ロータリーエンジン
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ロータリーエンジン（英語ではWankel engine）は、ピストンの代わりにローター（回転子）を用いたオットーサイクルエンジンである。ドイツの技術者フェリクス・ヴァンケルが発明した。熱機関としての動作は、ピストンの部分がローターに置き換わった事を除けば、通常のピストンエンジン（レシプロエンジン）と同等である。なお、英語でrotary engineというときは、エンジン本体がプロペラとともに回転する構造の航空機用レシプロエンジンを指すことが多い。
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[編集] 形状、動作
[編集] 概要
そのシリンダ（ローターハウジング）の側面は2ノードのペリトロコイド曲線というまゆ型である。ピストン相当のものはローターと呼ばれ、シリンダに内接する3葉の内包絡線という三角おむすび型（ルーローの三角形）をしている。ローターは芯のずれた軸（エキセントリックシャフト、右図中心の白い部分で軸は回転中のB）に取り付けられ自由に回転するようになっている。その回転を制御するため軸の回りでサイドハウジングに固定され回らない歯車（茶色）の回りをローターの内歯がかみ合うようになっている。出力は偏芯した軸がクランクとして動作することで取り出される。ローターの1回転で4サイクルの工程が3組進行し、軸は3回転する。
なお、エンジン内のローターは、その形状からおにぎりの愛称で呼ばれる事もある。
ちなみに、ロータリーエンジンはエンジンのシステム上では2サイクルエンジンに近い仕様で、エンジン特性も4サイクルエンジンよりも2サイクルエンジンに近いものとなっている（詳細は下記の項目を参照）。
[編集] ポート（吸・排気口）形状
一般的なものから挙げる。
- サイドポート
- サイドハウジング（右上図断面部）に設置される。最も一般的でRX-8に搭載されるRENESISでは、吸排気ポート両方に採用されるが燃焼ガスの流動方向（＝ローターがガスを押し出す方向）と排気口の方向が異なるため熱だまりによるカーボン（すす）が発生しやすい。
- ペリフェラルポート
- ローターハウジングに設置される（右上図の通り）。吸排気効率に優れるが、ローターの頂点がポートを通過したときにとなり合う燃焼室とつながってしまう（オーバーラップ）性質があり、結果として排ガスや燃費の悪化を招く。吸気ポートでは主にレーシングエンジンに採用され、RX-8までは排気ポートのみに採用された。
- ブリッジポート
- サイドポートをローターハウジングの方向に拡大する。アペックスシールが抜けるのを防ぐためにローターの頂点が通る端の部分のみ残り、それが橋のように見えるのでこう呼ばれる。オーバーラップが発生する。
- クロスポート・コンビネーションポート
- サイドポートかブリッジポートとペリフェラルポートを組み合わせる。給排気効率が非常によいが、低速トルクの悪化、オーバーラップによる著しい燃費の悪化を招く。787Bですら採用していない。
オーバーラップによって、バイクの単気筒や、ボクサーエンジンのような「ベッベッベッベッ」という独特の排気音がする。オーバーラップによるものなのでこの排気音と排ガス・燃費は反比例する。
[編集] 構造上の利点と欠点
極めてシンプルな構造のため、理論上は各部分の抵抗が少なく済み、レシプロエンジンに比べると以下のような特徴がある。
- 動弁系が不要
- 同出力のレシプロエンジンと比較すると、軽量かつコンパクト
- 同排気量のレシプロエンジンと比較すると、ハイパワー
- 低振動、低騒音（機械騒音）
- 排気ガスの成分として、窒素酸化物(NOx)が少なく、未燃焼燃料の炭化水素(HC)が多い
- アンチノック性能が高い（水素燃料にも優位）
- 低オクタン燃料に強い（オイルショック時には、ガソリン:灯油=1:1で走った人もいた）
特に4は往復運動を回転運動に変換するのではなく、もともとが回転運動である本エンジンの構造に由来するものであり、当初は性能でもレシプロエンジンを大きく引き離して未来のエンジンと持て囃された。所謂、『モーターのようなフィールのエンジン』で、現在もRE（ロータリーエンジンの略）の魅力のひとつである。
