導入
ヴァンケル エンジン( / [ vɑ̃kɛl ] / ) は 4ストロークサイクルを記述するロータリー ピストン エンジンであり、「三角形」ピストンが燃料燃焼からのエネルギーをクランク シャフトに伝達される機械的回転エネルギーに変換します。ヴァンケル エンジンは、誤って一般に「ロータリー エンジン」と呼ばれていますが、2種類のエンジンの動作は根本的に異なります。
ヴァンケルエンジンの原理は、 16世紀後半に遡るベーンポンプの原理に基づいています。しかし、このエンジンがその名前の由来となったドイツ人エンジニア、フェリックス・ヴァンケルによって現在の形で開発されたのは 1950 年代になってからでした。 NSUはライセンスを取得した最初のメーカーとなり、自社の二輪車にこのエンジンを搭載し、その後他のメーカーに販売することになる。
シリンダー内で直線運動するピストンエンジンとは異なり、ヴァンケルエンジンはコンロッドクランクシステムの原理を使用しません。往復運動が発生しないため、運動の変形、摩擦、振動、騒音が軽減されます。セット内容もパーツ点数が少なくなっております。これらの利点により、これは魅力的な技術ソリューションになります。あらゆる輸送分野 (自動車、オートバイ、航空機) に幅広い用途が見出されます。それにも関わらず、主にその原理自体に固有の高い消費量とシールの問題により、量産車両での使用は少数派のままです。 2010年、自動車分野では、マツダは依然としてこのエンジンを自社車両に組み込んでおり、アウディはジュネーブモーターショーで電熱ハイブリッドコンセプトカーのA1 e-Tronを発表した。
歴史的
ロータリーピストンマシン
ヴァンケル エンジンの原理は、ロータリー ピストン マシンの原理、特に16世紀後半にアゴスティーノ ラメリによって開発された、現在でも一般的に使用されているベーン ポンプの原理に遡ります。これはロータリー ポンプで、そのローターには放射状にスライドする複数の羽根が取り付けられており、汲み上げられた流体を確実に移送します。グラーフ・パッペンハイムガッセは 1636 年に噴水から水を集めるために歯車ポンプを発明しました。ギアポンプは現在、ほとんどの自動車エンジンのオイルポンプとして通常使用されています。
アメリカ人のクーリーは、1901 年に内部外転サイクロイドについて説明した回転ピストン機械の特許を申請しました。この蒸気エンジンの特徴は、歯付きメッシュを使用してピストンを回転させることです。 1908 年、イギリス人のアンプルビーは、クーリーが開発したシステムを採用し、内燃機関を得るために改造しました。しかしながら、Umpleby はピストンのシールと運動学に関連するすべての問題を解決できるわけではありません。
スウェーデン人のウォリンダーとスクーグは、歯付きメッシュを備えた回転ピストンの原理に基づいた内燃機関の特許を申請した最初の企業であり、その五芒星ピストンはハイポサイクロイド曲線に沿っています。このエンジンは回転比が5/6で、2ストロークまたは4ストローク燃焼に適しています。同様のエンジンは、フランス人のディミトリ・センソー・ド・ラヴォーによって1930年代に開発され、自動車メーカーのシトロエンとルノー、そして航空省の資金援助を受けて、カレント・ヴァンケル・エンジンと同様にルーローの三角形をピストンとして使用した。動力は外部ローターを介して伝達されます。しかし、このエンジンはシール、潤滑、冷却などの諸問題により十分な出力が得られず、3年で開発が中止されることになった。
フェリックス・ヴァンケルの作品
工業デザインと機械の操作に情熱を注ぐドイツ人エンジニアのフェリックス ヴァンケルは、1924 年にハイデルベルクにある自分の作業場を設立し、そこでロータリー ピストン エンジンの最初のスケッチを設計しました。特に防水問題の解決に重点を置き、第三帝国下の航空省とドイツ海軍から多額の補助金を得た。ヴァンケル氏は、「機械工としての経験、精度への関心、分割と接合の分野での数多くの研究」を活かして、高価でありながら効率的で低コストの新しい電動化を開発したいと考えているドイツの実業家に提案することができます。第二次世界大戦の結果は、すでに先進技術であったドイツの産業装置にとって悲惨なものでした。
