■自動車が避けられない重要なテーマ

●将来は熱を電気に変える技術が求められる

現在、ガソリンエンジンの熱効率は20〜40%程度で、残りのほとんどは熱として捨てられています。この排熱の一部を回収するのが、排熱回収システムです。

すでに実用化されている排熱回収技術と今後期待される技術について、解説していきます。

●排熱回収の種類

さまざまな熱効率向上の技術が実用化されていますが、それでも燃料の持つ発熱量のうち、エンジンの仕事として引き出せているのは20〜40%程度です。残りのほとんどは、熱として捨てられています。その排熱の一部を回収して再利用とするのが、排熱回収です。

排熱回収には、直接排気熱を熱として回収する排気熱回収システムと、蓄熱材を利用して一時的に熱を保持して再利用する蓄熱システム、排気熱で発電して電気エネルギーとして回収する熱電変換システムがあります。

この中で、実用化されているのは、排気熱回収システムと蓄熱システムです。

●排気熱回収システム

排熱回収技術の中で実用化が進んでいるのは、排気管に熱交換器を搭載して直接排気ガスの熱を回収する排気熱回収システムで、HEVを中心に採用されています。

HEVでは、頻繁にアイドルストップによって燃費を低減しています。しかし、冷態時は室内の暖房を維持するために、アイドルストップはしません。燃費の良いHEVで冷態時の燃費悪化が目立つのは、これが要因です。

一般的な排気熱回収システムでは、排気系の触媒下流に排気熱をエンジン冷却水に回収する熱交換器を設置します。これにより、暖気が促進されてアイドルストップが早く作動し始め、実燃費が改善されます。

熱交換器の効率を上げるためには、流路をある程度絞る必要があり、圧損が大きくなります。排気回収を行うのは暖気中だけなので、それ以外の通常運転では、流路切り替えバルブによって熱交換器をバイパスさせます。

●蓄熱システム

トヨタのプリウスでは、一般の魔法瓶の真空断熱効果を利用した蓄熱タンクを装備した蓄熱システムを採用しています。

エンジン水温が所定温度を超えると、蓄熱タンクに温水を格納して蓄熱します。この温水は、エンジンが始動する前に、エンジンに供給して暖気を促進します。暖気時間が大幅に短縮されて燃費が改善され、さらにHC排出量も低減します。

●熱電変換システム

2種類の異なる金属または半導体を接合した熱電変換素子は、両端に温度差があるとゼーベック効果によって起電力が発生します。これを利用した熱電変換システムを排気系に装備して200〜300W程度の電力が回収できれば、市街地走行で3〜5%の燃費改善が期待できます。

2020年以降の実用化を目指して、メーカーや研究機関が研究開発を推進しています。

●熱機関全体にとって重要な課題

排熱利用は、クルマに限らず熱機関では非常に重要な課題です。NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)の「未利用熱エネルギー革新的技術研究組合」には多種のメーカーが参加して、以下の3つの技術について研究開発を行っています。

熱の使用量を減らす技術「蓄熱・遮熱・断熱」と、熱を変換して利用する技術「熱電変換・排熱発電」、熱を再利用する技術「ヒートポンプ」の3つです。


自動車メーカーの研究開発のシナリオの中に、排熱回収は必ず挙げられる永遠のテーマです。電動化が進む中では熱を電気に変化する技術が、将来活用できる有望な技術ではないでしょうか。

(Mr.ソラン)