エンジンの回転数と速度と出力の関係

質問

１，エンジンの出力特性曲線を見ると、エンジンの回転数が一定であれば、出力は定まっています。
２，同じギアであれば、車の速度エンジンの回転数は比例するので、速度が一定であればエンジンの回転数が定まることになります。
これらのことから、
３，車の速度が一定であれば、エンジンの出力は一定ということになります。
ところが、
４，平地と坂道を同じ速度で走っているときに使われるパワーが同じではないはずです。
３と４の間に生ずる矛盾の原因として、
a,出力は一定だが、負荷の大きさによって生ずるロスが変化する。
b,エンジンの回転数が一定でも、実はエンジンの出力は変化している。
などが考えられますが、正しくはどのようになっているのでしょうか？

回答No.1

Kon1701 · ベストアンサー

エンジンの出力特性曲線、アクセルを全開にしている場合の数値です。
実際に走るときはアクセルは全開ではありません。特に平地の場合、ほんの少しで速度が維持できますね。一方坂道では、ヽ回転数であってもアクセルを踏み込んでいます。ガソリン等の供給がより多く、出力も高くなります。

b,エンジンの回転数が一定でも、実はエンジンの出力は変化している。
とうことですね。

お礼

どうもありがとうございました。
そういうことでしたか、納得しました。
回転数と出力の図は、一本の線で書かれていますが、実は四辺形であらわされるということだということがわかりました。。

回答No.9

nekoppe

車も自転車も人力車も動かす為には力が必要で、どれだけ必要かと言えば、

１．止まっているなら、加速する為に転がり抵抗を超える力（空気抵抗はゼロとする）、転がり抵抗と同じ力では動きません。
２．動いているなら転がり抵抗と同じ力、これを加速するなら転がり抵抗を超える力。

路面を限定すると転がり抵抗は道路勾配で変化し、９０度の勾配が最大（実際にはないが）、マイナス９０度が最少、マイナス勾配がある値で転がり抵抗ゼロになります。抵抗が変化するなら、速度維持の力も変化させないと加速や減速が生じます。車の場合はアクセルペダルの踏み込み量を変化させ、転がり抵抗と同じ力を作り出し速度維持をします。つまり、転がり抵抗（＝ロス）可変なので力（＝出力）も可変になるという事です。

お礼

出力は変化するはずなのに、出力曲線が一義的であったのが疑問点でした。出力曲線についての理解に問題があったことが分かりました。

どうも有難うございました。

回答No.8

noname#21317

東京大学2000年度後期試験総合IIという数学の試験に
まさしくこのことを扱った問題が出ています。
例の曲線が示してあり、空気抵抗・転がり抵抗・勾配抵抗・
加速抵抗などを微分方程式を使って解きます。
初めてこの問題を見たときは感動しました！
自分の大好きなバイクのスペックが高校数学で説明できる
からです！興味ありましたら見てみてください。

お礼

ネットで探してみましたが、見当りません。受験参考書を探すというところまでは、できそうにありません。御紹介いただきましたが、申し訳有りません。
加速抵抗というのは、運動エネルギーに変換される力ということでしょうか？
どうもありがとうございました。

回答No.7

noname#80187

えっと、
同じギヤの場合、車の速度はエンジン回転数に比例します。これは正解です。

ですが、同じギヤでも、車の速度は、アクセルペダルの踏み込み量には比例しません。

坂道を下る時、ぶっちゃけ、燃料カットでも加速します。エンジン回転数も上がります。
坂道を登る時、ギヤを変えなければ平坦を登るときのアクセルペダルの踏み込み量では、車の速度が低下します。
これはキーワードです。

ガソリンエンジンの仕組み回転の仕組みは、
ドライバーがアクセルペダルを踏み込み量を調整することにより、エンジン内に入る空気量を調整します。
コンピュータはこの空気量に応じて燃料を噴射させます。たくさん空気が入れば、たくさん燃料を噴射します。
そして、空気と燃料を混ぜて混合気を作り、スパークプラグでポチと点火します。点火して、混合気は爆発し、ピストンを押し下げます。ピストンはコンロッドと連結していて、ピストンが往復運動すると、クランクシャフトという棒が回転します。その回転力と回転速度が最終的にタイヤに伝えられ車は前進、後退します。