昭和48年（1973年）の排気ガス規制導入当初は、窒素酸化物を減らすための手段が見付かっていなかったため、マツダ以外の自動車メーカーも一斉にロータリーエンジンの実用化にむけて研究を行った。しかしながら、先に窒素酸化物の低減に有効な三元触媒が開発・実用化されたため、この優位性は消えてしまった。もっとも、マツダのREは当時サーマルリアクターで排気ガスを浄化しており燃費がさらに悪化するという事態に陥っていたため、マツダREにとっても三元触媒は燃費向上に大いに有利に働いた。
ところが、このエンジンの開発期における最大の問題点でありかつ解決されたかに思われた部分が、後に短所として再び浮き彫りになる。
- バルブ制御で、吸排気を行うレシプロエンジンに比べ、吸排気を、ローターによるポート開閉と負圧に頼ったロータリーエンジンは、低速回転時では吸気の慣性に乏しく、吸排気効率があがらず、結果として燃費悪化、トルク不足をおこす。
- ローターとハウジングによって形成される燃焼室は、いびつな形のうえ、広範囲を移動するため、ハウジング壁面を通して冷却水に熱を奪われやすく、熱効率面で不利。
上記の理由から、効率面（特に低速回転時）でレシプロエンジン勢に水をあけられる結果となった。低速域でのトルク不足をターボチャージャー（シーケンシャルツインターボ）で補う事も行われたが、出力向上は果たせたが、実用燃費は向上しなかった。
また燃費以外に、耐久性・メンテナンス等の面でもレシプロエンジンに比べて不利である。
- ローターのサイドとインターミディエイトプレートの接触面の潤滑のため、エンジンオイルをハウジング内へ注入している。ローターのサイドシールはレシプロエンジンのピストンリングに比べ、オイルを掻き落とす量が少なく、その為、エンジンオイルは一定の割合で確実に減っていく。
- レシプロエンジンの寿命は、オイル管理などの日常のメンテナンスさえしっかりすれば15万km以上耐えられるものが多いのに対し、ロータリーエンジンの場合は、オイル管理に対する許容性が低く、マーケットでの平均寿命はレシプロエンジンに劣る（REに対する理解不足、スポーツカーというハードな扱い方をされる事も原因）。
写真は12万キロ走行後のもの
ロータリーエンジンは構造が簡単であるがゆえに改良すべき部分が少なく（また開発はマツダ1社に近い状態で開発資金も乏しく改良もかなりスロー）、さらに、長期間の信頼性・耐久性においても、枯れた技術であるレシプロエンジンに及ばなかった。（なお、ロータリーエンジンは構造がシンプルであり、十分な知識、部品およびツールさえあれば、エンジンの分解・組み立ては個人レベルでも可能である。）
オイルショックによる石油価格高騰の影響で、NSUと提携した各社はロータリーエンジンの将来性を見限って開発から撤退、NSUを合併したフォルクスワーゲンもロータリーエンジン車生産を中止した。マツダは唯一市場に踏み止まったものの、同社でも現在では一部のスポーツカー専用のエンジンとなっている（燃費などの経済性よりも、走行性能を重視したスポーツカーが多い）。マツダの最新作RX-8のロータリエンジンでは、排気ポートをペリフェラルポートからサイドポートに変更して、従来からの燃費悪化要因のひとつであった排気と吸気のオーバーラップをなくして燃費向上をはかっている。しかしながらレシプロエンジン側でも燃費は向上しているので、依然として燃費はロータリエンジンの最大の弱点であることは変わっていない。
1990年代以降には水素ロータリーエンジンがマツダによって研究開発されている。水素燃料は再生可能エネルギーの一種であり、また燃料電池用の燃料としてのインフラ整備が課題にあがっている。その水素燃料を容易に転用できる内燃機関のひとつとして、ロータリーエンジンは有望である。これは吸気室と燃焼室が分離しているため吸入工程で異常着火（バックファイアー）が発生しないという構造上の特徴があるためで、現時点では燃料電池車などと比べてはるかに現実的な解法であるといえる。水素は燃焼速度が速く燃焼室形状が問題になりにくいという相性の良さも有る。また、水素以外でもガス燃料であればロータリーエンジンの方が有利であるとされる。
