自然吸気のエンジンはエンジンの回転数によって取り出されるトルクや馬力が異なるようですが、この現象の本質は何でしょうか？

Question

補足

ある程度の専門知識はあるので詳しくお願いします。

Answer 1

●トルクと馬力（出力）の関係から
トルクは，燃焼室内の圧力でほぼ決まります。
筒内圧力の平均的な値（損失などがあるので，ちょっと違うのですが）とトルクは下記の式によります。

（トルク）＝（正味平均有効圧力）×（排気量）×（爆発回数）／（2π）

ここで，「爆発回数」とは，4ストロークサイクルエンジンでは，「0.5」です。また「π」は円周率です。

★トルクと馬力の関係は？
（馬力）＝2π×（回転数）×（トルク）

★計算例
ちょっと計算してみましょう。

正味平均有効圧力（BMEP）＝ 12bar = 12x1E5 Pa
排気量 = 1500cc ＝ 0.0015m3
トルク ＝ 12E5 * 0.0015 * 0.5 / (2*3.14) = 143Nm = 14.6kgfm

回転数 ＝ 6000rpm = 100rps
馬力（出力）＝ 2*3.14 * 100 * 143 = 90kW = 122馬力

●トルクは何で決まるか？
燃焼室内（＝筒内）の燃焼圧力で，ほぼ決まるといえます。ガソリンエンジンの場合，燃焼圧力は，筒内の空気量でほぼ決まります。なぜなら，燃料はその空気量に比例する燃料量で決まるからです。

質量流量でいうと，

（ガソリン）＝１ ： （空気）＝14.7

という比率になります。この比率のことを理論空燃比といいます。

●空気量はどうやって決まるのか？
空気量は，基本的に燃焼室内の容積で決まります。しかし吸気管内の空気は，燃焼室に吸入するときに動き，吸入しないときは止まりますので，振動していることになります。この振動により，空気の密度の濃いところと薄いところができます。もし吸入管長さによって，空気密度の濃いところが吸入弁近くにあれば，本来，吸入される以上の空気量が入ることになります。これを慣性効果といいます。高級なエンジンでは，この吸入管長さをエンジン回転数に応じて変化させます。

またガソリンエンジンは，アクセル開度に応じたスロットル弁の開度により，燃焼室に入ろうとする空気を制限します。つまりアクセルを踏まないと，スロットルバルブは閉じた状態になり，アクセルを最大限踏み込むと，スロットル弁は最大開度になります。スロットルバルブがほぼ閉じた状態であれば，ここでの流体抵抗により，本来，入るべき空気量は入らないことになります。つまりガソリンエンジンは，空気が入らないように制御することで，出力調整する機関といえます。

●どうしてトルクは4000rpmくらいのところに最大トルク点があるのか？
先ほどの吸入管長さにより，慣性効果の高いところにくること。そしてスロットルバルブの開度が比較的大きく，流体抵抗が少ないことが主な理由です。これ以上高い回転数になると，エンジン回転の遠心力にもとづく摺動抵抗が2次曲線的に大きくなるので，トルクは低下していきます。

●どうしてダウンサイジング・ターボは，1200rpmくらいから最大トルクがあるのか？
ターボ・チャージャなどの過給機付きエンジンでは，1200rpmという低い回転から最大トルクが発揮できます。これはこれ以上にトルクが発揮できるのですが，エンジンの耐久性を考えて，トルクを出せないように制限しているためです。このため多くのダウンサイジング・ターボエンジンでは，たとえば，1200～3500rpmまで一定トルク（しかも最大トルク）が出るようになっています。

このように低回転域に最大トルク点があると，少しアクセルを踏むだけでスゥーと加速できることになり，非常に気持ちの良い運転性になります。

●暖機時は？
暖機の時，ガソリンエンジンで使われているインジェクタ（燃料噴射装置）から射出した燃料粒は，完全に霧化しません。これは燃料粒の周囲にある空気温度が低いためです。このため燃焼に使われる燃料量は，インジェクタから出た燃料の一部になり，残りは未燃分となります。このためトルクが低下するので，未燃分を見込んで，多くの燃料を使います。つまり暖機時には，燃費が大幅に悪いことになります。また排気もキレイとはいえません。

●どうして回転数が低いところではトルクが低いのか？
遠心力にもとづく摺動抵抗を考えると，回転数が低いところでは，摺動抵抗が小さいので，トルクは大きくなりそうです。しかしガソリンエンジンでは，たいへん低いトルクしか発揮できません。どうしてでしょうか？
エンジン回転数が低いところでは，燃焼室に入る空気の速度が低くなります。このため空気とインジェクタから出た燃料粒が十分混合するための気流が弱いことになります。このため未燃分が増えてしまい，トルクが小さくなります。

