エンジンブレーキの原理

ロー、セカンド、サード、トップと4段シフトの車は、それぞれの「段」で出すことの出来る最高速度以上の速度は出ないので、下り坂ではそれに見合った「段」で走る（エンジンブレーキを使う）のだと思っていました。
しかしそれにしてもアブラを燃焼させて（内的力）回転するのだから最高回転数という限度はあるものの、外から力を加えた（外的力）場合は内的力の最高回転数を上回る回転数が生じるはずだ。にもかかわらず実際にはエンジンブレーキがかかるのはなぜだ、と常々疑問に思っていました。
質問しようと思ってこれまでの質問を検索したところ、『ヂィーゼルとガソリンを比較するとエンジンブレーキはガソリンが強いです。これは、ガソリンはスロットルバルブが閉じておおきな吸入抵抗があるからでヂィーゼルはこれが無くエンジンブレーキは弱いです。これを補うため排気側にバルブを設けて強力な排気抵抗を作るのが排気ブレーキです。』という一文に出会いました。どうも私は考え違いをしているようです。
そこで質問ですが、以上の文を読んでいただいて私の間違いがどこにあるのかということと、エンジンブレーキの仕組みを教えてください。
なお40年以上も前のことですが、友人がいたずらでバスの排気口を塞いだらたちまちエンジンが停止しました。もし排気ブレーキとの兼ね合いで説明できましたら合わせてお願いします。

No.1 回答者： ponpon12 回答日時： 2003/08/16 19:17

　エンジンブレーキは、極端に言えば燃焼を伴わずに回転させる為には大きな負荷がかかります。

これを利用したモノです。
　確かに、エンジンブレーキの場合、最高回転数以上の回転になる場合も有ります（エンジンのためには良くない）
が、エンジンはピストンを動かす為に力が必要で（吸気、圧縮、排気）回転数に比例してその負荷も増大します。だから、高回転になりにくい。
　ヂーゼルエンジンの排気ブレーキですが、友人のイタズラと同じ原理で、排気を止めて負荷を増大させる構造です。

この回答への補足

早速ご回答いただきありがとうございます。済みません、質問の補足が長くなりますので、No2さんNo3さんへの「補足する/お礼を言う」欄も併せて見て頂けませんか。
質問した後で私もいろいろ考えてみました。
最初の質問が長くなりすぎるので省略していたので、質問の補足をします。
たぶん中学生の頃だったと思うのですが、私も最初は圧縮工程に必要な力を外部から加えることを利用したものがエンジンブレーキだと思っていたのです。
だから当初は自動的に燃料供給が断たれて膨張工程はないものだと思っていました。
しかしどうも単なる雑音ではなくエンジンはかかったままだと気がつきました。
そうするとエンジンブレーキをかけている期間でさえ燃料を吸入して膨張工程を続けていることの辻褄が合わなくなりました。
つまり膨張工程を行うことは次の排気工程や圧縮工程の力を生み出すものだと考えたのです。ブレーキに使うのなら膨張工程があってはならないはずです。

補足日時：2003/08/17 11:40

No.2 回答者： twin_ring009 回答日時： 2003/08/16 20:01

エンジンの最高回転は、シリンダーとピストンの

金属同士の摩擦する移動速度によって、物理的な
上限があります。
いくらオイルを使って潤滑させていても、限界はあります。
従って燃焼させて回転を上げる時も、外部からの力で
回転を上げる場合も、指定された上限の回転数を超えて、
動かしてしまった場合においては、機関の故障を招く
危険性が、必ずあると思ってください。

エンジンの中は圧縮と膨張を、弁機構によって行います。
内部に吸入された燃料と空気は、爆発燃焼することによって、
大きな力となって膨張させて、その力で出力軸を回し、
タイヤを回転させる力とします。

