
ヴァンケルKKMサイクル:
- A : ローターの頂点。
- B:偏心シャフト。
- 白い部分は偏心軸のローブです。
- A と B の間の距離は一定のままです。
- ローターが1回転するごとに3つの電力パルスを生成します。
- 出力軸の1回転ごとに1つの電力パルスを出力します。
ヴァンケルエンジン(/ˈvaŋkəl̩/、VUN -kell )は、偏心回転設計を使用して圧力を回転運動に変換する内燃機関の一種です。この概念はドイツのエンジニアであるフェリックス・ヴァンケルによって実証され、続いてドイツのエンジニアであるハンス・ディーター・パシュケによって商業的に実現可能なエンジンが設計されました。[1]回転運動を生み出すヴァンケルエンジンのローターは、ルーローの三角形に似た形をしており、各辺の曲率が小さくなっています。ローターは、固定歯のギアの周りの8の字のようなエピトロコイドハウジング内で回転します。ローターの中点は出力軸の周りを円を描くように動き、カムを介してシャフトを回転させます。
基本的なガソリン燃料形式では、ヴァンケルエンジンは4ストローク往復ピストンエンジンに比べて熱効率が低く、排気ガスが多い。熱効率の悪さから、1960年代の導入以来、このエンジンの使用は限定的であった。しかし、その後の数十年間で道路走行車両の生産が進歩するにつれて、多くの欠点は主に克服された。往復ピストン内燃エンジンに比べてコンパクトな設計、滑らかさ、軽量、部品点数が少ないという利点により、ヴァンケルエンジンは、チェーンソー、補助動力装置(APU)、徘徊兵器、航空機、ジェットスキー、スノーモービル、自動車の航続距離延長装置などの用途に適している。ヴァンケルエンジンは、オートバイやレーシングカーの動力源としても使用された。
コンセプト
ヴァンケルエンジンはロータリーピストンエンジンの一種で、フェリックス・ヴァンケルが設計したドレコルベンモーター(DKM、「ロータリーピストンエンジン」)(図2を参照)とハンス・ディーター・パシュケ[2]が設計したクライスコルベンモーター(KKM、「サーキットピストンエンジン」)(図3を参照)の2つの主要な形式があり、後者のみがプロトタイプ段階を終了しています。したがって、量産されているヴァンケルエンジンはすべてKKMタイプです。
- DKMエンジンには、内側のトロコイド型ローターと、外側が円形で内側が8の字型の外側ローターの2つのローターがあります。センターシャフトは固定されており、トルクは内側ローターに連動する外側ローターから取り出されます。[3]
- KKMエンジンでは、外側のローターは固定ハウジングの一部であるため可動部品ではない。内側のシャフトは、内側のローターが回転するための偏心ローブを備えた可動部品である。ローターは、その中心と偏心シャフトの軸の周りをフラフープのように回転し、その結果、偏心シャフトが3回転するごとにローターが1回転する。KKMエンジンでは、トルクは偏心シャフトから取り出されるため、[4]従来のパワートレインに採用できるはるかにシンプルな設計となっている。[5]
ヴァンケルエンジンの開発
フェリックス・ヴァンケルは1920年代にロータリーコンプレッサーを設計し、1934年にロータリー式エンジンの最初の特許を取得しました。 [6]彼は、ロータリーコンプレッサーの三角形のローターに吸気ポートと排気ポートを追加して内燃機関を作れることに気づきました。最終的に、1951年にヴァンケルはドイツの会社NSU Motorenwerkeで働き始め、NSUのオートバイエンジン用のスーパーチャージャーとしてロータリーコンプレッサーを設計しました。ヴァンケルは、コンプレッサーに三角形のローターを設計することを思いつきました。[7]シュトゥットガルト応用科学大学のオトマール・バイアー教授の助けを借りて、その概念は数学的に定義されました。 [8]彼が設計したスーパーチャージャーは、NSUの50 cm 3 1気筒2ストロークエンジンの1つに使用されました。エンジンは12,000 rpmで13.5 PS (10 kW) の出力を生み出しました 。[9]
1954年、NSUはフェリックス・ヴァンケルと共同で、ヴァンケルのオートバイエンジン用スーパーチャージャー設計を基にロータリー内燃エンジンを開発することに合意した。ヴァンケルは「扱いにくい同僚」として知られていたため、DKMの開発作業はヴァンケルの私設リンダウ設計局で行われた。ジョン・B・ヘーゲによると、ヴァンケルは友人で「優秀なエンジニア」だったエルンスト・ヘップナーの助けを受けたという。[10]最初の実用的なプロトタイプであるDKM 54(図2を参照)は、1957年2月1日にNSU研究開発部門Versuchsabteilung TXで初めて稼働した。出力は21 PS(15 kW)だった。[11] [12]その後すぐに、DKMの2番目のプロトタイプが製造された。このエンジンは、作動室容積 V kが 125 cm 3で、17,000 rpm で 21 kW (29 PS) を出力しました 。[13]最高回転数は 25,000 rpm にも達しました 。しかし、このエンジン回転数はアウターローターの形状を歪ませ、実用的ではありませんでした。[14]マツダ自動車の技術者と歴史家によると、DKM エンジンは 4 基製造され、排気量 V hが 250 cm 3 (作動室容積 V kが 125 cm 3に相当) と説明されています。4 基目に製造されたユニットは、設計変更が数回行われ、最終的に 17,000 rpm で 29 PS (21 kW) を出力し、最高回転数は 22,000 rpm に達しました。製造された 4 基のエンジンのうち 1 基は、ボンのドイツ博物館に静態展示されています(図 2 を参照)。[15]
DKMエンジンは、センターシャフトが固定された複雑な設計のため、実用的ではありませんでした。[4] Wolf-Dieter Bensingerは、DKMエンジンでは適切なエンジン冷却が実現できないと明言し、これがDKM設計が放棄されなければならなかった理由であると主張しています。[16] NSU開発主任エンジニアのWalter Froedeは、Hanns-Dieter Paschkeの設計を使用し、DKMを後にKKMとして知られるエンジンに変換することでこの問題を解決しました(図5を参照)。[4] KKMは、簡単にアクセスできるスパークプラグ、より単純な冷却設計、および従来のパワーテイクオフシャフトを備えているため、はるかに実用的なエンジンであることが判明しました。[5]ヴァンケルは、フローデのKKMエンジンの内部ローターの偏心運動が、ヴァンケルが意図した純粋な円運動ではなかったため、気に入らなかった。彼は、「競走馬」が「耕作馬」に変わったと述べました。ヴァンケルはまた、ローターの偏心フラフープ運動により、KKMのアペックスシールにさらに大きなストレスがかかると不満を述べた。NSUはDKMとKKMの両方を開発するための資金を調達することができず、最終的にはDKMを放棄してKKMを採用することに決めた。後者の方がより実用的な設計であるように思われたからである。[17]
ヴァンケルは1961年6月13日にKKMエンジンに関する米国特許2,988,065を取得した。[18] KKMの設計段階を通じて、フローデのエンジニアリングチームは、ベアリングの焼き付き、エンジン内のオイルの流れ、エンジンの冷却などの問題を解決する必要があった。[19]最初に完全に機能したKKMエンジンであるKKM 125は、重量わずか17 kg(37.5ポンド)、排気量125 cm 3、11,000 rpmで26 PS(19 kW)を出力した 。[20]最初の運転は1958年7月1日であった。[21]
1963年、NSUは自動車用の最初の量産型ヴァンケルエンジン、KKM 502を製造した(図6参照)。このエンジンはNSUスパイダースポーツカーに使用され、約2,000台が製造された。初期のトラブルにもかかわらず、KKM 502は強力なエンジンで、十分なポテンシャル、スムーズな操作、高回転時の低騒音を実現した。これはシングルローターPPエンジンで、排気量は996cm3 (61in3)、定格出力は6,000rpmで40kW(54hp)、BMEPは1MPa(145lbf/in2 )であった。[22]
操作と設計

ヴァンケルの概略図:
- 摂取量
- 排気
- ステータハウジング