なぜ、マツダだけがロータリーエンジンを製造し続けることができたのか、それはマツダのロータリーが一番燃費が良かったからに他ならない。それはサイドポート吸気をいち早く採用した事が大きな要因である。つまりRE開発とは『特許戦争』に他ならない。
[編集] マツダによるロータリーエンジンの実用化
昭和34年（1959年）、西ドイツ（当時）のNSUがフェリクス・ヴァンケルと共にロータリーエンジンを試験開発したと発表した。国内では、昭和40年（1965年）の乗用車輸入自由化に向け、通産省主導による自動車業界再編が噂されていた。後発メーカーである東洋工業はその波に飲み込まれ、統合・合併の危機が迫っていた。「技術は永遠に革新である」をモットーとする当時の松田恒次社長は事態打開を目指し、昭和35年（1960年）にNSUと技術提携の仮調印を行った。契約に際してNSUから提示された条件は以下のようなものだった。
- 10年で契約金は2億8000万円（当時の従業員8000人分の給与に相当）
- 東洋工業が取得した特許は無条件でNSUに提供
- ロータリーエンジン搭載車販売については、1台ごとにNSUへのロイヤリティーが発生
あまりにも一方的な内容であった。 しかもNSUから送られてきた試作エンジンは、とんでもない欠陥を残したままの未完成品ともいうべきものだった。アイドリング時の激しい振動、おびただしい白煙、オイルの過大な消費、さらにチャターマーク（ローターハウジング内壁に波状磨耗を起こす致命的なトラブル）によって40時間でエンジンが停止。ロータリーエンジンは試験開発には成功したものの、とても実用化できるレベルのものではなかったのである。
こうして東洋工業は次世代エンジンとされたロータリーエンジンの開発・実用化という社運を賭けた挑戦を行うこととなった。山本健一を筆頭とするロータリーエンジン研究部（平均年齢25歳。のちにロータリー47士と称される。）がその任にあたった。
しかし開発は困難を極めた。業界内ではロータリーエンジンに対する様々な批判・悪評が飛び交い、それは社内にすら広がった。それでも途方もない時間と労力、資金を費やして開発は続けられた。アペックス・シールへのクロス・ホロー加工、ゴムのオイルシール、アルミニウムカーバイド（カーボンとアルミの化合物）を材料とするアペックス・シール、ローターハウジング内面への硬質クロームメッキなどの新技術によって、連続稼動時間は200時間、400時間と増していった。
昭和38年（1963年）には第10回全日本自動車ショーに400×1ローター・400×2ローターの試作エンジンを展示。翌昭和39年（1964年）にはコスモスポーツのプロトタイプを展示した。この時、当時の松田社長が自らコスモスポーツのハンドルを握って広島から到着、帰路には各販売会社、メインバンクの住友銀行、池田勇人首相などを訪問したというエピソードも残っている。
昭和40年（1965年）、昭和41年（1966年）と続けて展示され、その間、試作車による10万kmに及ぶ連続耐久テストを含む、総距離300万kmにも達する走行テストが行われた。テストは各地のディーラーに委託されたコスモスポーツ60台により、1年の期間を費やして実施された。
昭和42年（1967年）5月30日、コスモスポーツは満を持してついに発売となった。昭和36年（1961年）1月のロータリーエンジン試作1号機から、6年の歳月が流れていた。
1985年までに、ロータリーエンジンの研究に携わっていた各メーカーが開発した特許件数は
- NSU 291件
- ダイムラーベンツ（ダイムラー・クライスラー） 299件
- フォード 22件
これに対してマツダの開発した特許は1302件にのぼる。
（この間の詳細な経緯についてはNHKプロジェクトXを参照されたい）
[編集] 自動車用
自動車用としてはNSUバンケルタイプが唯一実用化されている。 その後NSUに続いて東洋工業（現・マツダ）が量産化に成功し、コスモスポーツに搭載した。他にもシトロエンなどが生産モデルに搭載しているが、1970年代以降も量産を続けたのはマツダのみである。
