガソリンエンジンの4つのストロークは何ですか？
- エネルギー省によると、それらは吸入（空気と燃料を吸い込む）、圧縮（混合気を圧縮）、動力（点火された混合気がピストンを押す）、および排気（使用済みガスを排出する）です。
- 電気モーターは燃焼エンジンよりどのくらい効率的ですか？
- Fueleconomy.govは、EVはグリッド電気の77％以上をホイールの電力に変換し、ガソリン車は燃料エネルギーのわずか12％～30％をホイール電力に変換すると述べています。
- 回生ブレーキとは何で、どのくらいのエネルギーを節約していますか？
- それはブレーキまたは惰性走行中にジェネレーターとして逆方向に動作する電気モーターを使用してバッテリーに電気を送り返すプロセスです。マツダは、エネルギー省の見積もりを引用して、これは都市と高速道路の走行を組み合わせた電気自動車での走行エネルギーの約22％を回収し、ハイブリッドでは5～9％だと言っています。
- 内燃機関はガソリン以外で動作できますか？
- はい。エネルギー省によると、ICEはディーゼルまたは天然ガス、プロパン、バイオディーゼル、エタノールなどの代替燃料で動作でき、ハイブリッドシステムで電気コンポーネントと組み合わせることができます。
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