ロータリーエンジン

ロータリーエンジンは基本的にオットーサイクルエンジンであり、従来の星型エンジンと同様に、中央のクランクシャフトの周りにシリンダーが放射状に配置されていますが、固定されたクランクケースと回転するクランクシャフトを持つシリンダーではなく、クランクケースとシリンダーが一体となってクランクシャフトに対して回転します。最も一般的な形式では、クランクシャフトは機体にしっかりと固定され、プロペラはクランクケースの前部にボルトで固定されていました。

この違いは、設計（潤滑、点火、燃料供給、冷却など）および運転（下記参照）にも大きな影響を与える。

パリの航空宇宙博物館には、放射状に配置された7つのシリンダーを持つエンジンの特別な「断面」動作モデルが展示されている。回転モードと放射モードを交互に切り替えることで、2種類のエンジンの内部運動の違いを実証している。^{[ 2 ]}

固定式星型エンジンと同様に、ロータリーエンジンも一般的に奇数個のシリンダー（通常は5、7、または9個）で構成されており、ピストンが交互に点火する一貫した点火順序を維持することで、スムーズな運転を実現していた。偶数個のシリンダーを持つロータリーエンジンは、ほとんどが「2列」型であった。

ほとんどのロータリーエンジンは、単一のクランクシャフトから外側に向かってシリンダーが配置されており、ラジアルエンジンとほぼ同じ形式でしたが、ロータリーボクサーエンジン^{[ 3 ]}や、単気筒ロータリーエンジンもありました。

当時、ロータリーエンジンの成功に貢献した主な要因は3つあります。^{[ 4 ]}

• スムーズな動作: ロータリーエンジンは、(エンジンの取り付け位置に対して)往復運動する部品がなく、クランクケース/シリンダー(ユニットとして)の比較的大きな回転質量がフライホイールとして機能したため、非常にスムーズに動力を伝達しました。
• 冷却性能の向上：エンジンが作動しているとき、回転するクランクケース／シリンダーアセンブリは、航空機が停止しているときでも、独自の高速冷却気流を生み出した。
• 重量面での利点：ロータリーエンジンは、他のラジアルエンジンと同様に、小型で平らなクランクケースという利点を共有していた。エンジンが回転することで優れた空冷効果が得られるため、シリンダー壁を薄くし、冷却フィンを浅くすることも可能だった。さらに、回転するエンジンアセンブリのフライホイール効果により、出力重量比が向上した。

定置式エンジンの信頼性が向上し、比重量と燃費が改善されるにつれて、回転式航空エンジンは徐々に取って代わられていった。

• 回転式航空エンジンは一般的に全損式給油システムを採用していた。エンジン全体に潤滑油を供給するため、潤滑油は中空のクランクシャフトを通してクランクケースに供給されたが、回転するクランクケースの遠心力によって、潤滑油の回収と再循環が困難であった。一般的に用いられるシステムでは、多くの2ストロークエンジンと同様に、潤滑油は燃料と空気の混合気とともにクランクケースに流入した。
• 一般的に、出力の増加は質量とサイズの増加を伴い、^{[ 5 ]}エンジンの回転質量のジャイロ効果を増大させます。そのため、これらのエンジンを搭載した航空機は、特に経験の浅いパイロットにとって、通常とは異なる操縦特性を持つ可能性があります。
• 回転するエンジンの空気抵抗を克服するために、ますます多くの電力が消費された。
• ロータリーエンジンの中には、エンジン制御が制限されていたり、操作が難しかったりするものがあり（下記参照）、燃料の無駄遣いにつながる可能性があった。

第一次世界大戦 末期のベントレーBR2は、最大かつ最も強力なロータリーエンジンであり、このタイプのエンジンはこれ以上開発できない段階に達しました^{[ 6 ]}。また、RAFに採用された最後のロータリーエンジンでもありました。