- チェンバース
- ピニオン
- ローター
- クラウンギア
- 偏心シャフト
- スパークプラグ
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ロータリーサイクル:
- 摂取量(青)
- 圧縮(緑)
- イグニッション(赤)
- 排気(黄色)
2ローターヴァンケルエンジンのビデオ

ヴァンケルエンジンとレシプロエンジンの比較。[23] 吸気 圧縮 膨張 排気

= 8.88 barで平均総出力76.3 kWを生成します。チャンバー圧力、瞬間単位トルク、瞬間および平均総トルクをシャフト回転角度に対してプロットします。瞬間および平均総出力を時間に対してプロットします。[24]
ヴァンケルエンジンには、回転する偏心動力取り出しシャフトがあり、回転ピストンがシャフト上の偏心部品にフラフープのように乗っています。ヴァンケルは2:3タイプのロータリーエンジンです。つまり、ハウジングの内側は2つのローブのある楕円形のエピトロコイド(ペリトロコイドに相当)に似ています。[25]対照的に、その回転ピストンは3つの頂点を持つトロコイド形状(ルーローの三角形に類似)をしています。したがって、ヴァンケルエンジンのローターは常に3つの可動作業室を形成します。[26]ヴァンケルエンジンの基本的な形状を図7に示します。ローターの頂点にあるシールがハウジングの周囲に密着します。[27]ローターは、外部チャンバーではなく、ギアと偏心出力シャフトによって回転運動をガイドされます。ローターは外部のエンジンハウジングと接触しません。ローター上の膨張したガス圧力の力は、出力軸の偏心部分の中心に圧力を加えます。
実用的なヴァンケルエンジンはすべて4サイクル(つまり4ストローク)エンジンです。理論的には2サイクルエンジンも可能ですが、吸気ガスと排気ガスを適切に分離できないため実用的ではありません。[16]動作原理はオットー動作原理に似ています。圧縮着火を伴うディーゼル動作原理は、実用的なヴァンケルエンジンでは使用できません。[28]そのため、ヴァンケルエンジンには通常、高電圧スパーク点火システムが備わっています。[29]
ヴァンケルエンジンでは、三角形のローターの片側が、ローターの1回転ごとに吸気、圧縮、膨張、排気の4段階のオットーサイクルを完了します(シャフト3回転に相当、図8を参照)。 [30]固定頂点間のローターの形状は、幾何学的燃焼室の容積を最小化し、圧縮比を最大化するように設計されています。[27] [31]ローターには3つの側面があるため、ローターの1回転ごとに3つの電力パルスが発生します。
ヴァンケルエンジンは往復ピストンエンジンに比べて不規則性が非常に低いため、ヴァンケルエンジンの動作はよりスムーズです。これは、ヴァンケルエンジンの慣性モーメントが低く、トルク伝達が均一なため過剰トルク領域が少ないためです。たとえば、2ローターのヴァンケルエンジンは、4気筒ピストンエンジンよりも2倍以上スムーズに動作します。[32]ヴァンケルエンジンの偏心出力軸には、往復ピストンエンジンのクランクシャフトのような応力関連の輪郭がありません。そのため、ヴァンケルエンジンの最大回転数は、主に同期ギアの歯の負荷によって制限されます。[33]硬化鋼のギアは、7,000または8,000rpmを超える長時間の動作に使用されます 。実際には、自動車のヴァンケルエンジンは、同様の出力の往復ピストンエンジンよりもはるかに高い出力軸速度で動作することはありません。自動車レースのヴァンケルエンジンは最高 10,000 rpm の速度で作動しますが、シリンダーあたりの排気量が比較的小さい 4 ストローク往復ピストンエンジンも同様です。航空機では、最大 6500 または 7500 rpm まで控えめに使用されます。
チャンバー容積
ヴァンケルロータリーエンジンでは、チャンバー容積はローター表面とローター経路の積に等しい。ローター表面は、ローターハウジングを横切るローター先端の経路によって与えられ、生成半径、ローター幅、およびローターと内部ハウジングの平行移動によって決定される。ローターはトロコイド(「三角形」)形状であるため、60度の正弦は、ローターがローターハウジングに最も近づく間隔を表す。したがって、
- [34]
ローターの経路は、偏心を介して次のように統合できます。
したがって、
- [35]
便宜上、判定が難しく小さいため省略する場合があります。[36]
- [36] [37] [38] [39] [40]
これに対する別のアプローチは、 を最長距離として、 をローターと内部ハウジングの最短の平行移動として導入し、 およびと仮定することです。すると、
ローターと内部ハウジングの平行移動を考慮すると、チャンバー容積を決定するのに十分な精度が得られます。[36] [35]
等価排気量と出力
ヴァンケルエンジンの総排気量をレシプロエンジンと比較して評価するために、1つのチャンバーのみ、2つのチャンバーのみ、または3つのチャンバーすべてを考慮するなど、さまざまなアプローチが長年にわたって使用されてきた。[41]この論争の一部は、カール・ルドヴィグセン が報告したように、ヨーロッパの自動車税がエンジン排気量に依存していたためであった。[42]
各ローターのチャンバー数が で、ローター数が の場合、総排気量は次のようになります。
が平均有効圧力、シャフト回転速度が で、サイクルを完了するために必要なシャフト回転数が(は熱力学サイクルの周波数)の場合、総出力は次のようになります。
1つのチャンバーを考慮する
山本健一とウォルター・G・フローデは次のように述べた。[43] [44]
これらの値では、シングルローターのヴァンケルエンジンは、シャフトが同じ速度で回転し、オットーサイクルを3倍の周波数で動作させながら、シングルシリンダーの2ストロークエンジンと同じ平均出力と同じ平均トルクを生成します。
二つの部屋を考える
リチャード・フランツ・アンスデール、ウルフ・ディーター・ベンジンガー、フェリックス・ヴァンケルは、シャフト1回転あたりの累積膨張ストローク数に基づいて類推を行った。ヴァンケルロータリーエンジンでは、偏心シャフトは燃焼室ごとに3回転(1080°)回転して、4ストロークエンジンの4つのフェーズすべてを完了する必要がある。ヴァンケルロータリーエンジンには3つの燃焼室があるため、偏心シャフトの1回転(360°)以内に4ストロークエンジンの4つのフェーズすべてが完了し、シャフトが1回転するたびに1つのパワーパルスが発生する。[35] [45]これは、4ストロークピストンエンジンとは異なります。4ストロークピストンエンジンでは、4ストロークエンジンの4つのフェーズすべてを完了するために、燃焼室ごとに2回転する必要があります。したがって、ベンジンガーによると、ヴァンケルロータリーエンジンでは、排気量()は次のようになります。[46] [47] [48]
BMEP から動力を得る場合は、4 ストローク エンジンの式が適用されます。
3つの部屋を考慮する
オイゲン・ヴィルヘルム・フーバーとカール・ハインツ・キュトナーは、それぞれのチャンバーが独自の熱力学サイクルを動作しているため、すべてのチャンバーを数えました。したがって、次のようになります。[49] [50] [51]
これらの値では、シングルローターのヴァンケルエンジンは、3気筒4ストロークエンジンと同じ平均出力、3/2の平均トルク、シャフトの2/3の速度、同じ周波数でのオットーサイクルの動作を生み出します。
3気筒エンジンの出力軸に2/3ギアセットを適用すると(またはヴァンケルエンジンに3/2ギアセットを適用すると)、フーバーが指摘したように、熱力学的および機械的な出力の観点からは両者は類似している。[50]
例(2つの部屋を数える)
- KKM 612 ( NSU Ro80 )
- 14mm
- 半径=100mm
- a=2mm
- B=67mm
- 私=2
- [52] [53]
- マツダ 13B-REW (マツダ RX-7 )
- 15mm
- 半径=103mm
- a=2mm
- B=80mm
- 私=2
- [53]
発行されたライセンス
NSUは世界中の企業に様々な形でヴァンケルエンジンの設計ライセンスを供与し、多くの企業が継続的な改良を実施しました。ドイツのエンジニアであるヴォルフ・ディーター・ベンジンガーは1973年の著書「回転運動とエンジンの相互作用」の中で、以下のライセンシーを時系列順に記述しており、ジョン・B・ヘーゲもこれを裏付けています。[54] [55] [56]
