何故高回転でトルクが落ち込むの

質問

よくエンジンのトルクカーブを見ると、5～6000ｒｐｍまでは高トルクなのに、その後急激にトルクが落ち込んじゃいますよね。
あれって何故でしょうか？
結局そこがそのエンジン（車）の限界ということになるのでしょうが、何で落ち込んじゃうのでしょう。車によっては8000ｒｐｍまで大丈夫なのもあるし、バイクなら10000rpmを越えるものもあります。F1だと20000rpmとかありますよね。
何が高回転の限界を決めているのでしょうか？
ひょっとして燃料カットだったりもするのかな。

回答No.12

hkhkhk

こんにちは

>2サイクルは物理的なバルブが無いので、ポートの位置と形状、チャンバーによる排気脈動に
>よる制御が重要ですよね。

自分で答えがわかってるじゃないですか・・・

＃６＆１０様の回答にあるように、４サイクルでも同じでしょ、全てのバランスでトルクの
曲線を設計してると考えられます。

では、６０００回転で破綻するエンジンは、なぜ６０００回転で破綻するのか、そんな設計
だから・・・

エンジン出力は主に吸入する酸素の量に依存します。
大排気量や過給機、高回転はいずれも大量の空気を必要とします。
後は、その酸素を使って、いかに効率よく燃焼させるか。

既に理解していると思うけど、１リットルの水が入った口の細いビンと、同様に１Ｌの水が
入ったバケツがあります。これを同時に逆さにします。バケツの水はすぐに排出できますが、
ビンはしばらく時間がかかります。

これと同様に、エンジンの吸気排気もバルブの大きさや形状、数、その他リフト量、オーバー
ラップなどなどなどで、限界が決まってきます。もちろんエンジン単体で限界を大きく（バル
ブタイミング変更など）しても、吸排気の設計が細かったり、形状が悪ければ抜けません。
反面、吸排気を単純に太くしても、脈動に悪影響が出ます。

高回転になれば、大量の吸排気が必要となりますし、低回転では少量の吸排気を効率よくする
設計が必要になりますので、相反する内容になってきます。

コストによって、６０００回転までしか耐えられない部品を使うのであれば、そこまでの性能
に特化する設計をする。６０００回転以上では、吸排気が詰まっても良いから、低回転の吸排
気を効率よく、もちろんオーバーラップを減らして、燃費も向上ってなイメージで設計してい
るからですね。

つまり、一定時間に吸気できる空気（酸素）の量は、設計で決まり、それ以上の空気を必要と
する回転数に達すれば、破綻すると言うことです。

たとえ話ですが、レースの世界では、リストリクターなるものが存在します。
吸気口の口径を絞ってエンジンパワーを抑えるパーツなのですが、このパーツで吸気口径を絞
るだけで、ほかの部分にどんなチューニングをしようと、エンジンに供給できる空気の量は制
限されてしまいます。

補足

ありがとうございます。
>では、６０００回転で破綻するエンジンは、なぜ６０００回転で破綻するのか、そんな設計だから・・・

ここのところの詳しい説明が欲しかったのです。設計屋さんなんかいないかなと思った次第です。

hkhkhkさんの説明で様々な要因があることはわかりますが、6000rpm程度で急激にトルクが落ち込む原因はわかりません。徐々に低くなるなら解ります。
トルクカーブに現れる急激な落ち込みは、やっぱり何かが急激に破綻しているのだと想像をするのですが、明確な回答が得られていません。
急激な低下原因の可能性としては、やっぱりバルブの追従性が狂うか給排気の脈動バランスが崩れるか、、、、。でしょうか。
回転の頭打ちというのは理解できます。出力と抵抗のバランスですから。

例えばよくありそうなこんな特性のエンジンは6500rpmで何が起こっているのかなと思うんですよね。
http://www.20v.org/torque.jpg

回答No.11

nekoppe

Ｎｏ５さんです。質問に、「あれって何故でしょうか」、とあったのですが、解らないのでごまかしておいたのを、詳しい人が答えてくれるまでの繋ぎとして推測で答えます。

＞点火時期？バルブの開閉タイミング、バルブの追従、？排気脈動？

点火時期、バルブ追従、吸排気脈動、等は設計で何とでもなる事なので、カムによるバルブ開閉タイミングだと思います。回転上昇と共にトルクが低下していく為、出力線は段々なだらかになり、トルク×回転数＝出力、は最高出力回転数で逆転し、出力低下が始まります。バルブ開閉を任意に設定できる機構にすれば最良の開閉タイミングが保てるので、トルク低下が少なくなり、出力は頭打ちにならず、６０００→７０００→８０００ｒｐｍと上昇して行く事になります。出力の自然低下がないので何らかの方法で出力抑制してエンジン保護をする事になると思います。

