パワーバンド

内燃機関や電気モーターのパワーバンドとは、エンジンやモーターが最大のパワー、つまり単位時間あたりの最大エネルギーを出力できる動作速度の範囲です。これは通常、このバンド内で最大加速が達成できることを意味します（多くの場合、効率は低下します）。エンジンやモーターの動作速度の範囲は広いですが、パワーバンドは通常、エンジン速度のはるかに狭い範囲であり、エンジン速度範囲全体の半分以下です^[1]（電気モーターは例外です。以下の電気モーターのセクションを参照してください）。

具体的には、パワー バンドとは、ピーク出力付近のRPMの範囲です。内燃ガソリン自動車エンジンのパワー バンドは、通常、最大トルクが生成される中間エンジン速度 (約 4,000 RPM) から始まり、最大出力 (5,000 RPM 以上 7,000 RPM 未満) に達した後、レッドライン以下で終了します。自動車や小型トラックのディーゼル エンジンは、2,000 RPM 未満で最大トルクを発生し、出力ピークは 5,000 RPM 未満になることがあります。

さまざまなギア比を選択できる機械式トランスミッションは、車両の全速度域で十分なパワーが得られるように設計されています。ギア比を選択する目的は、エンジンをパワー バンド内で動作させることです。バンドが狭いほど、ギア比が近いギアが必要になります。ギアを慎重に選択することで、エンジンを全車両速度域でパワー バンド内で動作させることができます。このように使用することで、エンジンが低速で動作しなくなったり、推奨動作速度を超えたりすることがなくなります。

パワーバンドが狭い場合は、クラッチやトルクコンバータなどの動力分割装置を使用して、広範囲の速度を効率的に達成することがよくあります。無段変速機は、エンジンを最適な速度で稼働させることで、パワーバンドが狭いことによる問題を回避することもできます。

車両に搭載されている一般的な燃焼エンジンでは、トルクはアイドリング時の速度では低く、1,500～6,500 RPM で最大値に達し、その後レッドラインに向かって急激に低下します。最大トルクの RPM 未満では、吸入空気速度、したがって空気と燃料の混合は理想的ではありません。この速度を超えると、摩擦の増加、バルブの閉鎖と燃焼に必要な時間、不十分な吸入流量など、いくつかの要因によってトルクが制限され始めます。振動と熱が増加するため、外部 RPM 制限が取り付けられる場合もあります。出力は、トルクと回転速度の積 (線形システムでの力と速度の積に類似) であるため、ピーク出力は、高トルクと高 RPM の両方がある高速度範囲で生成されます。

豊富なトルクを発生する可能性のあるターボチャージャー付きエンジンやスーパーチャージャー付きエンジンでは、吸気圧力調整システムによって、エンジン速度範囲全体にわたってトルクをほぼ一定の数値に制限し、エンジンにかかるストレスを軽減して、ピークパワーを低下させることなく一貫したハンドリングを実現することがよくあります。

モーターサイクルや、 F1カーなどの一部のレーシングカーでは、パワーバンドが14,000 RPMを超えることがあります。このような高速は、軽量ピストンとショートストロークのコネクティングロッドを使用して慣性を減らし、部品にかかるストレスを減らすことで実現されます。バルブ技術の進歩により、同様にこのような速度でのバルブフロートが減少します。エンジンが大きくなると（特にストロークが長くなると）、パワーバンドは低速に移動します。

より一般的な用途では、良質の燃料を使用する、最新の、適切に設計されエンジニアリングされた燃料噴射式、コンピュータ制御、マルチバルブ、オプションで可変バルブタイミングを備えたガソリンエンジンは、自動車用途で驚くべき柔軟性を実現できます。低エンジン回転数でも十分なトルクが得られ、1,500～6,500 RPM で比較的フラットな出力が得られるため、楽な巡航と低速での挙動が許容されます。ただし、強力な加速や高速走行で最大出力を得るには、依然として高い RPM が必要です。文字通りのパワーバンドは、特に 1 速では動作 RPM 範囲のほとんどをカバーしますが (シフトダウンできる低いギアがなく、エンジンがパワーを生成しない「フラットスポット」がないため)、有効なバンドはギアごとに変化し、上限ではリミッターによって、またはピークパワーとパワーが低下するレッドラインの間にあるポイントによって制限される範囲になり、下限ではエンジンのアイドリング速度になります。

一般的な公道走行用 (「高速」) ディーゼルは、より狭い帯域を持ち、低い RPM (多くの場合 1,500～2,000 RPM) で最大トルクを生成しますが、これより低い RPM では急激に低下し、約 3500～4500 RPM で最大出力に達し、この速度を超えると再び急速に力を失います。ターボ ラグ(ほとんどのターボ チャージャー エンジンに固有の狭く誇張された出力帯域) を備えたターボチャージャー付きディーゼル エンジンでは、この特性がさらに顕著に現れる場合があります。したがって、メーカー (または購入者/改造者) によるギアリングの選択と、利用可能な比率の適切な使用は、利用可能な出力を最大限に活用し、平坦な場所で「動けなくなる」ことを避けるために、さらに重要です。

機関車や一部の船舶の大型ディーゼル エンジンでは、ディーゼル電気駆動が使用されています。これにより、以下に説明するように、極端に低いギアリングの複雑さが解消されます。

最も大きい（「低速」）ディーゼルエンジン（陸上の大型発電機や海上の船舶用ディーゼルエンジン）は、回転数が数百 RPM 以下で、アイドリング速度が 20 ～ 30 RPM になることもあります。これらのエンジンは通常、2 ストローク ディーゼル エンジンです。

電気モーターは、特にパワーバンドに関しては、多くの点で独特です。正確な特性は、電気モーターの種類によって大きく異なります。ユニバーサルモーター（掃除機、小型機械、ドリル、スターターモーター）の最大トルクは、回転速度がゼロ（停止時）のときに発生し、回転速度が高くなると低下します。固定周波数の AC 電源に接続された誘導モーター（大規模なアプリケーションで最も一般的）の場合、最大トルクは通常、同期 RPM のすぐ下で、この RPM ではゼロまで低下し、それを超えると負になります（誘導発電機）。低 RPM では、トルクは通常わずかに低くなります。同期モーターは、 AC ソースの同期速度でのみ使用できます。最新のアプリケーションでは、ブラシレス DC 電気モーターなど、周波数を電子的に制御する同期モーターと誘導モーターが使用されています。この場合、外部制限が適用されない限り、低 RPM で最大トルクが達成されます。

たとえば、テスラ ロードスター (2008)に搭載されている AC モーターは、0 から約 6000 RPM までほぼ一定の最大トルクを発生しますが、最大出力は、トルクが低下し始めてからかなり後の約 10000 RPM で発生します。ロードスターのレッドラインは 14000 RPM です。他の電気モーターは、信頼性を向上させるために最大動作速度が制限されているものの、実際には動作範囲全体にわたって最大トルクを発生する場合があります。

比較すると、ガスタービンは非常に高い RPM で動作し、パワーバンドが狭く、スロットル性能とスロットル応答性が低下します。

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