ヴァンケルがさまざまな企業、特に NSU と最初の接触を確立したのは 1951 年のことであり、1951 年 12 月 20 日にロータリー ピストン エンジンに関する提携契約を締結しました。しかし、NSUがフェリックス・ヴァンケルのマシンを活用しているのはエンジンとしてではない。実際、NSU は、従来の熱エンジンの圧縮比を高め、出力を高めるために、一部のオートバイにコンプレッサーとしてこのエンジンを搭載しています。 NSU のオートバイが時速 192.5 kmという米国の新速度記録を樹立する予定であるため、「ヴァンケル コンプレッサー」は非常に有望です。 NSU が「ロータリー ピストン エンジンの成功」 ( 「ロータリー エンジンの成功」 ) と、ロータリー ピストン エンジンを搭載した自動車の今後の販売を正式に発表したのは 1959 年のことです。
デザイン
NSU は、フェリックス ヴァンケルおよび他の商業パートナーと協力して、1954 年から 1957 年にかけて、ヴァンケル エンジンを搭載した実験用自動車プロトタイプの設計を開始しました。 1957 年 2 月1日、DKM 54 と呼ばれるプロトタイプがエンジンベンチでテストされ、有望な性能を示しました。直径が26 cmに制限されている排気量125 cm 3のエンジンは、 17,000 rpmで29 馬力を発生します。その後、DKM 54 は 4 台だけ製造されました。
NSUによると、外部ローターを介して動力を伝達するヴァンケルエンジンのDKMバージョンは、実装が複雑なため量産をサポートできないという。 1957 年以降、NSU はアウター ローターの原理を放棄し、アウター ローターが固定され、ピストンが偏心シャフトで回転するプラネタリー システム(KKM) を採用しました。この新しいシステムの欠点は、高いエンジン速度を達成できなくなったことです。
1960 年、NSU は実験用プロトタイプ KKM 250 を製造し、路上テスト用に改造されたプリンツに搭載しました。排気量250 cm 3のプロトタイプは5,000 rpmで30 hpの出力を発生しますが、以前のプロトタイプよりもはるかに性能が低くなります。 1963 年になっても、NSU は500 cm 3 KKM 500 を搭載したモデルを販売することを決定しました。したがって、NSU スパイダーは、ヴァンケル エンジンを搭載して販売された最初の自動車になります。エンジンが後部オーバーハングに配置され、ソレックスキャブレターによって駆動されるスパイダーは、 6,000 rpmで50 馬力を発生し、時速 150 kmに達します。
発達
残念ながら、ヴァンケル エンジンの原理そのものによるスパイダーの過剰な消費と限られた信頼性が災いして、2,375 台が販売された後、1967 年 7 月に生産が中止されました。生産量は予想を大幅に下回ったにもかかわらず、東洋工業グループ（現マツダ）の松田常治社長は早くからこの新しいエンジンに興味を持ち、個人的にNSUとの交渉を開始した。彼らは1961年7月に日本政府の承認を得て協力契約を結んだ。
マツダは、NSU と同様に、燃焼室内でエッジセグメントの摩擦振動現象が発生し、 「ビビリマーク」または特徴的なノッキングマークを生成するため、すぐに信頼性の問題に直面しました。この場合、エッジセグメントはすぐに摩耗し、密閉性が保証されなくなります。エンジンの寿命が大幅に短くなります。
