とまって いる 車を よこから みて ください。じめんに さわって いるのは、4本の タイヤだけです。

タイヤ 1本が じめんに ふれて いる ところは、はがき 1まいほどと いわれます［4］。4本 ぶんで、はがき 4まい。A4の 紙 1まいと、ほとんど おなじ ひろさです。

タイヤが まわって じめんを うしろへ おすと、じめんから まえへ おしかえされます。車が すすむのは、この ちからの おかげです。すすむ ときも、ブレーキを かける ときも、まがる ときも、つかうのは この はがき 4まいぶんの ところです。

ただし、はがき 1まいは あくまで めやすです。車の しゅるいや、タイヤの くうきの いれかたで かわります［4］。

では、その ちからは、どこで つくられるのでしょうか。

止まっている車を横から見ると、地面に触れているのは4本のタイヤだけです。1本あたりの接地面は、ハガキ1枚ほどといわれます［4］。

ハガキは縦148mm、横100mmなので、1枚は148平方センチメートルです。4本で約600平方センチメートルになり、A4の紙1枚（約624平方センチメートル）とほぼ同じ広さです。加速も、ブレーキも、カーブを曲がることも、この面で受け持ちます［4］。

回るタイヤが路面を後ろへ押すと、路面から前へ押し返されます。車を前へ進める力は、この小さな面を通じて路面に伝わります。ただし「ハガキ1枚」は自動車メディアが紹介する目安で、車種や空気圧、荷重で変わります。

この面に力を送り込んでいるのは、車の前のほうにあるエンジンです。その中では、何が起きているのでしょうか。

停車中の車が地面と接するのは、4本のタイヤの接地面だけである。1本あたりの面積はハガキ1枚ほどといわれ［4］、ハガキの寸法（縦148mm×横100mm）から計算すると1枚が約148平方センチメートル、4本で約600平方センチメートルになる。A4用紙（約624平方センチメートル）にほぼ等しい。

車の加速、減速、旋回は、いずれもこの面で路面と力をやりとりして行われる［4］。回転するタイヤが路面を後方へ押すと、路面から前向きの力が返る。エンジンやモーターの性能がどれほど高くても、車を進める力が路面に伝わる場所は、この面しかない。

ただし「ハガキ1枚」は自動車メディアの紹介する目安で、公的な固定値ではない。車種・空気圧・荷重によって面積は変わり、ワイドなタイヤでもハガキ2枚分ほどとされる［4］。

出口が分かったので、次は入口である。この面に届ける回転は、どこで生まれるのか。まずガソリンエンジンの内部を見る。

ガソリンエンジンの なかには、シリンダーと いう つつが あり、その なかを ピストンと いう ぶひんが うごきます。つつの なかで ガソリンと くうきを まぜた ものに ひを つけると、ガスが ふくらんで、ピストンを おしさげます［1］。

ピストンは うえ したに うごきます。それを、くるくる まわる うごきに かえるのが、クランクと いう ぶひんです［1］。じてんしゃの ペダルを ふむ あしの うごきが、くるくる まわる うごきに なるのと にて います。

おどろくのは、ひを つけるのが、ピストンが 4かい うごく うちの 1かいだけ と いう ことです。のこりの 3かいは、くうきを すう、おしこむ、はいきする うごきです［1］。

まいかい ばくはつして いるわけでは ありません。エンジンが なめらかに まわるのは、この くりかえしが とても はやい からです。

ピストンの上下を、回転に変える

ガソリンエンジンは、シリンダーという筒の中に燃料と空気の混合気を入れ、火花で火をつけます。燃えたガスが膨らむ力が、ピストンを押し下げます［1］。ピストンの往復運動は、コネクティングロッドでクランク軸につながり、回転運動に変わります［1］。自転車のペダルを踏む足の上下が、クランクで回転になるのに似ています。

仕事をするのは4回に1回

多くの車に使われる4サイクルエンジンは、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、排気の4つの行程で1サイクルです。この間にクランク軸は2回転します［1］。力を生むのは、膨張の1回だけです。

つまり、エンジンは毎回爆発しているのではありません。残りの3回は、次の1回のための準備と後片づけをしています。この力の波を回転にならして、車輪へ送ります。

回転が生まれたとして、それはどうやってタイヤまで届くのでしょうか。

ガソリンエンジンでは、シリンダー内の混合気に火花で点火し、燃焼ガスの膨張でピストンを押し下げて力を得る。ピストンの往復運動は、コネクティングロッドを介してクランク軸の回転運動に変換される［1］。