タイヤが回転しにくいということは、エンジンも回転しにくい、エンジンが回転しにくいということは、ピストンが下降しづらいということです。

カギがかかったドアを無理やり開くためにはどうしたらいいでしょうか？走って思いっきり体当たりをして開けますよね（ドラマの世界では）

ピストンが下降しづらい場合、爆発圧力を高めて下降させます。爆発圧力を高めるためには、アクセルペダルを踏んで空気と燃料を増やすしかありません。

出力の単位は別の式で表すと、（Ｎ・ｍ）／ｓです。
（Ｎニュートン・ｍメートル）／ｓ秒です。

ピストンの爆発力はＮ（ニュートン）です。
ピストンの下降によりクランクシャフトが回転する力はＮ・ｍ（トルク）です。
ピストンの下降スピードよりクランクシャフトが回転する速さはｒ（ロール）／ｓ（速度）です。クランクシャフトの速さはピストンの往復運動の速さと一定の関係がありますので、ｍ／ｓと置き換えられます。（ピストンが１往復でクランクシャフト１回転するので　ピストンの往復した距離／ｓ）

平坦な道は、タイヤの回転をさまたげる力は標準です。ここでは解りやすいように１Ｎ（ニュートン）とします。（走行抵抗はＮ（ニュートン）です）
坂道を登る時では１００Ｎ（ニュートン）します。重力の関係で、こう配抵抗が発生するのです。こう配が高くなればなるほど、人間の足でも登りづらいでしょう。それだけ抵抗が増えているのです。

この抵抗は、最終的にピストンの下降さまたげる力になります。
ピストンの下降をさまたげる力が発生すると、下降するスピードは低下します。
空気中で手を回すのと、水の中で手を回すのではどっちの方が重たいですか？それと同じです。

下降スピードが低下すると、車速も低下します。
なぜ、下降スピードが低下するのか、それはピストンが受ける爆発力が変らないからです。
　ですので、アクセルペダルを踏み、空気と燃料を多くして、爆発力を高めて、下降スピードを元に戻しているのです。ですが、坂道を登っている以上、空気と燃料は増えて、爆発力は高くなっていることを忘れないでください。

１Ｗ＝１Ｎ・１ｍ／ｓです。
１Ｗとは、１Ｎのものを１ｍ、１秒間動かした仕事量である。
１Ｎのもの（車重）を１Ｎの爆発力で動かして、１ｍ、１秒間に動かしたものが１Ｗである。
１Ｎのもの（車重と走行抵抗を含めて）を１Ｎの爆発力で動かして、１ｍ、１秒間に動かしたものが１Ｗである。（…なんか自信がなくなったきた。ので、自分で詳しく調べてください。１Ｗとは、１Ｎのものを１ｍ、１秒間動かした仕事量は正確です。）

２Ｗ＝２Ｎ・１ｍ／ｓでもあり、１Ｎ・２ｍ／ｓでもあります。

１００Ｗの出力を出している場合で、走行抵抗が１Ｎなら、１秒間に進む距離は、１００ｍです。（１００ｍ／ｓです）（１００＝１Ｎ・Ｘｍ）…１ｓは１なので消えます。
１００Ｗの出力を出している場合で、走行抵抗が１００Ｎなら、１秒間に進む距離は１ｍ（１ｍ／ｓ）（１００＝１００Ｎ・Ｘｍ）

ですので、走行抵抗が増える坂道では、アクセルペダルの踏み込み量が同じ場合、どんどん速度が低下していくのです。最終的には、エンジンの最低回転速度である１２０回転／分（ぐらいだったはず）をしたままり、エンストするのです。

ですので、答えは、ｂのエンジンの回転数が一定でも、実はエンジンの出力は変化している　です。

坂道ではアクセルペダルを踏み、空気と燃料の量を多くして、爆発圧力（Ｎニュートン）と高め、下降する抵抗があっても、平坦なスピードと同じぐらいの下降速度になる爆発圧力を発生させているのです。

故に、３．車の速度が一定であれば、エンジンの出力は一定ということになります　は、間違っています。直すのであれば、出力ではなくエンジン回転数になります。

以上、長々となりましたが、解っていただければ幸いです。自分で考えた時も、これぐらい時間掛かった気がします。

お礼

感覚として、同じ回転数でも燃料の消費量（入力？）がちがう場合が有りそうなのに、よく見かける出力曲線をみると、出力は回転数によって一義的に決まっているように見えるので、このずれが疑問でした。
よくみかける出力曲線は、特殊な場合（最大出力）を表していて、実際には、回転数がおなじでも出力が異なることがわかり、疑問は氷解いたしました。
ありがとうございました。