- カーチス・ライト:1958年から100~1,000 PS(74~735 kW)の空冷式および水冷式の全種類のエンジンを製造。[57] 1984年にディア・アンド・カンパニーにライセンス販売[58]
- フィヒテル&ザックス:産業用および船舶用エンジン、0.5~30 PS(0~22 kW)、1960年以降
- ヤンマーディーゼル:1961年以降、100PS(74kW)までの船舶用エンジン、および300PS(221kW)までのディーゼル燃料で稼働するエンジン
- 東洋工業(マツダ):1961年以降、200PS(147kW)までの自動車用エンジン
- パーキンス エンジン: 1961 年から 1972 年まで、最大 250 PS (184 kW) の全種類のエンジン
- クロックナー・フンボルト・ドイツ:ディーゼル燃料で動くエンジン。1972 年までに開発終了
- ダイムラーベンツ: 1961 年から 1976 年までの 50 PS (37 kW) から 350 PS (257 kW) までの全タイプのエンジン。
- MAN : ディーゼル燃料で動くエンジン。開発は1972年までに終了
- クルップ:ディーゼル燃料で動くエンジン。1972年までに開発終了
- Rheinstahl-Hanomag : ガソリン エンジン、40 ~ 200 PS (29 ~ 147 kW)、1963 年以降。 1972年までにダイムラー・ベンツに合併
- アルファ ロメオ: 自動車用エンジン、50~300 PS (37~221 kW)、1964 年以降
- ロールスロイス:ディーゼル燃料または多燃料運転用エンジン、100~850 PS(74~625 kW)、1965年以降
- VEB Automobilbau : 0.25~25 PS (0~18 kW) および 50~100 PS (37~74 kW) の自動車用エンジン、1965 年から。1972 年までにライセンスは廃止。
- ポルシェ:50~1,000 PS(37~735 kW)のスポーツカーエンジン、1965年以降
- 船外機:50~400 PS(37~294 kW)の船舶用エンジン、1966年以降
- Comotor ( NSU MotorenwerkeおよびCitroën ): 40 ~ 200 PS (29 ~ 147 kW) のガソリン エンジン、1967 年以降
- Graupner : 0.1 ~ 3 PS (0 ~ 2 kW) のモデル エンジン、1967 年以降
- サヴケル: 0.5~30 PS (0~22 kW) の産業用ガソリンエンジン、1969 年以降
- 日産:80~120 PS(59~88 kW)の自動車エンジン、1970年以降
- ゼネラルモーターズ:1970年以降の航空機エンジンを除く4ローターエンジンまでの全種類のエンジン
- スズキ:20~90 PS(15~66 kW)のオートバイ用エンジン、1970年以降
- トヨタ:75~150 PS(55~110 kW)の自動車エンジン、1971年以降
- フォードドイツ:(フォードモーターカンパニーを含む):80~200 PS(59~147 kW)の自動車エンジン、1971年以降
- BSA社:35~60 PS(26~44 kW)のガソリンエンジン、1972年以降[59]
- ヤマハ発動機:20~80 PS(15~59 kW)のガソリンエンジン、1972年以降
- 川崎重工業:20~80 PS(15~59 kW)のガソリンエンジン、1972年以降
- ブランズウィック社製エンジン 20~100 PS (15~74 kW)、1972年以降
- インガソル・ランド:350~4,500 PS(257~3,310 kW)のエンジン、1972年以降
- アメリカンモーターズカンパニー:80~200 PS(59~147 kW)のガソリンエンジン、1973年以降
1961年、NATI、NAMI、VNIImotopromといったソ連の研究機関がヴァンケルエンジンの開発を開始した。最終的に1974年に開発はAvtoVAZ工場の特別設計局に移管された。[60]ジョン・B・ヘーゲは、ソ連の自動車メーカーにはライセンスが発行されなかったと主張している。[61]
エンジニアリング
フェリックス・ヴァンケルは、理論上のエピトロコイドに対するローターハウジング形状の「オーバーサイズ」の量に等しい先端半径を持つベーンシールの構成を開発し、半径方向の頂点シールの動きを最小限に抑え、さらにすべてのシール要素に接して各ローター頂点の3つの平面の周囲をシールする円筒形のガス充填頂点ピンを導入することで、ロータリーエンジンを完成させようとする以前の試みが失敗したほとんどの問題を克服することができた。[62]
初期の頃は、ハウジングの寸法配置が異なるため、独自の専用製造機械を製作する必要がありました。しかし、1974 年に G. J. Watt が取得した「ヴァンケル エンジン シリンダー生成機」に関する米国特許 3,824,746号、米国特許 3,916,738 号、「トロコイド面の加工および/または処理のための装置」、米国特許 3,964,367号、「トロコイド内壁の加工装置」などの特許取得済み設計によって、この問題が解決されました。
ヴァンケルエンジンには、ブロックハウジングの吸気、圧縮、燃焼、排気がハウジングの周囲の固定された場所で発生するという点で、往復ピストン4ストロークエンジンには見られない問題がある。これにより、ローターハウジングに非常に不均一な熱負荷が発生する。[63]対照的に、4ストローク往復エンジンは、これらの4つのストロークを1つのチャンバーで実行するので、「凍結」吸気と「炎上」排気の両極端が平均化され、境界層によって動作部品の過熱から保護される。フロリダ大学は、ブロックハウジングのこの不均一な加熱を克服するために、空冷ヴァンケルにヒートパイプを使用することを提案した。[64]排気ガスで特定のハウジングセクションを予熱すると、性能と燃費が向上し、摩耗と排出も削減された。[65]
境界層シールドと油膜は断熱材として機能し、潤滑膜の温度を低く抑えます(水冷式ヴァンケルエンジンでは最大約200℃または390℉)。これにより表面温度がより一定になります。点火プラグ周辺の温度は、往復動エンジンの燃焼室内とほぼ同じです。円周方向または軸流冷却では、温度差は許容範囲内にとどまります。[66] [67] [68]
1950 年代から 1960 年代にかけての研究中に問題が発生しました。しばらくの間、エンジニアは、トロコイド面の内側に「チャタリング マーク」や「悪魔の傷」と呼ばれるものが発生し、トロコイド面のクロム コーティングが欠けるという問題に直面していました。エンジニアは、原因はアペックス シールが共振振動に達することであると突き止め、アペックス シールの厚さと重量を減らし、より適切な材料を使用することで問題を解決しました。シールとハウジング コーティングに適した材料を導入した後、傷は消えました。山本は、穴を開けてアペックス シールを実験的に軽量化しました。これで、重量が主な原因であることが判明しました。その後、マツダは、初期の量産エンジンにアルミニウム含浸カーボン アペックス シールを使用しました。NSU は、クロムに対してカーボン アンチモン含浸アペックス シールを使用しました。NSU は、ELNISIL コーティングを生産成熟度まで開発し、RO80 では金属シーリング ストリップに戻りました。マツダはクロムを使い続けたが、アルミニウムハウジングにスチールジャケットを施し、その上に薄い寸法の亜鉛メッキクロム層をコーティングした。これにより、マツダは3mm厚、さらには2mm厚の金属アペックスシールに戻ることができた。[69]初期のもう1つの問題は、プラグホール付近のステーター表面に亀裂が蓄積することだったが、プラグをブロックハウジングに直接ねじ込むのではなく、ハウジング内の別の金属インサート/銅スリーブにスパークプラグを取り付けることでこの問題は解消された。[70]