ここで燃料を絞ってしまえば、膨張する力は無くなり
圧縮する力の方が大きな抵抗となります。
これを利用したものが「エンジンブレーキ」です。

圧縮する力より、膨張する力が大きければタイヤを
動かす力が生まれ、膨張する力が無くなれば圧縮する力は
タイヤの転がりを止めようとする力となるわけです。

ディーゼルエンジンはガソリンエンジンよりも、
圧縮する力を大きく必要とします（圧縮比）
これは燃料の種類による、燃焼する条件の違いです。
圧縮比（シリンダー内部の圧縮率）が大きいほど、
抵抗が大きいため、エンジンブレーキは強力となります。

排気ブレーキとは、膨張した大気を排出する際に、
排出通路を狭くすることによって、さらに圧縮の
抵抗を増すものだと思ってください。

この回答への補足

早速ご回答いただきありがとうございます。済みません、質問の補足が長くなりますので、No1さんNo3さんへの「補足する/お礼を言う」欄も併せて見て頂けませんか。
エンジンブレーキを使用している期間に膨張工程があるのはおかしい。
もし微小な燃料供給で圧縮工程に回す力など無いというのであれば、そもそもそんな膨張工程など必要ないのではないかと考えたのです。
でも実際は膨張工程はある。
となるとエンジンブレーキは圧縮工程に必要な力を応用したものではなく別の仕組みを応用したものに違いない。

補足日時：2003/08/17 11:43

No.3 回答者： tds2a 回答日時： 2003/08/16 20:09

一般人知識としてのことですが、

エンジンも電動機も無負荷で回転している状態を基点に考えてください。
通常的に回転方向と反対方向に働く負荷を正負荷、その反対方向に働く負荷を逆負荷として、その両方の負荷に働く力は等しいというものがエンジンや電動機の特性と解釈してもよいと思います。
上り坂で負荷が大きくなればエンジンの回転速度が下がります。
インジンブレーキで坂を下ればエンジンの回転は上がります。
エンジンに燃料を止めて無燃焼回転をさせてもブレーキの働き微々たるものです。

この回答への補足

早速ご回答いただきありがとうございます。済みません、質問の補足が長くなりますので、No1、No2さんへの「補足する/お礼を言う」欄も併せて見て頂けませんか。
専門用語を知らないので済みませんが推察してください。
エンジンの回転を車輪に伝える際の回転数の比があって、これゆえにロー、セコンド、サード、トップという段階があるわけです。
エンジンが最高回転してもこの比に比例した最高速度しか出せない。
何かの仕組みがあって、外から力を加えても（いくらかは上回ることがあっても）最高回転に比例した最高速度以上は出ないようになっている。
これがエンジンブレーキだと思い込んでいたのです。
私が放ったらかしにしたのは、その何かの仕組みを究明しないまま今日まで来たことです。

補足日時：2003/08/17 11:45

No.4 ベストアンサー 回答者： noritaman 回答日時： 2003/08/17 12:37

ガソリンエンジンのエンジンブレーキの件ですが、そのブレーキの元になるのは、主に吸気の抵抗です。

４サイクルガソリンエンジンの場合、吸気の時にスロットルを絞ればピストンを下げるのに大きな力が必要です。
（注射器に注射針を付けてピストンを引っ張ると、注射針を付けないときよりも力が必要だと言うイメージで）
その後、圧縮行程にも力が必要ですが、その力は膨張行程（エンジンブレーキ時には燃料噴射では燃料がカットされるので爆発力はほとんど無く、圧縮された空気の反発力のみ）で相殺されます。排気行程では排気バルブが解放されるのでピストンの抵抗になることはなく、吸気の抵抗によってエンジンの回転が制限される訳です。
ディーゼルでは通常、スロットルバルブは付いていませんから、吸気を絞る事が出来ないので、排気側にフタ（いわゆる排気ブレーキ）をして抵抗を作り出す訳です。
最高回転数というのは設計段階で、「これ以上廻すと壊れる・あるいは機械的にはこれ以上回せない」から決めたものです。エンジンブレーキは吸気の抵抗によって回転を制限している訳ですから使うときにミッションの変速段を間違えると、この最高回転数を超えて回る事があり、最悪の場合エンジンが破壊します。

