高回転で出力が低下するのはなぜですか？

車やバイクのエンジン出力がグラフなどで表記されてるのを多く目にしますが，どのグラフでも，高回転になると必ずと言っていいほど出力が低下しますよね．
最高出力・最大トルクの回転を超えると低下するのはどうしてなのでしょうか．
体積効率や軸トルクなどが関係しているようなのですが，お恥ずかしいことに体積効率・軸トルクそのものが理解できていません．
高校の物理でやったようなやっていないようなって程度ですｗ
どういった関係でトルクや出力が低下するのか，教えてください．
よろしくお願いします．

No.5 回答者： ayacbm 回答日時： 2007/01/13 21:34

エンジンが最大トルクを発生できるピストンの位置はただ１点だけです。

エンジン回転数が一定ならばその１点にピストンがきた時に点火すればよいのですが、
回転が速いとその１点を通り過ぎますし遅いとその位置に来る前に点火します。
その１点の前でも後ろでも力は出ません。

これが基本ですが、進角装置によって１点近くで点火するようにある程度はなっています。

No.4 回答者： meer 回答日時： 2007/01/12 23:20

自転車に乗ったことがあれば経験すると思うのですが、

一番軽いギアで加速していっても結局最後は早く回すだけで頭打ちになってしまいます。
エンジンも同じで回転を早くしすぎると高速回転による摩擦やバルブのバネの戻り速度がネックになってただ回るだけで力をロスしてしまい、加速できなくなります。

No.3 回答者： shironekoxxx 回答日時： 2007/01/12 02:31

> 最高出力・最大トルクの回転を超えると低下するのはどうして

質問が変です。(^-^;
出力もトルクも、ある回転数のときが最大になるのでそこより高回転になれば下がりますし、そこより低回転になっても下がります。

質問の意図は「どうして特定の回転数が一番高い出力・トルクなのか？」という意味だと解釈させてもらいます。


エンジンというのは、所詮「モノが燃えて、膨張（爆発）する時のエネルギーを取り出している」ものです。当然のことながら、膨張するスピードも（条件が変われば多少は変わりますが）比較的一定に近いです。
ですから、「どんな回転数でも同じようにエネルギーを取り出そう」と思うこと自体がそもそも無理なのです。

そうは言っても、なるべく広い範囲で使える方が便利なので、工夫をしてなるべく広い範囲で同じようにエネルギーを取り出せる努力をしているが、今の技術レベルでは、ご覧のような出力特性にしかならないということです。

こんな説明はいかがでしょう？
トルクと出力（パワー）の関係は先の回答者さま達の説明をご覧下さい。

ちなみに、条件で多少変わる、の分かりやすい例として、大型バイクと軽自動車のエンジンを比較してみて下さい。排気量も同じくらいで、気筒数も同じようであっても、出力やトルクはかなり違い、またその時の回転数もかなり違うはずです（といっても、１０倍も１００倍も違うわけではなく、せいぜい２倍くらいでしょうが）。

No.2 回答者： joshua01 回答日時： 2007/01/11 21:40

こんにちは。

次のような回答ではいかがでしょう。

　回転速度はご理解ですよね。一方、トルク（軸トルク）は、いわば、「どのくらい強い抵抗（ブレーキ）をかけても回転が低下しないか」を示しています。
　例えばトルク「１００N・m（3000rpm）　」（約10Kg・ｍ（3000rpm））なら、次のような実験を思い浮かべてみましょう

　毎分3000回転しているエンジンを考えます。空ぶかし状態なら、ほんのわずかにスロットル（アクセル）を開くだけで簡単に3000rpmにはなるでしょう。
　この回転軸に１ｍの腕木の先に10kgのおもりをつけたものをクラッチを介して徐々につなぎます。エンジンにとっては10Kgもの重りを、1mもの腕木の先につけたものをつけた形で持ち上げるのは大変。負荷になりますので、回転が下がってしまいます。
　そこでもっとスロットルを開きます。すると再び回転速度が上がるので、さらにクラッチを深くつなぎます。すると回転速度が下がるのでまたスロットルを開く・・・
　最終的に、スロットルを全開にしてクラッチを深く深くつないで3000rpmの速度を下げることなく重りを持ち上げられればトルク「10kgf・m（3000rpm）」達成！（でも10.1Kgだと回転速度が下がってしまうなら「10.1kgf・m」とは書けない）