ロータリーエンジンにはスロットルがなく、そのため出力は「ブリップ」スイッチを使用して点火を断続的にカットすることによってのみ低減できるとよく言われる。これは特に「モノスーパップ」 （シングルバルブ）タイプの特徴であり、このタイプは排気バルブを通してシリンダー内に空気の大部分を取り込んでおり、排気バルブはピストンの下降行程の一部で開いたままになっている。^{[ 7 ]}そのため、シリンダー内の燃料と空気の混合比はクランクケースの吸気口を絞ることで制御できなかった。モノスーパップの燃料制御は速度調整の範囲が限られており、開くと混合比が濃くなりすぎ、閉じると薄くなりすぎた。どちらの極端な場合も、エンジンがすぐに停止したり損傷したりする可能性がある。初期のモデルでは、より優れた制御を実現するために可変バルブタイミングの一種が採用されたが、これによりバルブが焼損したため、廃止された。^{[ 8 ]}

モノスーパップエンジンを低回転でスムーズに運転する唯一の方法は、通常の点火順序を変更するスイッチを使用することでした。これにより、各シリンダーはエンジンの2～3回転ごとに1回だけ点火し、エンジンはほぼバランスを保ったままになります。^{[ 9 ]}しかし、燃料とオイルはシリンダーに入り続け、未燃焼のまま排出されます。スイッチを長時間使用すると、大量の未燃焼燃料とオイルが排気口と下部カウリングに溜まり、火災の危険性が生じる可能性があります。

ほとんどのロータリーエンジンは従来型の吸気バルブを備えており、従来の4ストロークエンジンと同様に、燃料と潤滑油は既に空気と混合された状態でシリンダー内に取り込まれた。回転するクランクケースのため、スロットル開度範囲全体にわたって一定の燃料空気比を維持できる従来型のキャブレターは使用できなかったが、独立したフラップバルブまたは「ブロックチューブ」によって空気供給量を調整することは可能だった。パイロットはスロットルを希望の位置に設定し、手動チョークコントロールのように、空気供給バルブを制御する独立した「微調整」レバーを使用して燃料空気混合比を調整する必要があった。ロータリーエンジンは回転慣性が大きいため、エンジンの種類によって異なり、かなりの練習が必要であったものの、試行錯誤によって適切な燃料空気混合比に調整することでエンジンを停止させることなく調整することができた。

エンジンの回転数を下げるには、燃料バルブを必要な位置まで閉じ、燃料と空気の混合比を調整することで可能だった。しかし、この作業には慎重な調整が必要だったため、特に着陸時など、出力を下げる際には、ブリップスイッチを使って点火を断続的に遮断することがよく用いられた。

点火スイッチを使ってシリンダーを切断する方法には、燃料がエンジン内を流れ続け、スパークプラグに油が付着し、スムーズな再始動が困難になるという欠点があった。また、未燃焼の燃料と油の混合物がカウリング内に溜まり、点火再開時に火災の危険性が生じる可能性もあった。そのため、多くのロータリーエンジン搭載機では、一般的に円形のカウリングの底部の一部または全部が切り取られたり、排水スロットが設けられたりしていた。

ロータリーエンジンを搭載した現存機や復元機のパイロットは、着陸時にブリップスイッチが依然として有用であると考えている。なぜなら、突然のエンジン停止や、最悪のタイミングで回転するエンジンが再始動しないといったリスクを冒すよりも、必要に応じてより確実かつ迅速に動力を始動できるからである。

フェリックス・ミレーは、 1889年のパリ万国博覧会で自転車の車輪に組み込まれた5気筒ロータリーエンジンを展示した。ミレーは1888年にこのエンジンの特許を取得しており、内燃ロータリーエンジンのパイオニアとみなされるべきである。彼のエンジンを搭載したマシンは1895年のパリ-ボルドー-パリレースに参加し、このシステムは1900年にロンドンのダラック社によって量産された。 ^{[ 11 ]}

ローレンス・ハーグレイブは1889年に圧縮空気を使用したロータリーエンジンを初めて開発し、動力飛行に使用することを意図していた。材料の重量と機械加工の質の低さにより、効果的な動力装置にはならなかった。^{[ 12 ]}

