エンジンの気筒配置と出力特性の関係

こんにちは。
これまでいろんなバイクに乗ってきましたが、恥ずかしながら知らないままでいた
エンジンの気筒配置による出力特性の違いについてご質問させていただきます。

同じ排気量のエンジンで比べた時、一般に
「単気筒、Vツインは低速トルクがある」　とか　「直4だと低速トルクは細いが高回転までよく回る」言われますが、これはエンジンの何の要素が影響してこうした特性に現れているのでしょうか。

例えば直4が良く回るのは往復運動するピストンの慣性の大小が影響してたり、
6気筒だと気筒間で相殺して振動が相殺されたり、という話は時たま耳にするのですが、
出力の、特に低速のトルクの大小について改めて深く考える機会がありませんでした。

何となく、点火(燃焼)の間隔の違いかなぁ、とは思っていますが、
ヤマハさんのクロスプレーンの存在を思い出すと頭がこんがらがってくるのです...。

こんなことも知らずに今までバイク中級者を自称してきた恥ずかしい私に、ひとつご教授いただけますでしょうか。
よろしくお願い致します。

No.13 回答者： blueoval 回答日時： 2014/05/24 10:12

大昔レースをやってました、もともと整備畑の人間なのでメカニカルな技術論には詳しいですが、ここまでスレが伸びるとみんなきちんと目を通されるか怪しいので、何がしかのお礼が着いたら私の分析を書き込みます。

皆さんの意見は各論で間違っていないのですが、総論としてずれた感じがするのが多いので、理解しやすく総合的に正しい方向性を出したいと思います。

No.12 回答者： gorisansei 回答日時： 2014/05/23 05:42

気筒の数や配置は振動や燃焼間隔に関係するだけで、高回転型、低回転型というのはボアストローク比やシリンダーヘッドの設計に寄るところが大きいです。

ピストンの往復の速度、平均ピストンスピードはどんなエンジンでも毎秒20メートル位が限界ですので。
レース用や特殊なエンジンは別ですが、ほとんどのバイクはそれくらいです。
ストロークが50ミリのバイクなら、1000rpmで毎分1000往復、距離にして100メートル移動します。
秒速に直せば約1.67メートル。
毎秒20メートルの時は12000rpmですね。
こんな感じで計算すれば、高回転型のエンジンも低回転型のエンジンもあまり平均ピストンスピードは変わりません。

後はピークパワーをどこで出すかは、バルブタイミングが特に関係しています。
現在のエンジンは可変バルブタイミングが当たり前になってきているので、昔ほど高回転、低回転で変化は無くなっていますが(車は)

No.11 回答者： makoto111 回答日時： 2014/05/22 16:29

まずは単純に考えるために排気量やストローク長を同じものとします。

単気筒１０００ｃｃと4気筒１０００ｃｃで考えてみます。
爆発一つの力を見ると単気筒は１０００ｃｃ分の爆発、対して4気筒は２５０ｃｃの爆発と見れます。

自転車の片方のペダルに両足を乗せて漕ぐのを想像してみました。
全体重がかけられるので大きな力が出せますが、連続した工程を考えると高回転では辛そうです。
上に加え普通に両足で漕ぐのを考えてみると、ペダルにかけられる体重や力が分散するので一つの力自体は小さくなりそうです、でも連続しさらに回転数が上がっても楽そうです。

気筒数による違いは上記のようなザックリした違いがあります、排気量やストローク長の違いがあればエンジン特性は変わって現れますが、それはどこかに寄っただけであって基本的なものは変わらないとおもいます。

No.10 回答者： angiras 回答日時： 2014/05/22 07:53

いやはや、こんな話、始めたら終わりがありません。

それぞれのライダーがそれぞれの意見、拘りを持って、楽しむ目的も違う。
だから、メーカーもいろいろなタイプを出してくるけど、売れたり売れなかったり。必ずしも優等生が売れるとは限らない・・・・。
乗ったことが無いので分からないのですが、最近の車種は電子化されていて、欠点が見えにくいのではないでしょうか？

No.9 回答者： baikebaike 回答日時： 2014/05/21 21:01

回答にはなりませんが、

ヤマハのクロスプレーンは特殊なエンジンですから
一般的なバイクのエンジンとは違うと考えたほうがいいと思います。
ヤマハのクロスプレーンが出来たのも、
ホンダのＶ5気筒に対抗するためですしね。

ヤマハのクロスプレーンは極低域はトルク薄い
それに始動するときも、長めのクランキングが必要です。
パワーは出ていてもトップエンドの伸びは劣ります。
これは不等間隔の点火が影響していると思っています。