回答No.10

turukame2005

＃６です。
原因と結果を逆に考えると分かりやすいです。

設計の最初の段階で、たとえばトルクのピークが４０００回転、レブリミットが６０００回転の４気筒エンジンを作ろうと決めます。
それによって、使用する材料から、カムシャフトの太さをどれくらいにすれば、ねじれが問題にならないかが計算できます。
バルブまわりの強度や、クランクシャフトまわりの強度なども決まります。

一方で、点火タイミングについても、トルクピークが４０００回転、レブリミットが６０００回転の４気筒エンジンとして、どの程度の範囲で移動させる必要があるか計算され、実験されます。
空燃費その他もしかりです。

そうして出来上がったエンジンは、６０００回転を超える領域でのことが全く配慮されていませんから、燃焼効率が極端に悪化し、出力が低下し、最悪の場合、破壊されます。
で、とりあえずレブリミッタをつけておこう、という話になります。

あと、バルブがない２サイクルエンジンは、極端な高回転を許します。
その区別がつかないと、見当はずれな議論になります。

補足

確かに逆に考えると解りやすいですね。
私もエンジンは先に設計ありきと思っていました。
レブリミットが先に決定され、それに沿って各部品の設計もされているということですよね。
でも、具体的にはどの部品がどのように限界に達して回転が頭打ちになるのかは解らないのでしょうか？各要素が複雑に絡み合っていて単純ではないから説明は困難でしょうかね。
最近ではCPUチューンでずいぶん変わりますよね。
レブリミッターってどんな仕組みですか？
トルクカーブの落ち込みはレブルミッターは反映されていないでしょうか？

2サイクルは物理的なバルブが無いので、ポートの位置と形状、チャンバーによる排気脈動による制御が重要ですよね。

回答No.9

mocmoc

＞具体的には6000rpm辺りで頭打ちになる普通のエンジンは何が限界となっているのでしょうか
＞
「限界」が理由ではないということですね。
皆さんのコメントをまとめると答えは出るとは思いますが、コスト、そのエンジン搭載車両にあわせた特性がメインな理由でしょうね。

車両ごとの用途（スポーツかファミリーカーか等）に合わせて燃調マップ、カムセッティング等にしているという考えで良いのでは。
そうしたらそのエンジンはそういう出力とトルクの曲線になると。

でなければ皆F1エンジンのような事になってしまいます（なんでもかんでもエンジン性能限界を引き出す設計したら）。

>ピストンが上下する運動の静振限界
>
高回転になっていくと振動が大きくなり、シリンダーとのクリアランス内で抵抗が小さくて済む振動の限界。
すいません。ニュアンスで伝わればと思い説明手抜きして作った造語です。

回答No.8

nourider

ピストンスピードが限界を超えると、燃焼ガスがピストンを押し下げるスピードよりピストンの下がるスピードが上回ってしまうからです。
そのために高回転型エンジンは気筒数を増やして同じピストンスピードでも高回転になるようになっています。ホンダの５０～６０年代グランプリレーサーはそれを極限まで追求した結果125ccで五気筒なんてエンジンまでつくってしまいました。レギュレーションが変わって今はそんなのありませんが、市販車でもCBR２５０RRなどは２万回転まで回るとんでもない市販エンジンです。

だからシングルエンジンのピストンスピードと４気筒エンジンのピストンスピードは、実はあまり変わらないのです。高回転回せる多気筒エンジンの方が、回せるぶんたくさんのガソリンを送り込めますから出力が出るのです。

回答No.7

kurochay

技術的な解説は他の方がされているので、ずばり結論だけ言うと。。

高回転だからですよ！！
この意味、あなたならわかりそうですよね！

高回転で回すことにエネルギーが消費されるため、相対的にトルクがが下がることになります。

回答No.6

turukame2005

要は設計思想の問題です。
設計者は、どれくらいの回転数で、最も効率よく燃焼するか、シリンダのボア／ストロークや、バルブタイミング（最近はみんな可変バルタイですが）、シリンダヘッドの形状、その他諸々、スペックを決めます。
結局は、どれくらいコストをかけて精度／強度を上げるか、という問題になります。