日産自動車も1970年代前半に開発途中であったが、東京モーターショーにロータリーエンジンを搭載したサニーを参考出品し、2代目シルビアはロータリーエンジンを搭載する事を前提に市販間近といわれていた。しかし、1973年に起きた第一次オイルショックに見舞われ、省エネルギー志向の社会情勢には燃費性能が良くないロータリーエンジンは相応しくないとの理由で、結局は市販には至らなかった。
トヨタでは、純粋な技術研究としてロータリーエンジンを研究してはいるが、市販の計画は全く無い。
ダイムラー・ベンツ（現 ダイムラー・クライスラー）も1960年代からロータリーエンジンの研究を開始、ミッドシップに4ローターロータリーエンジンを搭載したC111をジュネーブ・モーターショーで発表したが耐久性の面で問題が生じ、ついに市販されることはなかった。
シボレーも1973年にミッドシップに2ローター/4ローターを搭載するコルベットを発表したが、オイルショック直後だったため、市販されることはなかった。また、GMからロータリーエンジンの供給を受け、同社初のFFとなる予定であったAMCのペーサー ( ) は、旧来のレシプロエンジンを使ったFRレイアウトへの変更を余儀なくされた。
農業用トラクターなどで知られるジョンディアー ( ) は、米軍部のマルチフューエルエンジン化構想に応えたロータリーエンジンを完成させ、海兵隊車両に採用された。
日本における自動車税課税時の排気量区分は「単室容積×ローター数×1.5」として換算される。カーレースにおいては、レースの種類によって排気量の換算方法が異なる（F1などのように、使用を認められない場合もある）。
[編集] マツダ
マツダがフォードの傘下に入り、2002年に当時唯一のロータリーエンジン搭載市販車RX-7の排出ガス規制不適合により生産停止が決定され、これでロータリーエンジンの歴史が途切れてしまうという懸念が愛好家や関係者に広がったが、マツダはロータリーエンジン搭載車の製作存続をフォードに強く主張し、それが認められRX-8を発表した。
[編集] 今後
2007年3月22日、マツダウェブサイト内のニュースリリースにおいて、「サスティナブル”Zoom-Zoom”宣言」を発表し、2010年代初頭に性能を大幅に改善させた新型ロータリーエンジンを市場導入する計画があることを明らかにした。[1]
ロータリーエンジン搭載のスポーツカーは一部の人々には、根強い支持があり、年に一度LA郊外のMazda R&Dで開催されるセブンスストックと呼ばれるロータリカーユーザーのイベントには、全米から、数千人規模のユーザーが集まる。
[編集] 自動車以外の用途
[編集] オートバイ
1975年 ヤマハ発動機がヤンマーと共同開発によるロータリーエンジン搭載のRZ201を試作するも量産に至らず。
1975年-76年 スズキが単独でハウジングのメッキ技術を含む開発を行い、ロータリーエンジン搭載のRE-5を販売（輸出専用車）。レシプロエンジンに比べ、排気管周りの発熱は数段大きかった。オイルショックと重なり、少数の生産のみにとどまったが、約6000台を生産した。米国からのバックオーダーは2万台であったという。型式はRE5Mが初期型で最終型はRE5A。M型はジウジアーロのデザインでつとに有名。当時、次期RE5の計画試作が始まっており、そのほか、汎用小型ロータリーエンジンもすでに試作を終えていた。
イギリスのノートンは1970年代にロータリーエンジンの開発に乗り出し、1981年の警察用インターポール2（インターポールの名を持つが、用途はいわゆる白バイである）を手始めに、一般向けのクラシック、コマンダー、F1、F1スポーツ、競技用のRC588、RCW588、NRS588などの水冷2ローターエンジン搭載のオートバイを1992年まで生産していた。
オランダのバンビーンも水冷2ローターのOCR1000を少数ながら生産していた。
[編集] 汎用動力
[編集] チェーンソー
チェーンソー用としては、ヤンマーが1970年代に開発した経緯がある。
当時の林業労働者に、チェーンソーによる振動により極度の血行不良が発生するなどの労働災害が頻発したため、振動の少ないチェーンソー用のエンジンの開発が急務とされていた。行き着いた先がロータリーエンジンである。
開発は進み搭載するメドは立ったが、持ち運びが不便なほど大型であったこと、トルクが薄かったことから次第に敬遠され、普及するに至らなかった。