今の車で「ディーゼル車の排気口を塞いでエンジンを止める」実験はやらない方が良いですよ。
ディーゼルエンジンには「ガバナー」というエンジン回転を安定させる装置が付いているので、排気口を塞ぐ事によってエンジンの回転数が下がると燃料の噴射量を増やして回転を保とうとしますから、排気ガスの圧力も上がり・・・、あなたの方が負けます。（排気ガスをまともに食らって顔が真っ黒、ヘンなおじさんになります）

この回答への補足

補足質問を考えていていざ書き込もうとしたら、P-1さんがNo5・No6で回答を寄こしてこられました。
ウーン、P-1さんは圧縮工程の抵抗だと仰います。
No2さんも圧縮工程だと仰います。
理屈では吸気工程の抵抗だと思い、下の補足質問のように合点していたんですが、実際のところはどうなんでしょう。
とりあえず、考えていた補足質問を以下に掲載しておきます。

吸気工程において空気を入りにくくすることで抵抗を作っていたのですか！
圧縮工程ではなかったのですね。
これで引用した例（別のところにあった質問に対する回答）とのマッチングがとれ、かなり納得がいきました。
でも完全にスロットルを閉じるわけでもなく、燃料を完全にカットするわけでもありませんよね？
つまり、ありえないのですが感じとして、ニュートラル状態でミッションが噛み合っていると考えればよいでしょうか？
加えて、マニュアル車はスロットルをかなり絞り、オートマチック車は絞り方が少ないと考えてよいのでしょうか？
つまりオートマチック車はマニュアル車に比べてエンジンブレーキの効きが悪いことの理屈です。

補足日時：2003/08/17 14:24

この回答へのお礼

専門家の皆さんでさえ意見が割れました。
最近はコンピュータを使用していますから、原始内燃機関をテーマにするほうが無理かもしれません。それにガソリン車とディーゼル車を一緒に論じたわけでさらに混迷が深まったようです。
そこで皆さんの意見と私が勉強した結果で次のように結論付けさせていただきました。
対象はコンピュータを使用しない原始内燃機関です。

ガソリンエンジン
アクセルから足を離すとスロットルバルブはエンジンの自律回転に必要な最少限まで絞られる。
スロットルバルブが絞られたため吸入工程では混合気の流入速度が遅くなるので、ピストンは負圧の影響で下死点への到達速度が遅くなる。
つまり動輪の回転速度を減速させる働きをする。
圧縮工程はもともと動輪の回転力を利用したものだから、動輪の回転速度を減速させる働きをすることは当然。
しかし自律回転（ニュートラル時）速度相当の燃料供給で回転している状態（高回転であろうと自律回転であろうと）の圧縮工程は内燃機関の基本機能であり、エンジンブレーキと認めるのはいかがかと思います。
以上からエンジンブレーキは吸入工程の負圧によるものと理解しました。

ディーゼルエンジン
ニュートラル状態では燃料供給は行われているが、エンジンブレーキ中は原則として燃料供給なし。
したがってエンジンブレーキは圧縮工程を利用。
排気ブレーキは、大型車でしかも荷物満載状態ではエンジンブレーキの効きが悪いので排気口側に弁を設けてこれを閉じることにより「排気工程」でのピストンの動きを減じさせるもの。

お礼日時：2003/08/20 21:57

No.5 回答者： p-21 回答日時： 2003/08/17 13:42

＞ガソリンエンジンのエンジンブレーキの件ですが、そのブレーキの元になるのは、主に吸気の抵抗です。

４サイクルガソリンエンジンの場合、吸気の時にスロットルを絞ればピストンを下げるのに大きな力が必要です。
（注射器に注射針を付けてピストンを引っ張ると、注射針を付けないときよりも力が必要だと言うイメージで）
その後、圧縮行程にも力が必要ですが、その力は膨張行程（エンジンブレーキ時には燃料噴射では燃料がカットされるので爆発力はほとんど無く、圧縮された空気の反発力のみ）で相殺されます。排気行程では排気バルブが解放されるのでピストンの抵抗になることはなく、吸気の抵抗によってエンジンの回転が制限される訳です。