トヨタは、リーディングサイトスパークプラグをグロープラグに置き換えると、低回転、部分負荷、特定の燃料消費が7%改善され、排出量とアイドリングが改善されることを発見しました。[71]その後、スパークプラグボスの冷却に代わる解決策として、水冷式ロータリー用の可変冷却剤速度方式が提供されました。これは広く使用され、カーティスライト社によって特許が取得されました。[72]最後に、空冷エンジンのスパークプラグボスの冷却を改善する方法が挙げられます。これらのアプローチでは、高伝導性の銅インサートは不要でしたが、その使用が妨げられることはありませんでした。フォードは、プラグをハウジングの作業面に配置する通常の方法ではなく、サイドプレートに配置したワンケルエンジンをテストしました(CA 1036073、1978年)。
トルク伝達
ヴァンケルエンジンは高速運転が可能であり、高出力を得るために必ずしも高トルクを生成する必要はない。吸気ポートの位置と吸気ポートの閉じ方は、エンジンのトルク生成に大きく影響する。吸気ポートを早く閉じると低速域のトルクは増加するが、高速域のトルク(したがって出力)は減少する。対照的に、吸気ポートを遅く閉じると低速域のトルクは減少するが、高エンジン回転数でのトルクは増加するため、高エンジン回転数でより多くの出力が得られる。[73]
周辺吸気ポートは平均有効圧力が最も高くなるが、サイド吸気ポートはより安定したアイドリングを生み出す。[74]これは、燃焼ガスが吸気ダクトに逆流するのを防ぐためである。吸気ダクトへの逆流は、混合気が点火したり点火しなかったりするサイクルを繰り返すことで「失火」を引き起こす。周辺ポート (PP) は、回転数範囲全体にわたって最高の平均有効圧力をもたらすが、PP はアイドリングの安定性と部分負荷性能の低下にもつながる。トヨタの初期の研究[75]により、排気ポートに新鮮な空気を供給するようになった。また、吸気ポートまたはダクトのリードバルブ[76]により、最高回転数でのパワーがわずかに低下するが、排気ガスが吸気ポートとダクトに逆流するのを防ぎ、失火を引き起こす高 EGR を減らすことで、ヴァンケルエンジンの低回転数および部分負荷性能が向上することが証明された。往復動エンジンのストロークが長くなるのと同様に、ローターの偏心が大きいほど弾力性が向上します。
ヴァンケルエンジンは低圧排気システムでより良く作動する。排気背圧が高くなると平均有効圧力が低下し、周辺吸気ポートエンジンではさらに深刻になる。マツダRX-8レネシスエンジンは、排気ポート面積を以前の設計に比べて2倍にすることで性能を向上させており、吸排気管の構成がヴァンケルエンジンの性能に与える影響についての研究がなされている。[77]サイド吸気ポート(マツダのレネシスエンジンで使用されている)は、1950年代後半にハンス・ディーター・パシュケによって初めて提案された。パシュケは、正確に計算された吸気ポートと吸気マニホールドにより、サイドポートエンジンをPPエンジンと同じくらい強力にすることができると予測した。[78]
材料
前述のように、ヴァンケルエンジンは、エンジンの固定された場所で4つのサイクルが発生するため、熱膨張が不均一になる。このため、使用する材料に大きな要求が課されるが、ヴァンケルのシンプルさにより、特殊合金やセラミックなどの代替材料の使用が容易になる。一般的な方法は、アルミニウム製のエンジンハウジングの場合、燃焼室領域ではエンジンハウジングにモリブデン層を吹き付け、その他の部分にはスチール層を吹き付けることである。鉄で鋳造されたエンジンハウジングは、材料を燃焼熱ストレスに耐えられるように誘導ろう付けすることができる。[79]
ヴァンケルハウジングに使用される合金としては、A-132、インコネル625、およびT6硬度に処理された356がある。ハウジングの作業面のメッキには、ニカシルをはじめ、いくつかの材料が使用されてきた。シトロエン、ダイムラー・ベンツ、フォード、APグラーゼンなどがこの分野で特許を申請している。アペックスシールについては、炭素合金から鋼、フェライト系ステンレス、Ferro-TiC、その他の材料へと、経験とともに材料の選択が進化してきた。[80]ハウジングメッキとアペックスおよびサイドシールの材料の組み合わせは、シールとハウジングカバーの両方の寿命を最大化するために実験的に決定された。シャフトには、負荷がかかっても変形が少ない鋼合金が好ましく、そのためにマルエージング鋼の使用が提案されている。
ヴァンケル エンジンの開発当初は、有鉛ガソリン燃料が主流でした。鉛は固体潤滑剤であり、有鉛ガソリンはシールやハウジングの摩耗を減らすように設計されています。最初のエンジンでは、ガソリンの潤滑特性を考慮してオイル供給量が計算されていました。有鉛ガソリンが段階的に廃止されるにつれて、ヴァンケル エンジンでは、重要なエンジン部品に潤滑を提供するために、ガソリンに混合するオイルを増やす必要がありました。デビッド ガーサイドによる SAE の論文では、ノートンの材料と冷却フィンの選択について詳細に説明されています。[引用が必要]
封印
初期のエンジン設計では、ローターとハウジングの間だけでなく、ハウジングを構成するさまざまな部品の間でも、シールが失われる頻度が高かった。また、初期モデルのヴァンケルエンジンでは、シールとケーシングの間に炭素粒子が閉じ込められ、エンジンが動かなくなり、部分的な再構築が必要になることがあった。非常に初期のマツダエンジンでは、50,000マイル(80,000 km)走行後に再構築が必要になるのが一般的だった。ハウジング内の不均一な熱分布によって、歪みやシールと圧縮の損失が発生し、さらにシールの問題が発生していた。この熱歪みは、アペックスシールとローターハウジング間の不均一な摩耗も引き起こし、これは走行距離の長いエンジンで顕著だった。[要出典]エンジンが動作温度に達する前にストレスを受けると、問題は悪化した。しかし、マツダのヴァンケルエンジンはこれらの初期の問題を解決した。現在のエンジンには、シール関連の部品が約100個ある。[11]
より冷たい吸気ローブ領域にある軸方向に近いサイドハウジングの間を通過する高温のローター頂点のクリアランスの問題は、オイルシールの半径方向内側に軸方向ローターパイロットを使用し、ローター内部の慣性オイル冷却を改善することで対処しました(CW US 3261542、C. Jones、5/8/63、US 3176915、M. Bentele、C. Jones。AH Raye。7/2/62)、およびわずかに「クラウン」した頂点シール(シールの中央と端の高さが異なる)を使用しました。[81]
燃費と排出量
熱力学的欠点のセクションで説明したように、初期のヴァンケルエンジンは燃費が悪かった。これは、ヴァンケルエンジンの燃焼室の形状と大きな表面積の設計が原因である。その一方で、ヴァンケルエンジンの設計はエンジンノッキングがはるかに起こりにくく、[28]低オクタン価燃料を使用しても圧縮を低下させる必要がない。NSUはフェリックス・ヴァンケルの提案により低オクタン価ガソリンをテストした。
試験的に40オクタンガソリンがBVアラル社によって製造され、圧縮比8:1のヴァンケルDKM54テストエンジンで使用され、問題なく作動した。これは、高品質のガソリンを生産するために新しい工場に多額の資金を投資していたヨーロッパの石油化学業界を動揺させた。[82] [83] [84] [85] [86]
直噴層状チャージエンジンは、特にオクタン価の低い燃料で作動します。例えば、オクタン価が約25しかないディーゼル燃料などです。[87] [88]効率が悪いため、周辺排気ポートを備えたヴァンケルエンジンでは、未燃炭化水素(HC)が大量に排気されます。[89] [90]しかし、燃焼が遅く、他のエンジンよりも温度が低いため、排気中の窒素酸化物(NOx)排出量は比較的低く、ヴァンケルエンジンの排気ガス再循環(EGR)挙動も良好です。ヴァンケルエンジンとオットーエンジンの一酸化炭素(CO)排出量はほぼ同じです。[28]
ヴァンケルエンジンは、特に低負荷および中負荷条件下では、オットーエンジンよりも排気ガス温度が著しく高い(Δt K > 100 K)。これは、燃焼頻度が高く、燃焼が遅いためです。エンジン速度が6000 rpm −1の高負荷では、排気ガス温度は1300 Kを超えることがあります。ヴァンケルエンジンの排気ガス挙動を改善するために、排気ガス中の炭化水素と一酸化炭素を減らすために熱反応器または触媒コンバータが使用される場合があります。[89]
