ロータリーエンジンの仕組み｜ローター・シール・13Bと発電用8C

エンジンの中では、ピストンという部品が行ったり来たりしています。ところが、その往復運動をやめて、おにぎりのような形の部品を回してしまったのがロータリーエンジンです。お米では走りませんが、ガソリンを燃やして車を走らせます。

なぜ、あの形が回ると力が生まれるのでしょうか。今回はロータリーエンジンの仕組みから、RX-7やRX-8に搭載された13B、発電を担当する8Cとの違いまで、やさしく解説します。

ローターの周りに三つの部屋ができ、広がったり縮んだりする

ロータリーエンジンは、燃料を燃やした力を使う点では、一般的なガソリンエンジンと共通しています。ただし、筒の中を往復するピストンの代わりに、ローターという部品を使います。

ローターがケースの中を動くと、周りにできる空間が広がったり狭くなったりします。その空間へ空気と燃料を取り込み、押し縮め、燃やし、排気します。外形は違っても、燃やす前後の仕事は必要なんですね。

三つの角が外の内面に沿って動き、各面との間に三つの部屋ができます。動くと広がったり狭まったりするので、空気を入れ、押し縮め、燃やせます。

ローターの中心は、同じ場所に固定されていません。自身が回りながら、出力軸の中心の周りも回る、ずれた動きです。中の歯車と固定した歯車で、その動きを案内します。

出力を取り出す軸には、回転の中心からずれた部分があります。ローターはそこにはまり、燃焼で押される力をその部分へ伝えて軸を回します。この軸がエキセントリックシャフトです。

一つの部屋が、吸気から排気までを受け持つ

最初は三つの部屋を全部同時に追わなくて大丈夫です。ローターの一つの面と、その外側のケースに挟まれた部屋へ注目してください。その部屋が、空気を入れる→狭くなる→燃やして広がる→ガスを出す、と進むのを見てみましょう。

1. 吸気：作動室が吸気ポートとつながり、容積が増えることで空気などを取り込みます。燃料を加える場所とタイミングは、ポート噴射か直噴かなど、設計によって異なります。
2. 圧縮：吸気ポートが閉じた後、作動室の容積が小さくなり、内部の混合気を圧縮します。
3. 燃焼・膨張：スパークプラグで点火し、燃焼ガスの圧力がローターを動かします。その力がエキセントリックシャフトへ伝わり、出力になります。
4. 排気：作動室が排気ポートとつながり、燃焼後のガスを排出します。

ローターの三つの面は、それぞれ別の部屋の壁になります。ある部屋が空気を吸う間に、別の部屋では燃やす、といった具合に、時期をずらして働きます。圧縮するときに専用の入口から空気を足すわけではありません。閉じた部屋が狭くなることで、中の気体を押し縮めます。

一般的な車用ロータリーは、ピストン式の吸気と排気のバルブを使いません。ローターの位置で穴を開閉します。穴を外周へ置くか、横の面へ置くかは機種で違います。

動くシールで、ガスの漏れを抑える

部屋同士でガスが漏れると、圧力を力に使いきれません。角にアペックスシール、横にサイドシールなどを置き、動く間も漏れを抑えます。

シールは熱いガスに触れ、壁に沿って動きます。材料、表面、油、熱で形が変わることも考えます。主要な部品が少なければ、必ず壊れにくいとは限りません。

マツダの8C型の構造部品に関する技術論文も、軽くするほかに、シールとこすれる部分を長持ちさせる開発を説明しています。

小型で滑らかにしやすい一方、燃焼には工夫が要る

往復するピストンや動弁機構を持たない

ピストンと棒の往復、カムでバルブを動かす装置がありません。出すパワーに対して小さくまとめやすく、車に置く自由度を得やすいのが特徴です。

往復する部品の振動がないのも利点です。ただ、音と揺れがゼロではありません。回る重さの偏り、燃える力、吸排気、車への付け方も関わります。

長い燃焼室で、熱を逃がしすぎず燃やす工夫が要る

部屋は薄く長い形になり、熱が壁へ逃げやすくなります。安定して燃やし、燃え残りを減らし、油で守ることと排気を両立する工夫が必要です。

世代と使い方でも違います。発電用8Cは、直噴、冷やしたEGR、部屋の形の変更などを使います。全部同じ燃費ではありません。資料はマツダ技報・8C型の燃焼技術です。

車輪を回すRX系と、発電するMX-30

RX-7とRX-8は、エンジンから変速機などへ力を渡してタイヤを回します。一方、2023年登場のMX-30のロータリー付きプラグインハイブリッドは、発電機を回します。

後者はシリーズ式で、タイヤはモーターが回します。エンジンの軸が直接タイヤを回すわけではありません。マツダは、小さな発電装置にしやすい特徴を採用理由としています。資料はMX-30 e-Skyactiv R-EV発表資料です。

点検は、搭載エンジンの指定に合わせる

整備はまず、指定の油、量の測り方、交換時期、冷却、点火を確認します。昔のRXの方法を、発電用にもそのまま使えるわけではありません。

かかりにくい、回転が乱れる、油が急に減るだけで、アペックスシールの故障とは決まりません。圧縮、点火、燃料を分け、ロータリーに合う測り方を知る工場で調べます。

基本から知るならエンジンオイルの役割とスパークプラグとイグニッションコイルも参考になります。

13Bと8Cは、用途だけでなく中身も違う

マツダ技報の欧州仕様の比較では、2008年型13Bの排気量の表示は654cc×2ローター、8Cは830cc×1ローターです。これは燃やす部屋の容積に基づく表示で、金属のローターそのものの体積ではありません。13Bはタイヤを回し、MX-30の8Cは発電に使います。

EGRは、排気を入口へ戻す仕組みです。8Cは冷やして使い、燃え方と熱の損失を改善します。旧13Bの燃料、点火、整備の指定をそのまま移せません。比較は、この技報の仕様の範囲です。

よくある疑問

ローターは三角形だから、三つのピストンと同じ？

三角という見た目だけでは、三つのピストンと同じとはいえません。部屋の大きさ、回転、燃える周期を分けて見ます。

MX-30のロータリーが車輪を直接回す？

e-Skyactiv R-EVのロータリーは発電用です。タイヤを回すのは、モーターです。

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参考資料

• 8C型の構造部品に関する技術論文
• マツダ技報・8C型の燃焼技術
• MX-30 e-Skyactiv R-EV発表資料