シールの効果を向上させ、エンジンの振動を低減することを目的として、多くの研究が行われています。最初の研究は、ケーシングとセグメントに使用される材料の最適化に関するものです。実際、セグメントに使用されているカーボンと鋳鋼は互換性がないことが証明されており、クランクケースにクロムメッキが施されている場合はさらに互換性がありません。すべての材料の交換を避けるために、ドイツのメーカーであるダイムラーとメルセデス・ベンツは、炭化シリカ粒子とニッケルを組み合わせた「ニカシル」と呼ばれる処理を開発し、提供しています。この処理には、オイルの定着が良くなり、潤滑性が向上するという利点があります。ただし、セグメントの摩耗の問題を解決するには十分ではありません。マツダはチャネルが交差する中空セグメントの製造に解決策を見つけましたが、製造コストが高すぎるため、メーカーはアルミニウムを含浸させた自己潤滑性のカーボンセグメントに戻りました。
量産
1960 年代にマツダは、単一ローターではなく、2 つ、3 つ、さらには 4 つのローターを備えたエンジンを開発しました。複数のローターを組み合わせることで、「失火」の連続や正常な燃焼によるトルク変動を低減します。 2 x 399 cm 3の排気量を備えた最初のツインローター エンジンは、マツダ タイプ L8A スポーツ プロトタイプに搭載されています。 1967年に発売されたマツダ コスモスポーツ110Sは、ヴァンケルエンジンを搭載した世界初の量産車となりました。 2 x 491 cm 3ツインローターを装備したコスモスポーツは、 110 馬力を発生します。 1972 年に 1,519 部が販売され、生産は終了しました。
ロータリーピストンエンジンを搭載する自動車モデルはほとんどないが、シトロエンとNSUは共同子会社であるコモーター（欧州自動車エンジン製造会社）の一部として共同でヴァンケル・ビロートル・エンジンを製造するザールラント州の工場を建設している。フランスでは、ツインローター・ヴァンケル・エンジンを搭載した車を販売しているのはシトロエンだけです。 1972 年から生産されたシトロエン GS ビロトールは、M35 と呼ばれる実験用プロトタイプの形で初めて発表されましたが、期待された成功を収めることはできませんでした。エンジン/シャーシの観点からは革新的でしたが、その過剰な消費と信頼性は潜在的な購入者を当惑させました。1970 年代の石油危機によりガソリン価格が上昇しました。
しかし、ブランドの最新モデルである豪華な NSU Ro80 は、37,389 台が販売されるため、シトロエンよりもはるかに成功するでしょう。 「技術的にも美的観点からも野心的であり、革新への大胆な取り組みを体現しています。」 「Ro80」という名前は、80 年代の技術を代表する技術を指していることからも、その野心は明らかです。それは、ヴァンケル エンジンを自動車用エンジンとして押しつけ、「代替」エンジンに取って代わることを望んでいるからです。
興味の低下
ヴァンケルエンジンは、1973年に第一次石油危機が世界を襲って以来、悪い時期に市場に投入されたが、コンセプトは魅力的ではあったものの、従来型エンジンに比べて経験不足を補うことができなかった。静かで振動はありませんが、過度の消費が依然として開発の障害となっています。排気で散逸したエネルギーの一部を回収するには、ターボチャージャーを追加する必要がありました。シトロエンの設計事務所は 1980 年代初頭までロータリー ピストン エンジンの研究を続けましたが、プジョーによるシトロエンの買収後、この非常に費用のかかる研究は決定的に放棄されました。
シトロエンと同時にロータリーピストンエンジンを搭載した自動車の生産を開始したマツダは、2009年にヴァンケルエンジンを搭載した自動車モデルを提供した唯一のメーカーとなり、現在最も有名なものの1つはマツダです。 RX-8。後者のメーカーは、 700 馬力の自然吸気ヴァンケル クアッドコプターを搭載したプロトタイプのマツダ 787B で、1991 年のル・マン 24 時間レースで優勝することさえできました。それにもかかわらず、この勝利は他の自動車メーカーからの圧力を受けて、この分野のスポーツ連盟によってこのタイプのエンジンの禁止につながったため、一時的なものでした。