　同じ実験を2500rpmでも4000rpmでも4500rpmでも行い、それぞれの回転速度域で回転速度が下がらない最大の重りの重さを明らかにします。
（実際には負荷になる発電機をつないだダイナモメータというものを使います。通常、ガソリンエンジンは回転速度が低いほど軽い重りでも回転速度が落ちやすい（トルクがない）ですね。）

　さて、パワー（馬力）は、回転速度とトルクの掛け算です。
トルクが少なく（軽い重りにしか耐えられなく）とも、回転速度が速い状態なら、同じパワーと言えます。通常、エンジンは、同じようにスロットルが全開状態でも低速回転時はトルクも少ないので、パワーが極端に少なく、同じトルクなら高速回転のほうがパワーは大きくなります。　しかし、より高速回転域で、回転速度が非常に速いのにパワーのグラフが下がるのは、トルクが極端に下がっているから。
　逆に言えば、パワーが最大の回転域でさえ、回転速度ばかり大きくて、もはやトルクは低くなっている（加速などの負荷には弱くなっている）状態でもあります。

　次に、高速域でのトルクの低下要因ですが、何と言っても「ピストンの動きが速すぎて混合気が十分シリンダーに入っていかないから」（充填効率・体積効率の低下）でしょう。
　パワー全体で言えば、「1秒にどのくらいたくさんガソリンを燃やせるか」に対応する問題になりますが、トルクで言えば「1回の爆発でどのくらいのガソリンを燃やせるか」なので、充填効率の低下が主な要因になります。
　ピストンが下がって混合気が流れ込もうとしているのにそれを待たずにまたピストンが上がってきてしまう。正確ではありませんが、例えば4気筒2000ccのエンジンなら1気筒500ccですが、6000rpmくらいなら200cc分くらいしか吸入されていない（合計排気量800cc並）ことも珍しくないでしょう。
　これをできるだけ避けるためにバルブを大きくしたり、小さなバルブで数を増やして合計のバルブ面積を増やしたり（吸入2バルブ・吸入3バルブ）、注入する混合気の圧力を高めて無理矢理吹き込んだり（ターボ、スーパチャージャ）など、いろいろ工夫がされていますね。

さて、いかがでしょうか。
お役に立てば幸いです。

No.1 回答者： manekane 回答日時： 2007/01/11 15:13

まずトルクと馬力の関係から。

トルクとはエンジンの出す力です。
ガソリンと空気の混ざった混合気が爆発してピストンを押し下げてクランクシャフトを回すときの力ということです。
馬力とは一定時間内に行われる仕事量の合計です。
馬力表示は１分単位ですから１分に出すトルクの合計を馬力の単位に換算したものが馬力です。

最大トルクの回転数というのはそれ以下でもそれ以上でも抵抗による損失が上回るのでトルクが減少するということです。
吸気の場合回転数が高くなると充分に混合気を吸う時間が無くなりますし、短時間で抵抗なく吸い込めるようにバルブを開く時間を長くすると低回転時に吹き抜けなど逆の損失が出ます。
吸気だけではなく摩擦の抵抗など損失の原因は他にも色々あります。

さて最大トルクは２０００から３０００回転ですが馬力はこれに回転数を掛けますのでトルクが落ちてきても回転数を上げれば馬力は増えていきます。
しかし６０００から７０００回転を超える範囲になるとトルクの落ち込みが大きくて回転数を掛けても馬力自体は下がってきます。
これが最大出力の回転数になります。