実際に乗ってみるとわかりますが、
ヤマハのクロスプレーンは極低域の反クラが、
振動が出て使いずらいです。

ありきたりですが、低速トルクの大小は
ストローク（燃焼を使い切る）とかフライホイールの影響が大きいような気がします。

No.8 回答者： xxyyzz23g 回答日時： 2014/05/21 18:29

＞同じ排気量のエンジンで比べた時、一般に

「単気筒、Vツインは低速トルクがある」　とか　「直4だと低速トルクは細いが高回転までよく回る」

これはほんの一部しか見ていない、バイクやエンジンの事を
あまり知らない初心者にザックリ説明するにはいいかもしれませんが
ある程度知っている仲間内なら叩かれても文句は言えません
そういうレベルではないでしょうか。
数多くあるバイクには、上記の一般論をくつがえす
異端児みたいな車種がかなりの数存在します。

他の方がSR400について解説しているので1100～1200CC
前後の4気筒DOHCでボア・ストロークがほぼ同じエンジンの例です。
ベースエンジンはGSX-R1100油冷なのに、点火時期・バルタイ等で
特性が違うエンジン、同一車種でも年式で冷却方法も性質も異なる
いわば変なところに拘る、一貫性がないSUZUKIのお家芸
みたいなものでしょうか。そういうところがスス菌感染者には
たまらないのでしょう～。
http://www.geocities.co.jp/MotorCity/2237/data_1 …
http://chaze.blog.fc2.com/blog-entry-1384.html
http://www1.suzuki.co.jp/motor/gsx1250fal4/spec. …

最近は、FI化されモードが選べる車種もあり、これまでの
概念が通用しない車種もあります。

2/4スト、50～125CC、250CCや400CCの単・2・3・4気筒の
変わり種もありますが長くなるので興味があれば市販のみならず
レーサーも調べてみると更に面白いですよ。
http://www.m-bike.sakura.ne.jp/?p=55220

No.7 回答者： chapaco 回答日時： 2014/05/21 18:00

専門的にはいろんな要素が関係してくるのでしょうが、なるべく簡単に理解しようとすると質問者様の言う爆発間隔が大きく関係しているとおもいます。

４ストロークエンジンはシリンダー数にかかわらず、クランクシャフトが２回転で１サイクルですね。単気筒エンジンはその間に１回爆発した力がタイヤを回そうとするのに対し、２気筒エンジンは同じ時間内に半分の力の爆発が２回、４気筒エンジンは同様に４分の１の力の爆発が４回起きるわけです。（排気量が同じという前提です）

文字で表すと、

シングル　　「ドスン」　　　　　　　　　　 「ドスン」
ツイン　　　「ドン」　　　　「ドン」　　　 「ドン」
４気筒　　　「トン」「トン」「トン」「トン」「トン」

という感じでしょうか。排気量が同じなら取り出せるトルク自体はほぼ同じなのですが、力の脈動・変動が大きい方が力強く感じる（特に加速時）、というのが非常にざっくりとした説明になるのではないかと思います。

誰かに肩をたたいてもらう時、上の様な感じでやってもらったら、たぶん単気筒モードならちょっと痛いし、２気筒ならちょうどいい、４気筒モードならバイブレータみたい・・・のように感じるのかもしれません。

ただ単気筒は極低回転になると回転バランスが悪くなってスムーズに回らなくなり、ギクシャクするのに対し４気筒は回転が滑らかなのでアイドリングに近い回転数に落ちてもなんとか回り続けじわじわと加速できるので、４気筒のほうが低速トルクがあると思っている人もいるようです。教習車に4気筒のバイクが多いのはこの扱いやすさのためと思われます。

あと２気筒に関しては並列配置で180度クランク、270度クランク、360度クランクと3種類あってそれぞれ爆発間隔が違いますので体感する鼓動感も違います。またＶ型2気筒はシリンダー角度によってまた爆発間隔が変わるのでなかなか面白いです。

No.6 回答者： CNC-Milling 回答日時： 2014/05/21 16:14

エンジンの性格は気筒配置はもちろん、気筒数、2st/4st、ボアXストローク、圧縮比、バルブ数、バルブ機構、吸排気セッティング、エンジン内部パーツの重量バランス、その他（燃焼質形状や過給器など）で決まりますので、気筒配置が○○だから出力特性は△△みたいな決めつけは基本的にありません。