マツダは、1つのチャンバーに2つのスパークプラグを備えたデュアル点火システムを採用しています。これにより、出力が向上し、同時にHC排出量が削減されます。同時に、Tリーディングプラグの点火時期をLトレーリングプラグと比較して減らすことで、HC排出量を減らすことができます。これにより、内部で後燃焼が発生し、HC排出量が削減されます。一方、LとTの点火時期が同じであるため、エネルギー変換率が向上します。燃焼室壁に付着した炭化水素は、周辺出口から排気ガスに排出されます。[91] [92]
マツダは、R26Bエンジンで、1チャンバーあたり3つのスパークプラグを使用しました。3番目のスパークプラグは、スキッシュが発生する前に後側の混合気に点火し、混合気を完全に燃焼させます。また、火炎伝播を加速して、燃費を向上させます。[93]カーティス・ライトの研究によると、排気中の未燃焼炭化水素の量を制御する要因はローター表面温度であり、温度が高いほど排気中の炭化水素が少なくなります。[94]カーティス・ライトは、エンジンの残りの構造を変更せずにローターを広げ、摩擦損失を減らし、排気量と出力を上げました。この拡大の制限要因は機械的なもので、特に高回転速度でのシャフトのたわみでした。[95]急冷は、高速での炭化水素の主な発生源であり、低速での漏れです。[96]上死点付近で排気ポートを閉じ、吸気と排気のオーバーラップを減らすことができるサイドポートを使用すると、燃費が向上します。[90]
マツダのRX-8は、1999年に初めて発表されたレネシスエンジンを搭載し、2004年に米国の低排出ガス車(LEV-II)基準を満たしました。[53]これは主にサイドポートの使用によって達成されました。初期のマツダのロータリーエンジンではローターハウジングに配置されていた排気ポートを、燃焼室の側面に移動しました。このアプローチにより、マツダは吸気ポートと排気ポートの開口部の重なりをなくし、同時に排気ポート面積を増やすことができました。この設計により、低速および軽負荷範囲での燃焼安定性が向上しました。サイド排気ポートのロータリーエンジンからのHC排出量は、周辺排気ポートのヴァンケルエンジンよりも35~50%少なくなります。周辺ポートのロータリーエンジンは、特に高回転時と長方形の吸気ポートで平均有効圧力が向上します。 [97] [98]しかし、RX-8はユーロ5排出ガス規制に適合するように改良されず、2012年に生産中止となった。[99]マツダMX-30 R-EVの新型マツダ8Cは、ユーロ6d-ISC-FCM排出ガス基準を満たしている。[100]
レーザー点火
レーザー点火は2011年に初めて提案されたが[101] [102]、レーザー点火に関する最初の研究は2021年に行われたばかりである。ヴァンケルエンジンの希薄燃料混合物のレーザー点火は、燃料消費と排気ガス挙動を改善できると考えられている。2021年の研究では、ヴァンケルモデルエンジンがレーザー点火とさまざまな気体および液体燃料を使用してテストされた。レーザー点火により、燃焼中心の発達が速くなり、燃焼速度が向上し、NO x排出量が削減される。適切な点火に必要なレーザーパルスエネルギーは「妥当」で、1桁台のmJの範囲である。レーザー点火には、ヴァンケルエンジンの大幅な変更は必要ありません。[103]
圧縮着火ヴァンケル

ロールスロイスR1C圧縮着火プロトタイプ
ロータリー圧縮着火エンジンの研究が行われている。ヴァンケルエンジンの基本設計パラメータでは、実用的なエンジンでディーゼル運転に十分な圧縮比を得ることができない。[104]ロールスロイス[105]とヤンマーの圧縮着火[106]のアプローチは、2段ユニット(図16を参照)を使用し、1つのローターが圧縮機として機能し、もう1つのローターで燃焼が起こるというものだった。[107]どちらのエンジンも機能しなかった。[104]
多燃料ヴァンケルエンジン
圧縮着火(ディーゼル)ヴァンケルエンジンとは異なるアプローチは、非CIの多燃料ヴァンケルエンジンであり、ディーゼル、ガソリン、灯油、メタノール、天然ガス、水素など、さまざまな燃料で作動することができる。[108] [109]ドイツのエンジニア、ダンクヴァルト・アイアーマンは、2000年代初頭にヴァンケルスーパーテック(WST)でこのエンジンを設計した。このエンジンのチャンバー容積は500 cm 3(cc)で、ローターあたりの出力は50 kW(67.1 hp)である。1つから最大4つのローターを備えたバージョンが可能である。[110]
WST エンジンは、成層充填原理で動作するコモンレール直接噴射システムを備えています。ディーゼルエンジンに似ていますが、従来のヴァンケルエンジンとは異なり、WST エンジンは 4 サイクルエンジンの圧縮段階のように空気と燃料の混合物を圧縮するのではなく、空気を圧縮します。燃料は上死点の直前にのみ圧縮空気に噴射されるため、成層充填 (均質な混合物ではない) になります。燃焼を開始するには点火プラグを使用します。[111]圧縮段階の終了時と燃焼中の圧力は従来のディーゼルエンジンよりも低く、[110]燃料消費量は小型の間接噴射圧縮着火エンジンと同等です(つまり、>250 g/(kW·h))。[112]
WSTヴァンケルエンジンのディーゼル燃料駆動型は、ドイツ鉄道のディーゼル機関車60両のAPUとして使用されている。WSTディーゼル燃料エンジンは最大400kW(536馬力)を出力できる。[113] [108]
水素燃料

マツダRX-8ハイドロジェンRE水素燃料ロータリーエンジン車
水素/空気燃料混合物はガソリンよりも速く着火し、燃焼速度が速いため、水素内燃機関の重要な課題は、早期着火とバックファイアを防ぐことです。ロータリーエンジンでは、オットーサイクルの各サイクルが異なるチャンバーで発生します。重要なのは、吸気チャンバーが燃焼室から分離されており、空気/燃料混合物が局所的なホットスポットから遠ざかっていることです。ヴァンケルエンジンには高温の排気バルブもないため、水素操作への適応が容易です。[114]もう1つの問題は、往復エンジンの潤滑膜に対する水素化物の攻撃です。ヴァンケルエンジンでは、セラミックアペックスシールを使用することで、水素化物の攻撃の問題を回避しています。[115] [116]
水素運転を研究するためにマツダRX-8に搭載された試作ヴァンケルエンジンでは、水素運転によりガソリン燃料運転よりも熱効率が23%向上することが若山らによって発見された。希薄運転ではNOxの排出量は少ないものの、エンジンから排出されるNOxの総量は日本のSULEV基準を超えている。補助的なストイキオメティック運転と触媒を組み合わせることで、NOxのさらなる削減が可能になる。したがって、この車両はSULEV基準を満たしている。[117]
利点
ヴァンケルエンジンの主な利点は以下の通りである。[118]
- ピストンエンジンよりもはるかに高いパワーウェイトレシオ[119]
- 同等のピストンエンジンよりも小さなエンジンスペースにパッケージングしやすい[119]
- 同等のピストンエンジンよりも高いエンジン速度に到達可能
- 振動がほとんどない状態で動作する[120]
- エンジンノックが発生しにくい[28] [84] [85]
- エンジンの部品数が少ないため大量生産が安価である[119]
- ピストンエンジンの4分の1ではなく、燃焼サイクルの約3分の2のトルクを供給する[120]
- 簡単に適応でき、水素燃料の使用に非常に適しています。
ヴァンケルエンジンは、同等の出力のピストンエンジンに比べて可動部品がはるかに少なく、かなり軽量でシンプルです。バルブや複雑なバルブトレインが、ローターハウジングの壁に切り込まれたシンプルなポートを使用することで排除されています。ローターは出力軸の大きなベアリングに直接乗るため、コネクティングロッドやクランクシャフトはありません。往復質量が排除されているため、ヴァンケルエンジンは非均一係数が低く、同等の往復ピストンエンジンよりもはるかにスムーズに動作します。たとえば、2ローターのヴァンケルエンジンは、4気筒往復ピストンエンジンよりも2倍以上スムーズに動作します。[32]