では、コスト無視なら、４サイクルレシプロエンジンは、いったいどこまで回転を上げることができるのか。
結論を言えば、開発費と製造コストに「糸目をつけない」Ｆ１エンジンが目安になります。

回転が上がっていった時、まず破綻するのは、カムシャフトのねじれと、カムとバルブの追従性の悪化です。
カムシャフトのねじれは、シャフトの強度不足で、タイミングベルトに近いカムと、遠いカムの位置がゆがんでしまうために起こります。
シャフトは長いほどねじれやすくなります。
直列８気筒が存在しない理由です。

カムとバルブの追従性の悪化は、カムとカムが叩くバルブの頭（ステムヘッド）の間に隙間があることにより、起こります。
カムとステムヘッドの隙間が小さいほど、追従性はよくなりますが、金属の熱膨張があるのでゼロにはできません。
結局はこれも、どれだけコストをかけていい素材を使い、かつ、精度をを上げるか、ということになります。

実際には、現在地球上で人類が使える最高の素材と、最高の工作機械による工作でも、エンジンの回転は１５０００～１６０００回転が限界で、２００００回転ＯＫのＦ１のバルブには、いろいろな工夫がこらされています。
回転を上げられれば上げられるほど、トルクのヒークを上に置くことができます。
トルク×回転数が出力ですから、その分高出力にすることができます。

補足

詳しい解説ありがとうございます。勉強になります。
この解説は、コストをかけた場合の限界技術として承ります。

で、具体的には6000rpm辺りで頭打ちになる普通のエンジンは何が限界となっているのでしょうか？
4気筒で6000rpm程度ではカムシャフトのゆがみでは無いですよね。
ほとんどの車は6000rpm程度でも追従性が悪くなるのですか？
市販の車は低速トルクを上げるために、排気や吸気の脈動効果を積極的に利用しているようですが、そのバランスの崩れとかも市販車では大きいのではないかと思うのですが。

回答No.5

nekoppe

＞8000ｒｐｍまで大丈夫なのもあるし、バイクなら10000rpmを越えるものもあります。

バルブ関係、吸排気系、等が８０００とか１００００で最大出力が出る設計になっていて、そこからズレれば性能が落ちます。

＞F1だと20000rpm

これは競技用の機械ですので、限界までの設計になっています。何が限界かといえば、ピストンとシリンダの油膜が保持できるかどうか（燃焼室の火炎伝播速度もあるかも）です。

補足

＞バルブ関係、吸排気系、等が８０００とか１００００で最大出力が出る設計になっていて
回転数を上げ最大出力を高めるために様々な設計がなされるのは解りますが、トルクカーブが急激に落ち込むのは、その時点で何かのバランスが急激に崩れるのですよね。
いろいろな要素があると思いますが、具体的には何がもっとも影響するのでしょうか？
点火時期？バルブの開閉タイミング、バルブの追従、？排気脈動？
６０００rpm程度で回らなくなるエンジンの限界は何が原因？

回答No.4

mocmoc

No.3訂正です。

＞常に脚力が負けるでしょうけど
＞
常に脚力が勝つ（トルクを掛ける事が出来る）

と訂正します。

回答No.3

mocmoc

No.1の方の例えを簡単に、体感した覚えが有りそうな例えで言いますと、急な下り坂で自転車を漕いでもペダルの動きが速くなりすぎて足がついていかない状態。
「その人」の脚力がそのエンジンのトルク限界って事ですね。
人力の場合平地や上り坂ではペダルの回転に常に脚力が負けるでしょうけど、ことトルクの落ち込みに絞って説明するなら前述の現象がそれにあたります。

エンジンの動作を何処までご存知かわかりませんが、ピストンが上下する運動の静振限界や、吸気、排気バルブの閉塞動作のスプリング動作限界などが高回転時の動作についていけなくなり、力がかからなくなる。

補足

>ピストンが上下する運動の静振限界
これは解りませんでした。

サージングなどを起こすバルブなどの作動限界はわかりますが、普通の車は6000rpm程度でバルブの作動限界が来るのですか？
これなら簡単に限界を上げられると思うのですが。