排気量、トルク、出力、馬力、回転数と加速やスピードの関係についてご説明いただけませんか？

Question

また、ほかにスピードに影響する要素があれば加えていただき、ご説明お願いします。
ただし、重量は同じとして下さい。

Answer 1

超ざっくり説明します。

ここに、60kgの米俵があるとします。
これを１ｋｍ先まで二人がそれぞれに運ぶ競争をするとします。

排気量は、エンジンの大きさです。
つまり、１人は身長２ｍの大人。
１人は身長1m50cmの小学生。
大きい方が圧倒的に有利ですよね。

トルクは、瞬間的な力です。
1人は筋肉質で余裕で持ち上げられます。
1人は、なんとか持ち上げられます。
トルクが豊富だと、力があって、重量物を動かすのが楽です。

出力は、馬力で表現されます。
馬力は、運動量です。
回転数は、足を運ぶ動きです。

つまり、大きな人が力で米俵を持ち上げます。
しかし、足が遅いとします。
回転数が上がらないとは、足の回転が遅いことです。

一方、小さな人が何とか米俵を持ち上げます。
しかし、足が速いのです。
回転数を上げられるので、スピードを出すことが可能です。

結果的に１ｋｍ先まで米俵を運んだのが、
結果として現れるパワーすなわち馬力です。
馬力がある方が、結果的に早く米俵を運ぶことができます。

例えば、ディーゼル車は、低回転エンジンでトルクが豊富です。
つまり、筋肉質のマッチョマンです。
しかし、足が遅いので、回転数を上げることができません。
スタートでは、米俵を余裕で運び出せるので
飛び出せるのですが、その後のスピードが上がっていきません。

一方、高回転型エンジンは、力があまりないので、
何とか米俵を持ち上げ、スタートでは苦労するのですが、
走り出してしまえば、足は速いので、
どんどん加速していくことができます。
結果的に、マッチョマンを抜かせるかもしれません。

ターボ車は、筋肉増強剤とか、補助器具とか、
別の要素を備えて力も回転数も上げています。
よって、馬力も大きく、そのかわりコストがかかります。

尚、今回は重量が同じという条件でしたが、
この重量は軽いほど有利になります。
米俵が60kgでなく、10kgになれば、スピードは変わってきます。

陸上競技でも、100m競争と、800m競争と、
それこそマラソンでは、速い選手が違ってきますね。
距離が短ければ短いほど、トルクの豊富な車が有利だし、
長くなればなるほど馬力のある車の方が有利です。
まぁ、当然ですが、トルクもあって馬力もある車が
最も速い車なのですが。
ただ、馬力を出すためには、回転数を上げられることが
絶対必要になる訳です。
それこそ、9000回転オーバーできるS2000などは、
トルクが無くても速い訳です。

Answer 2

排気量というのはピストンの面積×ピストンストローク×気筒数で表せるのは理解できますか？エンジンの燃焼室は円柱形になっているので底面積になるピストンの面積にピストンが動く範囲が円柱の高さを掛け合わせるのでピストンの面積×ピストンストロークになります。これが1気筒分です。それを4気筒エンジンであれば4、6気筒エンジンであれば6を掛ければそのエンジンの総排気量となります。
トルクはその名の通りエンジンが発生させる回転させる力です。数値が大きいほど大きな回転力を引き出すことができます。
出力と馬力とパワーは同じです。エンジンの発生するトルクとエンジン回転数の積です。

エンジンには必ずトルクの山とパワーの山があります。トルクの山の頂上付近の回転数をトルクバンド、パワーの山の頂上付近の回転数をパワーバンドと言います。パワーバンドというのは必ずトルクバンドよりも高い回転域で発生します。（パワーは回転数とトルクの積ですからね）トルクバンドでは最も加速が速く、パワーバンドでは最もトップスピードが伸びます。ですがこのトルクバンド・パワーバンドを外れると加速は少し鈍く、トップスピードの上昇は緩やかになります。

加速に影響するのはトルクウェイトレシオ、スピードに影響するのはパワーウェイトレシオです。「〇〇ウェイトレシオ」というのは車両重量を〇〇で割ったものです。1馬力のパワー・1kgfのトルクでどれだけの重さを動かす必要があるのかを指します。この場合パワーとトルクは基準が決められているのでいかに1馬力・1kgfの負担を軽くするかです。つまり〇〇ウェイトレシオの数値（重さ）が小さければ小さいほど加速しやすくスピードが出るということになります。

もう１つ、スピードに大きく影響する要素があります。それは空気抵抗です。外界が無風の場合でも、高速域で走る車は風を切り裂きながら走っているのです。おまけに空気抵抗は速度に対して2乗で効いていきます。つまり50kmで走る車と100kmで走る車の空気抵抗は4倍ということです。150kmで走ると50kmの車の9倍の空気抵抗を受けるということになりますね。なので空気抵抗をいかに減らすかがスピードを出す大きな鍵となるのです。