ニューヨークの元時計職人、スティーブン・M・バルザーは、1890年代にロータリーエンジンを製作した。 ^{[ 13 ]} 彼がロータリー構造に興味を持った主な理由は2つある。

• 当時のエンジンが低回転数で100馬力（75kW ）を発生させるには、各燃焼行程で発生する脈動が非常に大きかった。これらの脈動を抑制するために、エンジンには大型のフライホイールが必要だったが、それが重量増加につながった。ロータリーエンジンでは、エンジン自体がフライホイールの役割を果たすため、同サイズの従来型エンジンよりも軽量化が可能だった。  
• シリンダーには、航空機が静止している時でも十分な冷却空気の流れがあった。これは重要な点だった。当時の航空機は低速で飛行していたため、冷却空気の流れが限られており、当時の合金も今ほど高度なものではなかったからだ。バルツァーの初期の設計では冷却フィンさえ省略されていたが、後のロータリーエンジンには、空冷エンジンに共通するこの特徴が備わるようになった。

バルザーは1894年に3気筒ロータリーエンジン搭載車を製造し、その後ラングレーの飛行場建設計画に関与したが、より大型のエンジンを開発しようとしたため破産した。バルザーのロータリーエンジンは後にラングレーの助手チャールズ・M・マンリーによって静止型ラジアルエンジンに改造され、有名なマンリー・バルザーエンジンが誕生した。

有名なド・ディオン・ブートン社は1899年に実験的な4気筒ロータリーエンジンを製造した。航空機での使用を目的としていたが、どの航空機にも搭載されなかった。^{[ 11 ]}

アダムス・ファーウェル社の自動車は、1898年にフェイ・オリバー・ファーウェルが設計した3気筒ロータリーエンジンを使用した同社初の走行可能な試作車から始まり、その後すぐに1906年には3気筒、そしてそのすぐ後に5気筒ロータリーエンジンを搭載した量産車へと発展しました。同社は、自動車用に特別に製造されたロータリーエンジンを使用した初期のアメリカの自動車メーカーの一つです。エミール・ベルリナーは、失敗に終わったヘリコプター実験用の軽量動力ユニットとして、アダムス・ファーウェル社の5気筒ロータリーエンジンの設計コンセプトの開発を支援しました。アダムス・ファーウェルエンジンは、1910年以降、米国で固定翼航空機の動力源となった。また、アダムス・ファーウェル車が1904年にフランス陸軍に披露されたという報告があることから、グノーム設計はアダムス・ファーウェルから派生したとも主張されている。後のグノームエンジンとは対照的に、後のクレルジェ9BやベントレーBR1航空機用ロータリーエンジンと同様に、アダムス・ファーウェルロータリーエンジンは、シリンダーヘッドに従来の排気弁と吸気弁が取り付けられていた。^{[ 11 ]}

グノームエンジンは、ルイ、ローラン、オーギュスタンの3人のセガン兄弟の作品でした。彼らは才能あるエンジニアであり、有名なフランス人エンジニア、マルク・セガンの孫でした。1906年、長男のルイは、産業用定置エンジンを製造するためにソシエテ・デ・モトゥール・グノーム^{[ 14 ]}を設立しました。彼はモトーレンファブリック・オーバーウルゼルからグノーム単気筒定置エンジンの製造ライセンスを取得しており、オーバーウルゼルは第一次世界大戦中にドイツの航空機向けにライセンスされたグノームエンジンを製造していました。

ルイは弟のローランと合流し、グノームエンジンのシリンダーを使用して航空機専用のロータリーエンジンを設計した。兄弟の最初の実験エンジンは、 34 hp (25 kW)を発生する 5 気筒モデルで、ロータリーエンジンではなくラジアルエンジンだったと言われているが、5 気筒の実験モデルの写真は残っていない。セガン兄弟は冷却性能向上のためにロータリーエンジンに目を向け、世界初の量産ロータリーエンジンである 7 気筒、空冷式50 hp (37 kW)の「オメガ」が 1908 年のパリ自動車ショーで発表された。最初に製造されたグノーム オメガは現存しており、現在はスミソニアン国立航空宇宙博物館のコレクションに収蔵されている。^{[ 15 ]}セガン兄弟は、当時入手可能な最高強度の材料である、最近開発されたニッケル鋼合金を使用し、最高のアメリカ製およびドイツ製の工作機械を使用してエンジンの部品を製造し、金属の塊から部品を機械加工することで重量を抑えた。 50馬力のグノームのシリンダー壁の厚さはわずか1.5mm （0.059インチ）で、コネクティングロッドには軽量化のために深い中央溝が加工されていた。1リットルあたりの出力はやや低めだったものの、出力重量比は1kgあたり1馬力（0.75kW ）という驚異的な数値だった。        