エンジンブレーキ状態では燃料のカットが行われている為
当然爆発が無いので回転力は得られません
で、この状態でアクセルを全開（スロットルバルブ全開）にしたらブレーキ効果は薄れるハズですよね？
でも実際はどうでしょうか？　体感する変化はありません
実のところ圧縮抵抗のほうが大きいのではないでしょうか？
エンジンのコンプレッションを測る場合アクセルペダル全閉で行いますよね？　これで10キロ近いコンプレッションが得られるのは何故でしょうか？
つまりこれがエンジンブレーキの効果を生み出しているのです　Twin　Ringさんもおっしゃっている排気抵抗もつまりは圧縮抵抗です　

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
正直、ちょっと困りました。恐れ入りますがNo4さんへの補足質問をお読みいただけませんか。
ところで、急な坂道をアクセルから足を放して下る場合、エンジンは大きな音をたてます。
これは単にファンの音とエンジンの空転の音だけでなく、爆発（膨張工程）もおきているような気がするのですが、どうなのでしょうか？
本当にプラグは火花を飛ばしていても燃料供給は行われないので爆発は無いのでしょうか？
それとも自律運動を維持する程度の燃料供給は行われていて爆発は行われているのでしょうか？
専門家の方の常識として、こういう微小な燃料で自律回転する程度の膨張工程は「爆発なし」と定義しているのでしょうか？

＞で、この状態でアクセルを全開（スロットルバルブ全開）にしたらブレーキ効果は薄れるハズですよね？でも実際はどうでしょうか？　体感する変化はありません＜
アクセルを全開にしなくても踏み込んだだけで加速するので、“体感する変化“どころではないと思いますが、意味を取り違えているのでしょうか？
エンジンのコンプレッションの測定に関しては私はズブの素人なのでわかりません。

補足日時：2003/08/17 14:52

No.6 回答者： p-21 回答日時： 2003/08/17 13:53

＞エンジンブレーキを使用している期間に膨張工程があるのはおかしい。

もし微小な燃料供給で圧縮工程に回す力など無いというのであれば、そもそもそんな膨張工程など必要ないのではないかと考えたのです。

エンジンブレーキ時には圧縮工程は存在するけれども
役割は果たしていないカラの工程に過ぎません
吸気ー膨張ー圧縮ー排気で1つのサイクルを形成しているので燃料カットやその時のエンジンに掛かる抵抗を上回る爆発力を与えてあげなければブレーキ動作になってしまいます　　膨張行程は必要ないとしても機構的のにハズすと言う事が出来ない（ハズす意味が無い）ので単にカラ動作と言う事なのです

この回答への補足

ご免なさい、No4さんへの補足質問で、あなたのニックネームをP-1さんと呼んでいました、大変失礼しました。
上記の私が言いたい意味は、「吸気ー圧縮ー膨張ー排気」の4工程が4サイクルエンジンの機構ではあるが、エンジンブレーキをかけるときは実際に燃料供給をして爆発させる「膨張」工程は必要ない、という意味です。
つまり、「吸気ー圧縮ーナニモシナイー排気」ということです。
でも、でも本当は「ナニモシナイ」ではなく「膨張」工程が行われているからエンジンは大きな音をたてているのではないでしょうか、というのがNo5の補足質問なのです。

補足日時：2003/08/17 15:12

No.7 回答者： noritaman 回答日時： 2003/08/17 15:29

燃料カット状態でエンジンが回っているとき、スロットルバルブを全開にすればエンジンブレーキの利きは悪くなります！。

（ディーゼルエンジンでエンジンブレーキをかけたのと同じ）
なお、エンジンの圧縮圧力を測るときにはスロットルは全開にしてクランキングします。
圧縮圧力で、ブレーキがかかるのであれば、圧縮圧力の高いディーゼルエンジンの方がエンジンブレーキの利きは良いはずですが、実際にはそうではありません（だから排気ブレーキが付いている訳です）
圧縮行程が始まってから膨張行程が終わるまで、吸排気共にバルブは閉まっているので、注射器でたとえれば注射針を完全に塞いだ状態でピストンを押す（つまり、圧縮行程）為には力が必要だけれども、押された空気の圧力で、力を抜けばピストンが押し戻される（膨張行程）ので、差し引きゼロと言う訳です。