●高回転の大排気量エンジンはできないのか？
ガソリンエンジンでは，点火プラグから出た火炎は，燃焼室内にある気流に乗って，筒内周囲に広がっていきます。このため火炎伝播速度（かえんでんぱそくど）は，気流速度で決まります。ところがボアが大きいエンジンで，回転数が6000rpmくらいになると，燃焼室内の外側部分まで届くために必要な火炎伝播速度がえられません。このためガソリンエンジンのボアはだいたい95mmくらいが最大値になっています。

逆にいえば，回転数が高くなると，摺動抵抗も増えますが，火炎伝播が十分できない条件になり，トルクが低下するわけです。

●出力（馬力）はどうやって決まるのか？
最初に示しましたように，トルクと回転数が決まると，自動的に出力は決定されます。

簡単ですが，ご参考になれば幸いです。

質問者からのお礼コメント

皆さん、多くの意見ありがとうございます！匿名で申し訳ありません。

工学系ではない学生ですが、この現象を理解する上で、どの様な事を学べば良いか分からなかったので、この回答がとても参考になりました。

他の回答者様の中にはエンジンを開発している人も居るみたいですね。他の方々の回答からも貴重な知識、意見を得られたので、より深く勉強していきたいと思います。

Answer 2

其の内燃機関を自動車用として、使用出来るように設定しているから・・
産業用等エンジンでは、殆どのばあい最大トルク発生点が維持出来る様に設定します。

Answer 3

馬力は一定時間内の仕事量ですから、エンジンが速く回るほど、馬力も増えます。
トルクは、簡単に言えば、一度にいかに多くの燃料をシリンダ内で燃やすかによります。それには空気も燃料も、少しでも多く詰め込み、かつ完全燃焼させたいが、エンジンの回転数によって空気の流速が違うから詰め込める量も違ってきます。では回転数が高いと空気の流れが速まってどんどん吸えるからトルクも出せるかというと、そんなに単純ではなく、速すぎるとバルブが閉まる前に流れ出たり吹き戻したりがあり、これを調節するためにバルブ開閉のタイミングや吸気管の長さを最適化したり、といろいろやります(慣性過吸とか)。他のシリンダに流れる空気との干渉もあるし、排気側の流れも関係しますし(排気が流れ出る勢いを利用してシリンダ内を負圧にしたりもします)、排ガスや燃費も気にしなければなりません。とまあ、そんなこんなで、回転数によってトルクは変わってきます。

Answer 4

端的に言えば、ガソリンの量と効率ですね。

Answer 5

本質についての回答がまだないようなので、

爆発の爆風には速度があります。
シリンダー内部の爆発でピストンが押し下げられますが、
ピストンは回転数によって速度が大きくなっていきます。

ピストンを押し下げる爆風の力がエンジン出力となって取り出されていますが、
一回の爆発で取り出される力は、爆風の速度とピストンの速度の差が大きいほど有効に取り出すことができます。

そして、回転が上がってピストンの速度が爆風の速度と同じになると、もうそのエンジンの出力はゼロになります。

その他の要因、抵抗や上死点下死点での速度の違いなどエンジンにより様々な特性がありますが、回転数によるトルク曲線の変化というのは、そういうことです。

Answer 6

馬力はトルクx回転数なので回転数が変われば馬力は変わります。
回転数の上昇と共に馬力が上がるのはそれが理由です。
トルクは低回転より中回転で大きく高回転で下がりますが、これは吸気と排気のバルブを開くタイミングが最も多用される中回転で最大トルクになるように設定されているためです。
レース用途など高回転で常用するエンジンは吸排気バルブを最大限開いて高回転でトルクが最大になるように設定します。
高回転でトルクが出るほど回転数を掛け算した馬力も大きくなりますが、低回転では吸排気がスカスカで低速では走れないエンジンになります。
レース用であってもバルブやピストンの動作速度の限界では正しく動作せずトルク=馬力も下がります。
自家用車では4000rpm程度で吸排気効率が最大になるように設定するのでそれ以上は回すと効率が下がりトルクも低下するために8000も回せないことになります。
回転数により吸排気の流れる速度が異なるために充填効率や排気効率が変わるのでトルクが回転数により変化することが本質です。

Answer 7

エンジンの回転にともなって熱効率が変わるから。