4ストロークシリンダーは、クランクシャフトの1回転ごとにのみパワーストロークを生成し、3ストロークはポンピング損失になります。ヴァンケルエンジンは、往復ピストンエンジンよりも容積効率が高いです。[121]パワーストロークの準オーバーラップにより、ヴァンケルエンジンはパワーの増加に非常に迅速に反応し、特にエンジン速度が高いときに、要求されたときにすぐにパワーを提供します。この違いは、4気筒の往復エンジンと比較すると顕著ですが、シリンダー数が多い場合と比較するとそれほど顕著ではありません。
高温排気弁がないため、ヴァンケルエンジンの燃料オクタン価要件は往復ピストンエンジンよりも低くなります。[122]経験則として、作動室容積 V kが 500 cm 3で圧縮比 ε=9 のヴァンケルエンジンは、オクタン価がわずか 91 RON の平凡な品質のガソリンでも問題なく作動すると想定できます。[28]往復ピストンエンジンでは、ノッキングを避けるために圧縮比を 1 単位下げる必要がありますが、同等のヴァンケルエンジンでは、圧縮比を下げる必要がない場合があります。[123]
インジェクターの数が少ないため、ヴァンケルエンジンの燃料噴射システムは往復ピストンエンジンよりも安価です。層状充填運転を可能にする噴射システムは、エンジンの望ましくない部分の濃い混合領域を減らすのに役立ち、燃料効率を向上させます。[124]
デメリット
熱力学的欠点
ヴァンケルロータリーエンジンの主な欠点は、ヴァンケルエンジンの設計が表面積が大きく、燃焼室の形状が悪いために熱力学特性が悪いことです。この影響でヴァンケルエンジンは燃焼が遅く不完全で、その結果燃料消費量が多くなり、排気ガスの挙動が悪くなります。[122]ヴァンケルエンジンは、通常、最大約30パーセントの効率を達成できます。[125]
ヴァンケルロータリーエンジンでは、燃焼室が長くて薄く、移動しているため、燃料の燃焼は遅い。炎の移動はほぼローターの移動方向にのみ発生するため、燃料と空気の混合物の消炎が悪くなり、エンジン速度が高いときに未燃炭化水素の主な発生源となる。燃焼室の後端側では自然に「スクイーズストリーム」が生成され、炎が燃焼室の後端に達するのを防ぎ、燃料と空気の混合物の消炎が悪くなるという結果が悪化する。燃料が燃焼室の前端に向かって噴射される直接燃料噴射は、排気中の未燃燃料の量を最小限に抑えることができる。[126] [127]
機械的な欠点
多くの欠点は現在も研究が続けられているが、現在生産されているヴァンケルエンジンの欠点は以下の通りである。[128]
- ローターシール
- エンジン ハウジングは、各チャンバー セクションの温度が大きく異なります。材料の膨張係数が異なるため、密閉が不完全になります。さらに、アペックス シールの両側が燃料にさらされるため、設計上、ローターの潤滑を正確かつ精密に制御することができません。ロータリー エンジンは、すべてのエンジン速度と負荷で過剰に潤滑される傾向があり、比較的オイル消費量が多く、エンジンの燃焼領域に過剰なオイルが存在することで、カーボン形成や燃焼オイルからの過剰排出などの問題が発生します。これに比べて、ピストン エンジンではサイクルのすべての機能が同一チャンバー内にあるため、ピストン リングが作用する温度がより安定しています。さらに、(4 ストローク) ピストン エンジンでは、ピストンの片側のみが燃料にさらされるため、反対側からオイルがシリンダーを潤滑します。ピストン エンジン コンポーネントは、シリンダー圧力と出力レベルが上昇するにつれて、リングの密閉性とオイル制御を高めるように設計することもできます。ヴァンケルエンジンのハウジングとサイドプレート、中間プレートの異なる領域の温度差、および関連する熱膨張の不均衡を克服するために、エンジンの高温部分から低温部分へ熱を輸送するヒートパイプが使用されてきた。「ヒートパイプ」は高温の排気ガスをエンジンの低温部分に効果的に導き、効率と性能の低下を招く。小排気量、チャージ冷却ローター、空冷ハウジングのヴァンケルエンジンでは、最高エンジン温度が 231 °C から 129 °C (448 °F から 264 °F) に低下し、エンジンの高温部分と低温部分の最大温度差が 159 °C から 18 °C (286 °F から 32 °F) に低下することが実証されている。[129]
- アペックスシールの解除
- 遠心力によりアペックスシールがハウジング表面に押し付けられ、しっかりとシールされます。遠心力とガス圧の不均衡が生じると、軽負荷運転時にアペックスシールとトロコイドハウジングの間に隙間が生じることがあります。エンジン回転数が低い場合や低負荷の場合、燃焼室内のガス圧によりシールが表面から浮き上がり、燃焼ガスが次の燃焼室に漏れることがあります。マツダはトロコイドハウジングの形状を変更し、シールがハウジングと同一面を保つようにするという解決策を開発しました。ヴァンケルエンジンを高回転で持続的に使用するとアペックスシールの浮き上がりがなくなり、発電などの用途にも適しています。自動車では、このエンジンはシリーズハイブリッド用途に適しています。[130] NSUは、アペックスシールの片側にスロットを追加し、ガス圧をアペックスのベースに導くことでこの問題を回避しました。これにより、アペックスシールの浮き上がりが効果的に防止されました。[131]
2 次元では、ヴァンケルのシール システムは、対応する多気筒ピストン エンジンのシール システムよりもさらにシンプルに見えますが、3 次元ではその逆になります。概念図で明らかなローター頂点シールだけでなく、ローターはチャンバーの端に対してもシールする必要があります。
往復動エンジンのピストンリングは完全な密閉ではなく、膨張を許容する隙間がある。ヴァンケルローターの頂点の密閉は、メインシャフトケースではなく、サイクルの隣接するストロークの隣接するチャンバー間で漏れが発生するため、それほど重要ではない。密閉は長年にわたって改善されてきたが、主に潤滑不足が原因であるヴァンケルの密閉が不十分なため、効率を低下させる要因となっている。[132]
ロータリーエンジンの燃焼室の後端側には、炎の前面を押し戻すスクイーズ流が発生する。従来の1つまたは2つの点火プラグシステムと均質な混合気では、このスクイーズ流により、中速および高速エンジン回転域で炎が燃焼室の後端側に広がるのを防ぐことができる。[133]川崎重工は米国特許US 3848574でこの問題に対処した。トヨタは、前端側にグロープラグを配置し、吸気ダクトにリードバルブを使用することで、7%の燃費向上を実現した。2ストロークエンジンでは、金属製リードの寿命は約15,000 km (9,300マイル)であるのに対し、カーボンファイバー製では約8,000 km (5,000マイル)である。[75]チャンバーの後端側でのこの燃焼不良は、ヴァンケルの排気流に一酸化炭素と未燃炭化水素が多く含まれる理由の1つである。マツダ・レネシスで採用されているサイドポート排気は、未燃焼の混合気が逃げることができないため、この問題の原因の一つであるポートのオーバーラップを回避できる。マツダ26Bは、3つの点火プラグの点火システムを採用することでこの問題を回避し、吸入した混合気の完全な転換を実現した。26Bでは、上部の後方点火プラグが圧縮流の開始前に点火する。[134]
規制と課税
排気量に応じて自動車に課税する国家機関や自動車レースの規制機関は、ヴァンケルエンジンと4ストロークピストンエンジンを比較するためにさまざまな等価係数を使用しています。たとえばギリシャは、作動室容積(1つのローターの面)にローターの数を掛けて自動車に課税し、所有コストを下げました。[要出典]日本も同様の措置を講じましたが、等価係数を1.5に適用し、マツダの13Bエンジンが2リットルの税制限をわずかに下回るようになりました。FIAは等価係数を1.8としていましたが、後にベンジンガーが説明した排気量式を使用して2.0に引き上げました。ただし、DMSBはモータースポーツでは等価係数を1.5としています。[135]
自動車アプリケーション
販売された最初のロータリーエンジン車は1964年のNSUロータリースパイダーでした。ロータリーエンジンは、マツダがRX-8を廃止した2012年まで継続的に車に搭載されていました。マツダは2023年にロータリーエンジンハイブリッド電気自動車MX-30 R-EVを発表しました。[136]
NSUとマツダ