インジェクションのエンジンであれば、減速時に燃料カットがされるので（ただ、スロットルを閉じていれば完全にカットするのではなく、次にスロットルを開けたときに点火ミスをしないようにタイミングによっては噴射しているときもあります）、プラグに点火はしているけれども、爆発は起きていません。
従って、減速時の音はメカニカルノイズがほとんどのはずです。
キャブレター式だと、エンジンブレーキをかけたときには強い負圧が発生し、燃料が吸い出されるために混合気が爆発限界を超えてミスファイアを起こし、未燃焼ガスが排気管内で爆発（アフターバーン）して、大きな音が出る事はあります。

マニュアルミッション車とオートマティック車のエンジンブレーキの効き具合の違いは、マニュアル車が、車輪とエンジンがダイレクトに繋がっているのに対し、オートマ車の場合、途中にトルクコンバーターが付いていて、そこで滑りが発生するために、仮にマニュアルと同じ減速比のレンジに入れていてもマニュアルのそれよりもエンジンの回転数が低いために利きが悪い訳です。
オートマでもＣＶＴの場合は、ダイレクトに繋がっていますので、その制御プログラムによってエンジンブレーキを強く効かす事が出来ます。

この回答への補足

マニュアル車もオートマ車も動かしてみる環境が現在ありません。
したがって、急な坂道をエンジンブレーキで下る際に、マニュアル車が大きなエンジン音だったか否かは昔のことなので記憶がこんがらかって定かではありません、失礼しました。
ただオートマ車は大きな音がしたことは確かで、本当にあの音が空気音とメカニカルノイズだけなのか大いに疑問を持っています。

＞圧縮行程が始まってから膨張行程が終わるまで、吸排気共にバルブは閉まっているので、注射器でたとえれば注射針を完全に塞いだ状態でピストンを押す（つまり、圧縮行程）為には力が必要だけれども、押された空気の圧力で、力を抜けばピストンが押し戻される（膨張行程）ので、差し引きゼロと言う訳です。＜
「差し引きゼロ論」でいけば、バルブが閉まっているときの吸入工程開始（上死点）から圧縮工程終了（上死点）も差し引きゼロと言えないでしょうか？

こだわるようですが、（マニュアル車で）トップで走っていてアクセルから足を放したらエンジンブレーキがかかります。そのまま放っておくとノッキングを起こしてエンジンは停止します。ノッキングを起こすということは爆発がおきている証拠ではないでしょうか？つまりエンジンブレーキをかけているときでも燃料の供給は行われているのではないでしょうか？

補足日時：2003/08/17 18:54

No.8 回答者： twin_ring009 回答日時： 2003/08/17 15:33

まず誤解から説いておきます。

エンジンブレーキでは燃料の供給は「０」ではなく
「アイドル回転時の供給量」となります。
また燃料は全てが爆発エネルギーになる訳ではなく、
燃焼室内部の冷却にも使われます。

エンジンブレーキでの発生するエンジン音は、アイドルでの
エンジン音を異常回転させて発生させたものです。

そしてエンジンブレーキの実際の抵抗となるものは
「吸気抵抗」と「圧縮抵抗」の「複合作用」では？

確かにガソリンエンジンでは、スロットルを閉じて
流入空気を制限してしまえば、圧縮に掛かる圧力は
弱くなってしまい、大きな抵抗とはなりません。

しかし、スロットルを持たないディーゼル機関では
流入空気を制限できませんが、排気ブレーキが無い
普通自動車でも、強力なエンジンブレーキが効きます。
ということは「圧縮抵抗」も有効な抵抗であると思われます。

