最適化エンジン戦略でREEVの燃料消費を削減
自動車の電動化が急速に進む現代において、環境配慮とエネルギー効率の向上は自動車メーカーの最重要課題となっている。広州汽車集団（GAC）の研究開発センターに所属するチェン・ホンとジャン・シャオシャオが主導した最新研究は、レンジエクステンダー付き電気自動車（REEV）のエネルギー効率を最大化する革新的な制御戦略を提示した。この研究は、内燃機関の運転ロジックを見直すことで、従来のハイブリッド車を上回る燃料消費の改善を実現した。
REEVの基本コンセプトと制御戦略の重要性
REEVは内燃機関を駆動源として直接活用せず、発電専用ユニットとして運用する点が従来のハイブリッド車との最大の差異である。この設計によりエンジンを理論上最高効率の動作点で連続運転できる可能性が生まれるが、実際の運用では走行条件の変動やバッテリーの充放電損失、パワーエレクトロニクスの効率特性が複雑に絡み合う。研究チームはこれらの要素を包括的に考慮したシミュレーションモデルを構築し、最適化戦略の探索を進めた。
シミュレーション手法と評価基準
GT-SUITEを活用して構築された仮想プロトタイプは、車両重量1,550kg、空力抵抗係数0.26、ファイナルギア比10.633といった実車に近いパラメータを反映。中国軽自動車テストサイクル（CLTC）を採用し、都市部の典型的な走行パターン（頻繁な停車、中程度の加速度、平均速度30km/h以下）を再現した。試験条件はバッテリー残量（SOC）30%を維持する充電維持モードとし、REEVの日常使用条件を忠実に模倣している。
ライン制御とポイント制御の比較分析
研究では2つの基本戦略を詳細に比較。ライン制御戦略ではエンジンを最適効率曲線上で連続的に動作させ、ポイント制御戦略では事前に選定した特定の回転数・負荷点に動作を限定した。従来の理論では連続運転が理想とされていたが、シミュレーション結果はこの前提を覆すものとなった。
ライン制御（戦略1）では燃料消費量0.041L/kmを記録したものの、出力制限を加えた改良型戦略でも0.040L/kmを下回ることはなかった。対照的に、2,250～2,500rpmの動作域を設定したマルチポイント制御（戦略7）では0.03824L/kmを達成。この数値は同クラスのハイブリッド車と比較しても顕著な改善を示している。
効率改善のメカニズム
ポイント制御の優位性はエネルギー損失の分布分析から明らかになった。ライン制御では低負荷時にエンジン効率が低下し、発電システム全体の損失率が39%に達していた。これに対し戦略7ではエンジン損失率を30%台後半に抑制。さらにバッテリーの充放電サイクルが減少したことで、電力変換システムの損失が2.7%軽減された。
具体的な動作解析では、戦略7におけるエンジンの82.91%が2,250rpm/30.09kWの動作点で運転。この領域ではエンジン単体の熱効率42.49%、システム全体効率38.73%という高効率を維持。残り17.09%は2,500rpm/37.94kWで動作し、急加速時などの高負荷要求に対応していた。
単一ポイント制御の落とし穴
興味深いのは、理論上最適とされる単一動作点固定戦略（戦略8）が期待外れの結果となった点である。システム効率のピーク点（39.3%）に固定した場合、燃料消費量は0.03855L/kmと戦略7を0.81%上回った。低負荷時の過剰発電によるバッテリー損失の増加が主因で、最適動作点の選択には出力変動への適応性が不可欠であることが示された。
次世代エンジン技術の相乗効果
研究後半では、プレチャンバージェット点火と超希薄燃焼技術を採用した新型エンジンの影響を評価。従来型に比べ平均有効圧（BMEP）が37.5%向上（0.8MPa→1.1MPa）、燃焼期間が46%短縮（26.7度→14.3度）、希薄燃焼限界が空燃比1.4から2.3に拡大するなど、画期的な性能向上を実現した。
この新型エンジンとポイント制御を組み合わせた戦略10では燃料消費量0.03664L/kmを記録。従来最良値から4.18%改善し、システム全体の損失率も172.25%から162.14%に低下した。特にエンジン損失の大幅削減（140.76%→125.88%）が寄与したが、高トルク化に伴う発電システム損失の微増（30.17%→31.43%）も許容範囲内だった。
自動車開発への示唆
本研究が自動車メーカーに与える知見は3つに集約される。第一に、単一の最適動作点追従よりも複数ポイントを使い分ける適応型制御が有効である点。第二に、制御ソフトウェアの最適化とエンジン本体のハードウェア改良が相乗効果を生む点。第三に、システム全体のエネルギー損失を可視化するシミュレーション手法の重要性である。
具体的な開発指針として、以下が提案される：
- ドライビング条件とバッテリー状態に応じた動的ポイント選択アルゴリズム
- プレチャンバー点火など燃焼改善技術の早期実用化
- 電動パワートレインとの統合損失評価基準の確立
- バッテリーサイクル寿命を考慮した総合効率最適化
市場への影響と将来展望
研究成果が反映されたREEVは、同等サイズのガソリン車比で40%以上の燃料削減が可能となる。都市部での日常使用ではEVモード走行が主となるが、長距離移動時でも従来型ハイブリッド車を上回る効率を維持できる。特に中国をはじめとする新興市場では充電インフラ整備が追いつかない地域が多く、REEVの実用性が再評価される可能性が高い。
技術的な課題として残るのは、高効率運転域拡大に伴うNVH（騒音・振動）対策と、部品コストの最適化である。プレチャンバー点火システムの量産化や、パワーエレクトロニクスの損失低減が今後の開発焦点となる。
学術的意義と産業界への貢献
本研究は従来別個に研究されがちだった内燃機関開発と電動化技術を統合的に扱った点で学術的に意義が大きい。特にシステム全体のエネルギー損失を定量化した点は、自動車開発プロセスに新たな評価基準を提供する。産業界においては、中国企業が内燃機関分野で技術主導権を獲得する契機となる可能性を秘めている。
今後は実車での検証試験を経て、シミュレーションモデルの精度向上を図るとともに、寒冷地や山岳地域など多様な使用環境下での評価が必要となる。さらに、バイオ燃料や合成燃料との組み合わせによるCO2削減効果の検証も期待される。
チェン・ホン、ジャン・シャオシャオ
広州汽車集団 研究開発センター
中国内燃機関学会誌
DOI: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2024.04.005