マツダとNSUは1961年にヴァンケルエンジンの開発研究契約を結び、ヴァンケルエンジン搭載車の最初の市場投入を競った。マツダはその年に実験的なロータリーエンジンを製造したが、NSUは1964年にスポーティなNSUスパイダーでロータリー自動車を初めて販売した。マツダはその年の東京モーターショーで2ローターと4ローターのロータリーエンジンを展示して対抗した。[11] 1967年、NSUはロータリーエンジンを搭載した高級車Ro 80の生産を開始した。[137]しかしNSUはマツダやカーチス・ライトとは異なり、ローター上の信頼性の高いアペックスシールを製造していなかった。NSUはアペックスシールの摩耗、シャフトの潤滑不良、燃費の悪さなどの問題を抱えており、エンジンの故障が頻繁に発生していたが、1972年まで解決されず、多額の保証費用がかかり、NSUのロータリーエンジン開発はそれ以上進まなかった。この新しいロータリーエンジンの時期尚早なリリースはすべてのメーカーの評判を落とし、1970年代後半にNSUが製造した最後のエンジンでこれらの問題が解決された後も、売上は回復しませんでした。[11]
1978年初頭までに、アウディのエンジニアであるリチャード・ファン・バッシュイセンとゴットリープ・ウィルマースは、アウディNSUヴァンケルエンジンの新世代であるKKM 871を設計しました。これは2ローターユニットで、チャンバー容積V kは746.6 cm 3で、偏心率17 mm、生成半径118.5 mm、等距離4 mm、ハウジング幅69 mmでした。両側に吸気ポート、周辺に排気ポートがあり、連続噴射のボッシュKジェトロニックマルチポイントマニホールド噴射システムが装備されていました。DIN 70020規格によれば、6500 rpmで121 kWを出力し、3500 rpmで最大トルク210 N·mを提供できました。[138]ヴァン・バスハイゼンとウィルマースは、排出ガス制御のために熱反応器または触媒コンバーターを備えたエンジンを設計した。[138]エンジンの質量は142kg、[138] BSFCは3000rpmで約315g /(kW·h)、BMEPは900kPaであった。[139]テスト用に、2つのKKM 871エンジンがアウディ100タイプ43テストカーに搭載され、1つは5速マニュアルギアボックス、もう1つは3速オートマチックギアボックスを備えていた。[140]
マツダ
マツダは、テストエンジンを高速で300時間故障なく運転し、アペックスシールの問題を解決したと主張した。[11]何年もの開発を経て、マツダ初のロータリーエンジン車は1967年のコスモ110Sだった。同社はバスやピックアップトラックなど、いくつかのヴァンケル(同社の用語では「ロータリー」)車を続いた。顧客は車の操作のスムーズさをよく評価した。しかし、マツダは炭化水素 排出基準に準拠する方法を選択したが、これは製造コストは低いものの、燃料消費量を増加させた。
マツダはその後、ほとんどの自動車設計でロータリーエンジンを放棄し、スポーツカーシリーズでのみエンジンを使用し続けました。同社は通常、2ローター設計を使用していました。より高度なツインターボ3ローターエンジンは、1990年のユーノスコスモスポーツカーに搭載されました。2003年、マツダはRX-8に搭載されたレネシスエンジンを発表しました。レネシスエンジンは、排気口をロータリーハウジングの周辺から側面に移動したため、全体的なポートが大きくなり、空気の流れが良くなりました。[141]レネシスは、公称2.6Lの排気量から、燃費、信頼性、および以前のマツダのロータリーエンジンよりも排出量が少なく、238馬力(177kW)の能力がありますが、 [142]より厳しい排出ガス基準を満たすには不十分でした。マツダは、より厳しいユーロ5排出ガス基準を満たさなかったため、2012年にロータリーエンジンの生産を終了したため、2023年までロータリーエンジンを搭載した道路車両を販売する自動車会社はなくなった。[143]
マツダは2023年3月にヴァンケルエンジンレンジエクステンダーを搭載したMX-30 R-EVハイブリッドを発売した。 [136]ヴァンケルエンジンは車輪と直接接続されておらず、バッテリーの充電のみを目的としている。これは830cm3(50.6in3)エンジンを搭載したシングルローターユニットで、定格出力は55kW(74hp)である。このエンジンはガソリン直噴、排気ガス再循環、三元触媒と微粒子フィルターを備えた排気ガス処理システムを備えている。このエンジンはユーロ6d-ISC-FCMに準拠している。[144] [145]
シトロエン
シトロエンは多くの研究を行い、シトロエンとNSUの合弁会社である コモトールが製造したエンジンを使用して、 M35とGSビロター車、およびRE-2 ヘリコプターを製造しました。
ダイムラー・ベンツ
ダイムラー・ベンツはC111コンセプトカーにヴァンケルエンジンを搭載した。C111-IIのエンジンは自然吸気で、ガソリン直噴式、4ローターだった。総排気量は4.8L(290立方インチ)、圧縮比は9.3:1だった。5,000rpmで最大トルク433N⋅m(44kp⋅m)を発生し 、6,000rpmで出力257kW(350PS)を発生した 。[53]
アメリカンモーターズ
アメリカン・モーターズ・コーポレーション(AMC)は、「ロータリーエンジンは将来の自動車やトラックの動力源として重要な役割を果たすだろう」と確信していたため、会長のロイ・D・チャピン・ジュニアは1年間の交渉の末、1973年2月に乗用車と軍用車両の両方にロータリーエンジンを製造すること、および製造したロータリーエンジンを他社に販売する権利を得る契約に署名した。[146] [147] AMCの社長ウィリアム・ルーネバーグは1980年まで劇的な発展は期待していなかったが、 AMCのエンジニアリング製品グループ副社長ジェラルド・C・マイヤーズは、AMCが独自のロータリーエンジンを開発する前にカーチス・ライトからエンジンを購入すべきだと提案し、1984年までにロータリー動力への完全移行を予測した。[148]
計画ではこのエンジンはAMCペーサーに搭載されることになっていたが、開発は延期された。[149] [150]アメリカンモーターズはこのエンジンを中心にユニークなペーサーを設計した。1974年までに、AMCは自社でエンジンを製造する代わりにゼネラルモーターズ(GM)のロータリーを購入することを決定した。 [151] GMとAMCの両社は、この関係が新しいエンジンのマーケティングに有益であることを確認し、AMCはGMのロータリーが優れた燃費を達成したと主張した。[152]ペーサーが市場に投入されたとき、GMのエンジンはまだ生産に至っていなかった。1973年の石油危機はロータリーエンジンの使用を妨げる一因となった。燃料価格の高騰と米国の排出ガス基準法案に関する憶測も懸念を高めた。
ゼネラルモーターズ
1973年5月の年次総会で、ゼネラルモーターズはシボレー ベガに搭載予定のヴァンケルエンジンを発表した。[153] 1974年までに、GMの研究開発部門は排出ガス規制と燃費の両方を満たすヴァンケルエンジンの開発に成功せず、同社はプロジェクトを中止する決定を下した。この決定により、研究開発チームは最新の研究結果を部分的にしか公開しなかったが、その研究では燃費の問題を解決し、寿命が53万マイル(85万キロ)を超える信頼性の高いエンジンを開発したと主張していた。中止命令が出された際には、これらの調査結果は考慮されなかった。GMのロータリープロジェクトが終了したため、エンジンを購入する予定だったAMCは、後輪を駆動するAMC直列6気筒エンジンを搭載するようにペーサーを再構成する必要があった。 [154]
アフトワズ
1974年、ソ連は特別なエンジン設計局を設立し、1978年にVAZ-2101車に搭載されるVAZ-311エンジンを設計した。[155] 1980年、同社はVAZ-2106車にVAZ-411ツインローターヴァンケルエンジンの納入を開始し、約200台が製造された。生産のほとんどは治安機関に送られた。[156] [157]
フォード
フォードはロータリーエンジンの研究を行い、以下の特許を取得しました。GB 1460229、1974年、ハウジングの製造方法、US 3833321、1974年、サイドプレートコーティング、US 3890069、1975年、ハウジングコーティング、CA 1030743、1978年: ハウジングアライメント、CA 1045553、1979年、リードバルブアセンブリ。1972年、ヘンリー・フォード2世は、ロータリーが「私の生きている間に」ピストンに取って代わることはおそらくないだろうと述べました。[158]