翌年の1909年、発明家のロジャー・ラヴォーは、モナコのモーターボートと航空競技に出場した水中翼船と航空機を組み合わせたエアロスケープに、このエンジンを取り付けた。同年、アンリ・ファーマンが有名なランス航空大会でグノームを使用したことで、このエンジンは注目を集めた。彼は無着陸飛行距離180キロメートル（110マイル）でグランプリを獲得し、耐久飛行の世界記録も樹立した。アンリ・ファーブルのル・カナールによる初の成功した水上飛行機の飛行は、 1910年3月28日、マルセイユ近郊でグノーム・オメガによって行われた。 

Gnome ロータリーエンジンの生産は急速に増加し、第一次世界大戦前には約 4,000 台が生産された。Gnome は、2 列バージョン (100 hp Double Omega)、より大型の 80  hp Gnome Lambda 、および 160  hp 2 列 Double Lambda も生産した。同時代の他のエンジンの基準からすると、Gnome は特に気難しいエンジンではないと考えられており、オーバーホールなしで 10 時間稼働できる最初のエンジンとして評価されている。^{[ 16 ]}

1913年、セガン兄弟は、ピストン内の吸気バルブを各シリンダーヘッド内の単一のバルブに置き換えることで、吸気バルブと排気バルブを兼ねる新しいモノスーパップ（「シングルバルブ」）シリーズを発表しました。エンジンの回転数は、バルブタペットローラーに作用するレバーを使用して排気バルブの開弁時間と開度を変化させることで制御されましたが、バルブが焼損したため、このシステムは後に廃止されました。モノスーパップの重量は、以前の2バルブエンジンよりもわずかに軽く、潤滑油の使用量も少なくて済みました。100 馬力のモノスーパップは9気筒で製造され、定格出力は1,200rpmで発生しました 。^{[ 17 ]} 後期の160馬力の9気筒グノーム9Nロータリーエンジンは、モノスーパップバルブ設計を採用しつつ、デュアル点火 システムの安全性を追加しており、このようなシリンダーヘッドバルブ形式を採用した最後のロータリーエンジン設計として知られています。 9Nには、クーペスイッチと、クーペスイッチを押したときに3つの代替出力レベルのうちどれを選択するかを選択する特別な5ポジションロータリースイッチを使用することで、1/2、1/4、1/8の出力レベルを実現できる珍しい点火設定も備わっていました。これにより、9つのシリンダーすべてへのすべてのスパーク電圧を均等な間隔でカットして、複数のレベルの出力低減を実現できました。^{[ 18 ]オールドラインベック飛行場にある、飛行可能なフォッカーD.VIIIパラソル単葉戦闘機の復元機は、Gnome 9Nで独自に動力を供給しており、地上走行[ 19 ]}と飛行中の両方で、Gnome 9Nの4レベル出力機能の使用をしばしば実演しています。

クレルジェ社とル・ローヌ社が製造したロータリーエンジンは、シリンダーヘッドに従来型のプッシュロッド式バルブを使用していたが、クランクシャフトを通して燃料混合気を吸い込むという原理は同じだった。ル・ローヌ社のエンジンは、クランクケースから各シリンダーの上部まで伸びる目立つ銅製の吸気管を備え、そこから吸気ガスを取り込んでいた。