回答No.6

noname#185731

No.1、No.2 さんが正しいと思います。
>１，エンジンの出力特性曲線を見ると、・・・出力は定まっています。
これが間違いです。定まっていません。
グラフから読めるのは、各回転時の最大値（フルスロットル状態）です。
例えると、
平坦地を2000rpm（60Km/h）で走っていて、上り坂になったとします。
その回転（速度）を維持するには、アクセルを踏み込まないといけませんよね。
つまり、パワーをたくさん必要としているから、もっと踏み込む必要が出るわけです。
更に、上りがきつくなってきたとします。
アクセルをもっと踏まないといけません。
ついに、アクセルを目いっぱい踏んでやっと回転（速度）が維持できる坂道になりました。
このときが最大値であり、性能曲線の値になります。
通常の走行は部分負荷の状態で走行してます。
走行抵抗とバランスするアクセル開度で走っているわけです。
加速したり、上り坂になると（パワーを必要とする場合）アクセルを踏み込み、パワー不足分を補っています。

お礼

そうですね。
回転数を上げると出力が増すので、スピードが早いほうが力が出るので、坂道はスピードが遅いより早いほうが昇りやすそうです。ただ、そうすると位置エネルギーの増加率が高くなり、エンジンの出力が間に合わなくなりそうです。
ただし、勢いを付けると坂を登ることができるというのには、これがかかわっているようです。
考察を深めることができました。ありがとうございます。

回答No.5

noname#111369

上り坂では、エンジン～クラッチ～ギア～タイヤ接地面の摩擦とそれぞれの箇所で、
負担が掛かってロス＝熱に変換されていると思います。

なので、平地と上り坂で同じ速度で同じ回転数でもエンジンのうなり音が違うと思います。
燃料を多く燃やすのでしょうね。

お礼

同じ回転数でも燃料の消費量が違うので出力は違うはずだとは思っていたのですが、出力曲線の解釈が間違っていたようです。
ありがとうございます。

回答No.4

osi_nari

まず、車の速度を変化させるような要因が無い、という過程のもとに
１～３までの話が進んでいるから矛盾する（というか、新しい要素が
加わった時に対応できない）のだと思います。

車の速度を早くする要因＝エンジンの出力、下り坂、追い風など
車の速度を遅くする要因＝上り坂、向かい風、タイヤの転がり抵抗、
シャフトやギヤなどの摩擦、クラッチのすべりによるロスなど

これらを差し引きしたものが最終的な「速度」であって、
これが可変だとすると、「下り坂で追い風の場合」から「上り坂で向かい風で
空気圧不足でオイルが劣化していてサイドブレーキを解除し忘れた場合」まで、
ありとあらゆるパターンの出力特性曲線を書かなくてはなりません。
これでは実用的ではないですよね。

ですから、「エンジンの出力」以外の速度を早くしたり遅くしたりする
要因は「全て固定」と仮定して、１パターンのみの出力特性曲線を作表
するのです。

計算で、大体の数値を入れ込んで「推測値」として作表する場合もあれば、
実際に車に積んだ状態で「実測値」として計測し、作表する場合もあります。
この場合も、テストコースを走ったりするのではなく、屋内でローラー
（回転数で速度を計測する）の上にタイヤを乗せた状態で、つまり速度を
変化させてしまう要因をなるべくシャットアウトした状態で計測します。

メーカーに問い合わせれば、その出力特性曲線は「どのような条件下で作成したのか」
を教えてくれると思います。（表のそばに注釈で、大まかに書いている場合もあります）

また、同じ速度で同じ回転数でも、上り坂を登ろうとしてアクセルを踏んでいる
時の出力と、下り坂を降りるためにエンジンブレーキをかけている
（タイヤがエンジンを回転させている）時の出力は、違いますよね。
供給されている燃料の量によって出力は変わりますから、これも当然
「燃料の供給量（噴射量）は一定」として計算されています。

お礼

最大トルクの出る回転数でエンジンを使うとよいという話について考えていて生じた疑問でした。
燃料の噴射量によって出力が変わるのであれば最大トルクのでる回転数というのは変わらないのかな？とも思います。
燃料の噴射量による出力特性を表した図を見つけ出せればなあと思います。
ありがとうございました。

回答No.3

noname#111369

平地では重力の影響は常に真下ですよね？。

しかし、上り坂では後ろへ下がる方に重力が加算され（エンジンの負担が増える＝車重が増えたと同じ）、

下り坂では前へ下がる方に重力が加算されると思います（エンジンの負担が軽減＝車重が軽くなったと同じ）。

したがって、平地と坂道では違って当たり前ですね。
そう、重力が影響するでしょう。
（坂道をエンジンを止めて、クラッチを切ってブレーキを掛けないと、どのようになりますか？。）

お礼

そうですね。状況に応じてエンジンにかかる負荷が変化することがわかります。
ありがとうございました。

回答No.2

久保 泰臣（@omi3_）

エンジンの出力特性曲線は、最大値のグラフです。
通常、その曲線の半分以下で運用しています。

そこが矛盾の原因です。

お礼

ありがとうございます。納得いたしました。