[編集] スノーモビル
[編集] カート
[編集] ATV
[編集] 水上オートバイ
[編集] 航空機
Alexander Schleicherは自力発行可能な動力格納式モーターグライダーに、2サイクルエンジンではなくロータリーエンジンを搭載している。これはノートンによってオートバイ用に開発されたロータリーエンジンを発展させたものである。
シコルスキーでは、無人実験機・サイファーの動力にバンケルロータリーエンジンを用いている。
また、補助動力装置 ( APU ) に採用例があるが、これは、オクタン価の低い燃料でも稼動する特性を生かした好例である。
[編集] 模型飛行機
ヘリコプターをはじめとした模型飛行機用の超小型ロータリーエンジンが市販されている。 現在入手可能なものでは、日東工作所から工程体積11.97ccのモデル『NR-12H』、『NR-12P』、OSエンジンブランドで有名な小川精機株式会社が、工程体積4.97ccのモデル『49－PI TypeⅡ』を製造販売中である。Max18000回転/毎分 1.1馬力。初期はサイドポート吸気であったが現在はペリフェラルポート吸気に変更されている。ディープなマニアの間ではRCカーに搭載することが密かなブームとなっている。
[編集] コジェネレーションシステム
分散型の熱電供給システムであるコジェネレーションシステムの動力源として、コンパクトで低振動という特徴からロータリーエンジンが注目されている。
2002年に広島ガス、2003年に中国電力がマツダの自動車用ロータリーエンジンを組み込んだシステムを試作、LPGガスを燃料として実証試験を行っている。
元マツダの技術者である室木巧は、層状給気燃焼方式（DISC-RE）を採用したロータリーエンジンでコージェネレーションシステムの研究をしているが、自著では自動車に使うには研究が足りないと書いている。
[編集] 超小型発電機
カリフォルニア大学バークレー校のマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）のロータリーエンジン研究室は ローター径1mm以下、容積0.1cc未満のバンケルロータリー型発電機を開発している。ローターに組み込まれた磁石で発電するが、現在は外部からの圧縮空気で動いている段階。目標は毎時100ミリワットを供給する内燃機関の開発という。
[編集] 空気圧縮機
外部からの動力で働くバンケルロータリー構造の圧縮機である。レシプロ式に比べ振動、騒音が低いことが特徴。
[編集] 加給器
バンケルロータリー構造を内燃機関用スーパーチャージャーに応用したもの。実験は行われたが、十分な加給効果を得るためには、ロータリーエンジンの2倍ほどの大きさのハウジングが必要となるため、実用化はされていない。
[編集] ロータリーエンジン搭載車
- メルセデスベンツ
- メルセデスC111（4ローターをミッドシップ搭載のプロトタイプ）マークI～Vまであるが、途中でディーゼルエンジンに載せかえられる。
このクルマは、セミオートマチック・トランスミッション、インボード・ディスクブレーキなど先進的な技術を搭載したFF4ドアセダンである。モダンなスタイルと先進的な安全思想・ボディ構造など評価が高かったが、開発途上のロータリーエンジンが”仇”となってしまった悲運のクルマである。
- シトロエン
- ハーキュレス
- W2000（世界初のRE搭載バイク）
- スズキ
- RE-5（輸出専用車種、日本初のRE搭載市販バイク）
- バンビーン OCR1000（米国のロックバンドブロンディのアルバムジャケットにもなった、伝説のロータリーエンジン搭載車）
- ノートン
- コマンダー（一時期、英国の警察車両としても採用された。パレードやVIP車両護衛など低速走行時の低振動性を認められたと言う。）
- F1
[編集] 関連項目
[編集] 外部リンク
- 3次元ロータリーエンジン（Windows用のシミュレーションソフトウェア）
- WANKEL ROTARY COMBUSTION ENGINE MOTORCYCLES（ロータリーエンジン搭載のバイク研究サイト）
- 小川精機株式会社（ラジコン用ロータリーエンジン製造販売）