＞特に低速のトルクの大小について...
これは気筒配置や気筒数よりも、エンジン内部パーツの重量バランスやボアXストロークや圧縮比や吸排気セッティングやよるものの方が大きいです。

単気筒でも超ショートストロークで軽量フライホイールでエンジン内各パーツを軽量化すれば高回転型エンジンになります（例えばXR250とかシングルながら割と高回転型ですね。極端な例ですと、昔の小排気量GPマシンのエンジンとか。超極端な例では、単気筒ながら20000rpmとか30000rpmでMAXパワーが出るラジコン用エンジンとかもあります）。

逆に4気筒で低速トルクたっぷりのエンジンにしようとすると、この逆を踏めばということになります。バイクでは1100カタナのGSXエンジンなどが4気筒ながら低速から盛り盛りトルクのエンジンですね。ホンダのCB系の4気筒エンジンとは設計思想がまるで違うエンジンです。このあたり、同じ構成ながら各メーカーの個性があって面白いです。

ちなみに下で出て来ているSR400はボアとストロークが87.0×67.2mmですので、超ショートストロークと言えるエンジンです。SRが比較的低速寄りの特性になっているのは、フライホイール重量やエンジン内部パーツの重量バランスや吸排気特性などによるものです。一般的な定義では、ボア径＜ストローク長のものをロングストロークと呼び、ボア径＝ストローク長はスクエア、ボア径＞ストローク長はショートストロークとなります。ロングストロークエンジンは、ピストンスピードとピストンの往復距離から熱的な問題が生じ易いので、現代のオートバイにおいては実際はかなり希な存在というのが実情です。

No.5 回答者： lowrider_2005 回答日時： 2014/05/21 16:06

ちょっといろいろな要素をいっぺんに考えすぎと思います。

主に以下の３点について、それぞれ分けて考えてみてはいかがでしょう。
・気筒数
・配置（多気筒の場合）
・ボアｘストローク

それぞれの項目で、いろいろな形式による特徴を踏まえた上で、「V型２気筒ショートストローク」とか「単気筒ロングストローク」とか「超ショートストロークの直列４気筒」などで考えてみましょう。

例えば、ロングストロークだとクランク軸とクランクピン（コンロッド大端軸）の距離が長くなりますので、１回の爆発でクランクシャフトを回す力が大きくなります（てこの原理と同じ）。つまりトルクが大きくなる。
一方でピストンの動く距離が大きいので高回転には向きません。
ショートストロークだと全く逆で、トルクが小さい分回転数を上げて馬力を稼ぐ方向になります。

上記を踏まえた上で400ccのエンジンを考えたとすると、ロングストロークの単気筒なのか、ショートストロークの100ccを直列に4個並べるのかは、そのバイクに求める性格で選択すれば良いわけです。

配置に関しては、例えば同じVツインでも、シリンダーの角度やクランクピンの配置によって全く性格が異なるものになります。直列2気筒についても180度なのか360度なのかによってかなりフィーリングが異なります。
いくつかの形式をピックアップして、爆発の間隔（クランクシャフトのどの位置で爆発しているか）を調べてみると面白いかもしれません。またそれによってバランサーが必要かどうかも考えてみてください。
4ストロークのエンジンだと、直列4気筒は非常にバランスが良い理にかなった形式であることがわかると思います。


実際には、いろいろな要素を組み合わせて（あるいはわざとバランスを崩してまで）一部の利点を生かしたエンジンにしたり、または単に味付け（乗り味、振動、音など）したりするわけですが、ヤマハの4気筒クロスプレーンはわざとバランスを崩して（結果的にバランサーという余計なデバイスを付けてでも）得られるメリットが大きいと判断されたのでしょう（たぶんトルクアップ？）。

No.4 回答者： fxq11011 回答日時： 2014/05/21 14:49

９０Vツインの場合、一方が上死点（下死点）のとき、もう一方のピストンが最高速。

上死点（下死点）はピストンに急ブレーキをかけ、すぐに急加速が必要なため、大きなエネルギーが必要。
この動的バランスが良いと聞いています。
水平対向は左右のピストンがたがいに反対の動きをするため、静的バランスが良いと聞きます。
V、インライン（直・並列）は４気筒、水平対向は６気筒、で何とか最低限の、静的、動的バランスがとれそうです。
参考、２気筒インライン、クランク角１８０°と３６０°があります。
１８０°はピストンは交互に動きますが、爆発は不等間隔になり、３６０°はピストンの動きは同じになりますが爆発は等間隔になります。
またバイク、得にオフロードの場合、爆発の回数とスリップし始めやすさは比例するそうです。