4サイクル（4行程）機関は、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、排気の4行程でクランク軸が2回転して1サイクルを終える［1］。仕事をするのは膨張行程の1回だけなので、毎回爆発しているわけではない。吸気・圧縮・排気は、膨張の1回を成り立たせるための行程である。

そのため出力は、1回ごとに脈打つ力になる。実際のエンジンは複数のシリンダーを持ち、行程をずらして並べるので、回転は連続的になる。ただし、シリンダーの数や並べ方は今回の資料では扱っていないので、ここでは一般的な考え方にとどめる。

回転が得られても、エンジンはタイヤの隣にあるわけではない。力は、どんな経路を通って車輪へ届くのか。

エンジンの まわる ちからは、ギアなどを とおって、タイヤに とどきます。ギアは、まわる はやさと ちからの つよさを かえる しかけです。

ここで もんだいです。車が カーブを まがる とき、そとがわの タイヤと うちがわの タイヤは、おなじ だけ まわって いいのでしょうか。

うんどうかいの トラックを おもいだして ください。そとがわを はしる 人は、うちがわの 人より ながい きょりを はしります。車の タイヤも おなじで、そとがわの ほうが ながい みちを すすみます［6］。

そこで、ひだりと みぎの まわりかたの ちがいを うけとめる デフと いう しかけが はたらく と せつめいされます［6］。

ただし、くわしい つくりは 車に よって ちがいます。

エンジンの回転を、ちょうどよく変える

エンジンの回転は、クラッチや変速機（ギア）などを通って車輪へ届きます。一般に、こうした部品の組みあわせはドライブトレーンと呼ばれます。ギアは、回る速さと力の大きさを引き換えに変える働きをします。発進のときは大きな力が、高速で走るときは軽い回転が欲しくなるので、そのつど切りかえます。

カーブでは、外側の車輪が長い道を走る

カーブでは、外側の車輪のほうが内側の車輪より長い距離を走ります。左右が同じ回転数のままだと、どちらかが無理をして路面をこすってしまいます。そこで、左右の回転の差を吸収する部品が、デファレンシャル（デフ）です［6］。

ここの説明は、車の解説で一般的に紹介される内容です。構造は車種によって異なり、この記事では細部まで扱いません。

ここまでは、ガソリンで走る車の話でした。電気で走る車は、この道のりをどう変えているのでしょうか。

エンジンの回転は、クラッチ、変速機、プロペラシャフト、ドライブシャフトなどから成るドライブトレーンを経て車輪へ伝わる、と一般に説明される。変速機は、回転速度とトルクの関係を変える。エンジンは回転数の範囲が限られるので、発進時と巡航時で歯車比を変える必要がある。

もう一つ必要になるのが、左右の回転差の吸収である。カーブでは外側の車輪の軌跡が内側より長いため、両輪の回転数は同じにならない。左右の差を吸収するのがデファレンシャルである［6］。左右が同じ回転に固定されていれば、片方がすべるか、車の向きが変わりにくくなる。

構造は駆動方式や車種で異なるため、ここでは仕組みの全体像にとどめる。

この伝達経路は、エンジンを前提にしている。モーターで走る電気自動車では、どこが変わるのか。

でんきで はしる 車は、バッテリーに ためた でんきを つかいます。その でんきを、インバーターと いう そうちで モーターに あう かたちに かえて、モーターで タイヤを まわします［3］。

ガソリンの 車と くらべると、ピストンも 4かいの くりかえしも ありません。かわりに、モーターが まわる ちからを そのまま つかいます。

もうひとつ おもしろいのは、スピードを おとす ときです。タイヤの まわる ちからを つかって、でんきを つくり、バッテリーに もどします［3］。これを 「かいせい」と いいます。

ブレーキを かけると、すこしだけ でんきが ふえる ことが あるのです。

バッテリーの電気が、タイヤを回す

電気自動車（EV）は、バッテリーの電気をインバーターで交流に変え、モーターでタイヤを回して走ります［3］。燃料を燃やしてピストンを動かす手順がないので、回転の作り方が違います。ただし、最後はタイヤの接地面から路面を押す点は、ガソリン車と同じです。