また、ターボ車とNA車では純然として圧縮比が、ターボ車の
方が低いのですが、エンジンブレーキは弱いものです。
しかし吸入される負圧の数値は、いずれも同じです。

従って、「吸入抵抗のみ」と断言も出来ないと思われます・・・・

この回答への補足

＞また燃料は全てが爆発エネルギーになる訳ではなく、
燃焼室内部の冷却にも使われます。＜
エンジンブレーキの原理とは関係ないのですが、燃料が燃焼室内の冷却につかわれるとは初めて聞きました。
燃焼すれば何百度かの温度が発生するはずですが、これがどうして冷却に貢献するのでしょうか？

補足日時：2003/08/17 19:05

No.9 回答者： p-21 回答日時： 2003/08/17 15:55

＞＞で、この状態でアクセルを全開（スロットルバルブ全開）にしたらブレーキ効果は薄れるハズですよね？でも実際はどうでしょうか？　体感する変化はありません＜

アクセルを全開にしなくても踏み込んだだけで加速するので、“体感する変化“どころではないと思いますが、意味を取り違えているのでしょうか？


読み返したら言葉が不足していましたね　スミマセン。
注射器の例についてのレスとして
スロットルバルブの開け閉めについて
変わりない事を言いたかったのでその実験例について
書いたのですが　その時の条件として
惰性でかつキーOFF（点火なし）の状態での説明でした
ややこしくなっちゃいましたね　


＞でも、でも本当は「ナニモシナイ」ではなく「膨張」工程が行われているからエンジンは大きな音をたてているのではないでしょうか、というのがNo5の補足質問なのです。

音については空気の出入りの音が大半を占めると思うので膨張が起きなくとも音はします
エンジンのサイクルで　書物によっては
膨張でなく「爆発工程」とも言っています

この回答への補足

エンジンブレーキをかけているときには爆発は起きていないということがどうにも納得いきません。
マニュアル車でトップで走っていてアクセルから足を放します。
このときからエンジンブレーキがかかっていくことになります。
あなたの説明ではエンジンは回転していても爆発はおきていないとなります。
そのままだと次第に速度は落ち、ノッキングを始めます。
この寸前でクラッチを一気に踏み込みます。
エンジンはやや速度を上げて回転します。
あなたの説明ではクラッチを踏み込んだ瞬間に再び爆発が起きることになったと解釈すべきだと思うのですが、それでいいのですね？

補足日時：2003/08/17 19:25

No.10 回答者： p-21 回答日時： 2003/08/17 20:54

＞あなたの説明ではエンジンは回転していても爆発はおきていないとなります。

そのままだと次第に速度は落ち、ノッキングを始めます。
この寸前でクラッチを一気に踏み込みます。
エンジンはやや速度を上げて回転します。
あなたの説明ではクラッチを踏み込んだ瞬間に再び爆発が起きることになったと解釈すべきだと思うのですが、それでいいのですね？

燃料カットの条件を満たさなくなれば再度
燃料の噴射が起きてエンジンは自力で回転をはじめます
それまでの間は車の惰性によるタイヤから伝達された回転力でエンジンは”回されて”います
燃料カットの条件で一般的なものは（メーカーの趣旨により多少違いがあります）　アクセルOFFでかつ一定回転数の場合　減速時と判断し　燃費向上と大気汚染防止の為燃料カットをはじめます　2000RPM程度がカットラインです
減速時にこれを下回れば再度燃料を噴射します
オシロスコープでインジェクターのコイル両端電圧を
観測すればこの様子が良くわかります

この回答への補足

＞2000RPM程度がカットラインです＜
オートマティック車のうろおぼえの記憶しかないのですが、2000rpmといえば高速走行時にアクセルから完全に足を放した直後が2000rpmくらいではなかったでしょうか？
オートマティック車とマニュアル車とでは違うかもしれませんが。
いずれにしても現在試すことのできる環境にいないものでどうしようもありません。

補足日時：2003/08/18 02:36