80  hp (60  kW) の 7 気筒 Gnome エンジンは、第一次世界大戦勃発時には Gnome Lambda として標準装備されており、すぐに多くの航空機設計に採用されるようになりました。その性能は非常に優れていたため、オリジナルの Gnom エンジンを設計したドイツのMotorenfabrik Oberursel社を含む多くの企業にライセンス供与されました。Oberursel 社は後にFokker社に買収され、同社の 80  hp Gnome Lambda のコピーは Oberursel U.0 として知られるようになりました。初期の Bristol Scout複葉機に使用されていたフランス製の Gnôme Lambda エンジンが、 1915 年後半以降、戦闘でドイツ製のFokker EI Eindecker に搭載されているものと同じであることは珍しくありませんでした。

二列ロータリーエンジンを量産しようと試みたのは、グノーム社が14気筒160 馬力のダブルラムダ設計で行ったもの、そしてドイツのオーバーウルゼル社が第一次世界大戦初期にダブルラムダ設計のクローンとして同じ出力のU.IIIを開発したものだけだった。ダブルラムダの1つは、1913年9月にデペルデュッサン・モノコック・レーシング機の1機に搭載され、 時速204km（126 マイル）近い世界記録速度を達成したが、オーバーウルゼルU.IIIは、ドイツの量産軍用機であるフォッカーE.IV戦闘機単葉機とフォッカーD.III戦闘機複葉機に搭載されたことが知られているのみで、これらの機体が戦闘機として成功しなかったのは、ドイツ製エンジンの品質が悪く、戦闘飛行を数時間行っただけで摩耗してしまうことが多かったことが一因だった。

ロータリーエンジンの最大の利点は、その優れた出力重量比であった。大型で重量のある航空機はほぼ例外なく従来型の直列エンジンに依存していたが、多くの戦闘機設計者は終戦までロータリーエンジンを好んだ。

ロータリーエンジンには多くの欠点があり、特に燃料消費量が非常に多かった。これは、エンジンが通常全開で運転されていたことと、バルブタイミングが理想的でないことが多かったことが一因である。オイル消費量も非常に多かった。原始的なキャブレターと真のオイルパンがなかったため、潤滑油は燃料/空気混合気に加えられた。そのため、エンジンの排気ガスは部分的に燃焼したオイルからの煙で重くなった。ヒマシ油は、その潤滑特性が燃料の存在によって影響を受けず、ガム形成傾向が全損潤滑システムでは問題にならないため、潤滑剤として選ばれた。不幸な副作用として、第一次世界大戦のパイロットは飛行中にかなりの量のオイルを吸い込み、飲み込んでしまい、慢性的な下痢を引き起こした。^{[ 20 ]}ロータリーエンジンのパイロットが着用する飛行服は、日常的にオイルでびしょ濡れになった。

エンジンの回転質量は、事実上、大きなジャイロスコープとしても機能した。水平飛行中はその効果は特に顕著ではなかったが、旋回時にはジャイロスコープの歳差運動が顕著になった。エンジンの回転方向のため、左旋回には力が必要で、比較的ゆっくりと行われ、機首が上がる傾向があったが、右旋回はほぼ瞬時に行われ、機首が下がる傾向があった。^{[ 21 ]} 一部の航空機では、これはドッグファイトなどの状況で有利になる可能性がある。ソッピース・キャメルは、左旋回と右旋回の両方に左ラダーが必要というほど影響を受け、低速でループの頂点でパイロットがフルパワーをかけると非常に危険になる可能性がある。キャメルの訓練生パイロットは、最初の急な右旋回は高度1,000フィート（300メートル）以上でのみ試みるように警告されていた。^{[ 22 ]}キャメルの最も有名なドイツの敵であるフォッカー Dr.I三葉機もロータリーエンジンを使用しており、通常はフランス製のル・ローヌ 9J 110 hp エンジンのオーバーウルゼル Ur.II クローンでした。   