減速するときに、電気を取りもどす

EVは、加速のときだけでなく、減速のときにもエネルギーを回収する制御をします［3］。これが回生です。走ってきた車の勢いでモーターを回し、電気をつくってバッテリーに戻します。

ガソリンエンジンでは、ブレーキで捨ててしまっていた勢いの一部が、使える形で戻ってくることになります。

こうして見ると、車の仕組みはずいぶん変わってきました。いちばん最初の車は、どんなものだったのでしょうか。

電気自動車は、バッテリーから供給された直流の電力をインバーターで交流に変え、モーターでタイヤを回して走る［3］。エンジン車の「燃焼で往復運動をつくり、回転に変える」段階がなく、電力が直接回転になる。

回生も特徴である。減速時にモーターを発電機として働かせ、運動エネルギーの一部を電気として回収する制御が行われる［3］。エンジン車では熱として捨てられていた勢いの一部が、再び使える形で戻る。

ただし、回生で戻る量は、走行条件や制御で変わる。この章の根拠は、1社の解説ページである。構造の説明として使い、燃費や効率の優劣の議論には使っていない。

エンジンから電気へ、動力の作り方は変わった。では、そもそも最初のガソリン車は、どれほどの力で走っていたのか。

1886ねん、ドイツの カール・ベンツが、ガソリンで はしる 車の とっきょを とりました［5］。タイヤは 3本の さんりんしゃでした。

エンジンは、つつが 1つ だけ。ちからは、0.5キロワットほどです［5］。いまの 車に くらべると、ずっと ちいさな ちからでした。

2年あと、ベンツの おくさんの ベルタは、むすこ 2人と、とおくの まちまで 車で でかけたと つたえられて います［7］。みちの とちゅうで ねんりょうを いれたり、さかを のぼる ために ひくい ギアが ひつようだと わかったり して、かいりょうの ヒントに なったと いわれて います［7］。

さいしょの 車は、まだ めずらしい のりものでした。それでも、この 車が はしった みちのりが、いまの 車に つながって います。

特許の三輪車

ドイツのカール・ベンツは、1886年1月29日にガソリン自動車の特許を出願し、同じ年の11月2日に認められました［5］。車輪は3つの三輪車です。

エンジンは単気筒の4サイクルで、排気量は約954cc、出力は約0.5キロワット（0.68馬力。資料により0.55キロワットとも）、回転は毎分400回ほどです［5］。第1章のタイヤの広さと、この出力。はがき1枚ほどの面に、今よりずっと小さな力が届いて、車は走り出しました。

妻ベルタの長い旅

1888年8月5日、ベンツの妻ベルタ・ベンツが、息子2人（13歳と15歳）とマンハイムからプフォルツハイムまで車で出かけ、世界初の長距離ドライブとされます。道中で燃料の補給が必要になったことや、坂で低速のギアが要ることなどが、その後の改良のヒントになったと伝えられています［7］。

最初の車は、小さな力で走りました。では、今の車は、燃料の力をどのくらい使えているのでしょうか。

カール・ベンツは1886年1月29日にガソリン自動車の特許（DRP 37435）を出願し、同年11月2日に認められた。三輪の車で、エンジンは単気筒4サイクル、排気量約954cc、出力約0.5kW（0.68馬力）、回転数は毎分400回ほどである［5］。

走る速さは資料によって食いちがい、時速15kmから20km前後とされる。このため、速さの数字は大まかにしか言えない。確かなのは、第2章のピストンとクランクの仕組みが、この小さな出力の車で、すでに車の形にまとまっていたことである。

この車を改良へ向かわせた出来事として、1888年8月5日のベルタ・ベンツの旅が伝えられる。ベルタは息子2人（13歳と15歳）とマンハイムからプフォルツハイムまで走ったとされ、道中で燃料の補給の必要や、坂で低速ギアが要ることなどを知り、改良のヒントになったとされる［7］。

旅の細部には諸説があるため、伝えられている内容として紹介する。

当時の小さな出力から見て、今の車は何を改良してきたのか。ここで、燃料のエネルギーのうち、どれだけが走る力になっているかを見る。

いまの 車の エンジンが、ガソリンの ちからを しごとに できるのは、4わり ほどです［2］。のこりの 6わり ほどは、ねつなどに なって でて いきます。

けんきゅうで、もっと よい けっかが でた れいも あります。2019ねん、けいおうぎじゅくだいがくなどの チームが、けんきゅう ようの エンジンで、5わり より ちょっと おおく、しごとに できたと はっぴょう しました［2］。

ただし、これは けんきゅう ようの いちばん よい あたいで、うって いる 車の あたいでは ありません。

これからの 車は、エンジンの くふうと、でんきの くふうの りょうほうで、すすんで いく かも しれません。

市販車の熱効率は、40%程度

現在市場に出ている乗用車のエンジンの熱効率は、40%程度とされます［2］。燃料が持つエネルギーのうち、車を走らせる仕事になるのが4割ほどで、残りの6割ほどは、熱などになって出ていきます。

研究では、51.5%まで来た

2019年、慶應義塾大学などの研究グループは、正味最高熱効率として、ガソリンエンジンで51.5%、ディーゼルエンジンで50.1%を達成したと発表しました［2］。燃料を薄めて燃やす「超希薄燃焼」などで、摩擦や損失を減らした成果です。

40%と51.5%を単純に比べると、同じ燃料から取り出せる仕事は約1.3倍になる計算です。ただし、51.5%は研究用エンジンの最高値で、市販車の値ではありません。測る条件も違います。

ベンツの三輪車から140年近く、車の走るしくみは、タイヤとエンジンの工夫を重ねてきました。そして今も、エンジンの熱効率を上げる研究が続いています。

現在市場にある乗用車のエンジンの熱効率は、40%程度とされる［2］。つまり、燃料の持つエネルギーの約6割は、仕事にならず、熱などとして出ていく。これは捨てられるというより、熱機関が燃焼熱から仕事を取り出すときの損失であり、減らす余地が研究されている。

2019年、慶應義塾大学などの研究グループは、正味最高熱効率でガソリンエンジン51.5%、ディーゼルエンジン50.1%を達成したと発表した。超希薄燃焼（スーパーリーンバーン）などにより、摩擦や損失を減らした結果である［2］。

40%と51.5%を単純に比べると、同じ燃料から取り出せる仕事は約1.29倍になる。ただし、前者は市販車に載るエンジンの値、後者は研究用エンジンの「正味最高」の値で、運転条件も異なる。そのまま「市販車が1.3倍になる」とは言えない。

この研究は、車が走るまでの道のりのうち、エンジン内部の燃焼を扱っている。タイヤの接地面や伝達経路、電気自動車の回生と組み合わせると、全体の効率は変わってくる。この記事では、その全体を1つの数字にはしていない。

きょう できること

はがきを 4まい、ゆかに ならべて みましょう。はがきが ない ときは、10センチ×15センチほどに きった 紙を つかいます。これが、車が ふれて いる じめんぜんぶの ひろさ です。

この 上に、車が のって いると おもうと、ふしぎな きもちに なります。

おでかけで できること

とまって いる 車を みつけたら、タイヤと じめんが ふれて いる ところを、ちかくで ながめて みましょう。くるまの ちかくで あそばない ように、おうちの 人と いっしょに みて ください。

今日できること

ハガキ（なければ縦15cm×横10cmに切った紙）を4枚、床に並べてみます。これが、止まっている車のタイヤが路面に触れる、おおよその広さです。重い車が、この上に立っていることを想像してみてください。

外で見かけたとき

駐車中の車の少し離れた場所から、タイヤが地面に触れている場所を探します。その広さは、床に並べたハガキ4枚を思い出して想像します。車の下をのぞき込んだり、近づきすぎたりはしないでください。タイヤに車の重さがかかる向きの違いなど、新しい疑問が出てくるかもしれません。

家でできる確かめ

ハガキ（縦148mm×横100mm）4枚を床に並べ、その面積が約600平方センチメートル、A4用紙1枚ほどであることを確かめる。そのうえで、車の重さ（車検証や取扱説明書に載る車両重量）をこの面積で割ると、均等に分けた場合の1平方センチメートルあたりの重さが目安として出る。実際には、タイヤごとの荷重や接地面の形が違い、空気圧やタイヤの種類でも変わる［4］。

資料を読むなら

熱効率の数字は、慶應義塾大学のプレスリリース（2019年1月16日）が原典である。エンジンの動作は百科事典の「ガソリンエンジン」の項、電気自動車の構造はメーカーの解説ページで読める。数字は、市販車の値か、研究用の最高値かを区別して読むとよい。