第一次世界大戦以前から、回転エンジンの慣性問題を克服する試みが行われていました。1906年には早くもチャールズ・ベンジャミン・レドラップがヘンドンの王立飛行隊に「反動のない」エンジンを実演しました。このエンジンでは、クランクシャフトが一方向に回転し、シリンダーブロックが反対方向に回転し、それぞれがプロペラを駆動します。このエンジンの後の発展形が、レドラップが設計した1914年の反動のない「ハート」エンジンです。このエンジンでは、クランクシャフトに接続されたプロペラは1つだけですが、シリンダーブロックとは反対方向に回転するため、負の影響をほぼ相殺します。しかし、これは信頼性の高い動作には複雑すぎることが判明し、レドラップは設計を静的ラジアルエンジンに変更しました。このエンジンは後に実験機のビッカースFB12bとFB16で試されましたが、残念ながら成功しませんでした。^{[ 23 ]}

戦争が進むにつれて、航空機設計者はますます多くの出力を要求した。直列エンジンは、回転数の上限を引き上げることでこの要求を満たすことができた。つまり、出力が向上したのである。バルブタイミング、点火システム、軽量素材の改良により、これらの高回転が可能になり、戦争終結までに平均的なエ​​ンジンの回転数は1,200rpmから 2,000rpmに上昇した。ロータリーエンジンは、回転するシリンダーが空気抵抗を受けるため、同じことができなかった。例えば、戦争初期の1,200rpmのモデルの 回転数を1,400rpmに上げると、空気抵抗は速度の2乗に比例して増加するため、シリンダーにかかる抵抗は36%増加した。低回転数では抵抗は無視できたが、回転数が上がるにつれて、ロータリーエンジンはエンジンを回転させるためにますます多くの動力を投入し、プロペラを通して有効な推力を生み出すために残る動力は少なくなった。

戦争が終わる頃には、ロータリーエンジンは時代遅れとなり、かなり急速に姿を消した。イギリス空軍は、おそらく他のほとんどの運用者よりも長くロータリーエンジンを使用していた。RAFの戦後標準戦闘機であるソッピース・スナイプは、第一次世界大戦の連合国が製造したロータリーエンジンの中で最も強力な（約230馬力（170kW ） ）ベントレーBR2ロータリーエンジンを使用していた。戦後初期のRAF標準練習機である1914年製のアブロ504Kは、多種多様な低出力ロータリーエンジンを使用できるように汎用マウントを備えており、それらのエンジンは大量に余剰供給されていた。同様に、スウェーデンのFVM Ö1トゥメリサ高等練習機は、ル・ローン・チューラン90馬力（67kW ）ロータリーエンジンを搭載し、1930年代半ばまで使用された。    

設計者たちは、戦時余剰エンジンの安価さと、燃費の悪さ、そして全損潤滑システムの運用コストとのバランスを取らなければならなかった。そして1920年代半ばまでには、ロータリーエンジンはイギリス国内でもほぼ完全に取って代わられ、その多くはアームストロング・シドレー・ジャガーやブリストル・ジュピターといった新世代の空冷式「定置型」星型エンジンに取って代わられた。

ロータリーエンジンの概念に関する実験は続けられた。

1921年に開発されたミシェルエンジンの最初のバージョンは、珍しい対向ピストンカムエンジンで、シリンダーブロックが回転するというロータリーエンジンの原理を採用していた。これはすぐに、シリンダーとカムは同じだが、シリンダーは固定され、クランクシャフトの代わりにカムトラックが回転するバージョンに置き換えられた。さらに後のバージョンでは、カムは完全に廃止され、3本の連結されたクランクシャフトが使用された。

1930年までに、中央航空流体力学研究所（TsAGI）に所属していたソ連のヘリコプターのパイオニアであるボリス・N・ユーリエフとアレクセイ・M・チェレムヒンは、第一次世界大戦のグノーム・モノスーパップ・ロータリーエンジンの改良版であるソ連設計・製造のM-2ロータリーエンジン2基を搭載したTsAGI 1-EA単回転ヘリコプターで、最初の実用的な単回転機の一つを製作した。TsAGI 1-EAは、1932年8月14日にチェレムヒンが操縦し、2基のM-2ロータリーエンジンの動力で605メートル（1,985 フィート）の非公式高度記録を樹立した。^{[ 28 ]}