カーレース
マツダ787B
マツダ 12A エンジンを搭載したシグマ MC74 は、1974 年のル・マン 24 時間レースで西欧と米国以外から参加した最初のエンジンであり、唯一のチームでした。MC74 のドライバーは寺田陽次郎でした。マツダは西欧と米国以外から参加したチームとして初めてル・マンで優勝しました。また、ピストンエンジン以外でル・マンを制した唯一の車でもあり、同社は 1991 年に 4 ローターの 787B (排気量 5.24 L または 320 cu in、FIA の公式では 4.708 L または 287 cu in) でこの勝利を達成しました。C2 クラスでは、すべての参加者に同じ量の燃料が使用されました。唯一の例外は、規制されていない C1 カテゴリ 1 でした。マツダは当初、830kgの重量で自然吸気車として分類され、スーパーチャージャー付きの競合車よりも170kg軽量でした。[159] 1991年のグループC1カテゴリー1規制の対象となる車は、787Bよりもさらに80kg軽量であることが認められました。[160]さらに、グループC1カテゴリー1では3.5リットルの自然吸気エンジンのみが許可され、燃料量の制限はありませんでした。[161]
車両航続距離延長装置として

シリーズハイブリッド車の構造。灰色の四角は差動ギアを表します。別の配置(図示せず)は、2 輪または 4 輪に電気モーターを配置することです。
ヴァンケルエンジンは小型でパワーウェイトレシオが高いため、電気自動車の航続距離延長装置として、電池残量が少ないときに補助電力を供給することが提案されている。発電機として使用されるヴァンケルエンジンは、乗用車で使用する場合、パッケージング、騒音、振動、ハーシュネスの面で利点があり、車内の乗客と荷物スペースを最大化するとともに、騒音と振動の排出プロファイルが良好である。しかし、ヴァンケルエンジンの固有の欠点により、ヴァンケルエンジンを乗用車の航続距離延長装置として使用できるかは疑問である。[162]
2010年、アウディはシリーズハイブリッド電気自動車のプロトタイプ、A1 e-tronを発表しました。この車には、5000rpmで18kWを出力できる、容積Vkが254cm3のヴァンケルエンジンが搭載されていました。このエンジンは発電機と連動しており、必要に応じて車のバッテリーを充電し、電気駆動モーターに直接電力を供給していました。パッケージの質量は70kgで、15kWの電力を出力できました。[163]
マツダ2 EVプロトタイプ
2013年11月、マツダは自動車プレスに、ヴァンケルエンジンをレンジエクステンダーとして採用したシリーズハイブリッドプロトタイプカー、マツダ2 EVを発表しました。後部ラゲッジフロアの下に設置された発電機エンジンは、小型でほとんど聞こえないシングルローター330ccユニットで、4,500rpmで30馬力(22kW)を発生し 、20kWの連続電気出力を維持します。[164] [165] [166]
マツダは2023年3月にヴァンケルエンジンレンジエクステンダーを搭載したMX-30 R-EVを導入した。 [136]この車のヴァンケルエンジンは、自然吸気シングルローターユニットで、チャンバー容積Vkは830cm3 (50.6in3 ) 、圧縮比は11.9 、定格出力は55kW(74hp)です。ガソリン直噴、排気ガス再循環、 TWCと微粒子フィルターを備えた排気ガス処理システムを備えています。auto motor und sportによると、このエンジンはEuro 6d-ISC-FCMに準拠しています。[144] [145]
オートバイ用途
最初のヴァンケルエンジン搭載バイクはMZ製のMZ ES 250で、水冷式のKKM 175 Wヴァンケルエンジンを搭載していた。1965年には空冷式バージョンが発売され、KKM 175 Lと呼ばれた。このエンジンは6,750 rpmで24 bhp (18 kW) を出力したが、このバイクは量産されることはなかった。[167]
ノートン
英国では、ノートン・モーターサイクルズが、 DKW/ヘラクレス W-2000 オートバイに搭載されていたザックスの空冷ローター・ヴァンケルをベースに、オートバイ用のヴァンケル・ロータリー・エンジンを開発した。この 2 ローター・エンジンは、コマンダーとF1に搭載された。ノートンは、プレナム・チャンバーを導入してザックスの空冷を改良した。スズキも、エンジン寿命を延ばす試みとして、フェロTiC合金のアペックス・シールと NSU ローターを 使用して、ヴァンケル・エンジンを搭載した量産オートバイRE-5を製造した。
1980年代初頭、ノートンはBSAでの以前の研究成果を利用して、空冷ツインローターのクラシックを生産し、続いて液冷のコマンダーとインターポール2(警察バージョン)を生産した。[168]その後のノートン・ワンケルバイクには、ノートンF1、F1スポーツ、RC588、ノートンRCW588、NRS588があった。ノートンは「NRV588」と呼ばれる新しい588ccツインローターモデルと「NRV700」と呼ばれる700ccバージョンを提案した。[169]ノートンの元メカニック、ブライアン・クライトンは「ロトン」と呼ばれる独自のロータリーエンジンバイクラインの開発を開始し、オーストラリアのレースで数回優勝した。
レースでの成功にもかかわらず、[170] 1992年以降、ヴァンケルエンジンを搭載したオートバイは一般向けに販売されておらず、公道での使用は禁止されている。
ヤマハ
1972年、ヤマハは東京モーターショーでRZ201を発表しました。これは重量220kg、ツインローター660ccエンジンから60馬力(45kW)を生み出すヴァンケルエンジンのプロトタイプです(米国特許N3964448)。1972年にカワサキは2ローターのカワサキX99ロータリーエンジンプロトタイプを発表しました(米国特許N3848574および3991722)。ヤマハとカワサキはどちらも、初期のヴァンケルの燃費の悪さ、排気ガスの量、エンジンの寿命の短さという問題を解決したと主張しましたが、どちらのプロトタイプも生産には至りませんでした。
ヘラクレス
1974年、ヘラクレスはW-2000ヴァンケルバイクを生産したが、生産台数が少なかったためプロジェクトは採算が取れず、1977年に生産が中止された。[171]
鈴木
1975年から1976年にかけて、スズキはRE5シングルローターヴァンケルバイクを生産した。これは複雑な設計で、液体冷却とオイル冷却の両方、および複数の潤滑システムとキャブレターシステムを備えていた。動作は良好でスムーズだったが、重量があり、出力が62馬力(46kW)と控えめだったため、売れ行きは芳しくなかった。[172] スズキは複雑な油冷および水冷システムを選択した。排気管は非常に熱くなるため、スズキはフィン付き排気マニホールド、冷却グリル付きのツインスキン排気管、耐熱パイプラッピング、ヒートシールド付きサイレンサーを選択した。スズキには3つの潤滑システムがあり、ガーサイドはメインベアリングと吸気マニホールドの両方に給油する単一の全損失オイル噴射システムを持っていた。スズキはかなりスムーズだが、4,000rpmで荒れた部分があるシングルローターを選択した。スズキは巨大なローターをフレームの高い位置に取り付けた。[173] ハンドリングは良好と評されていたものの、結果的にはスズキは重く、複雑で、製造コストが高く、62馬力ではパワー不足であった。
ヴァン・ヴィーン
オランダのオートバイ輸入・製造業者であるヴァン・ヴェーン社は、1978年から1980年にかけて、余剰のコモターエンジンを使用して、デュアルローター・ヴァンケルエンジン搭載のOCR-1000オートバイを少量生産した。OCR 1000エンジンは、当初シトロエンGSビロター車用に設計されたKKM 624エンジンを改造したものを使用した。[174]これにより、点火ディストリビューターがハルティグ社の電子マップ点火装置に置き換えられた。[175]
非道路車両用途
航空機

ヴァンケルRC2-60航空ロータリーエンジン

英国ミッドウェストAE110ツインローターヴァンケルエンジンを搭載したARVスーパー2

ダイヤモンドDA20
シコルスキー サイファー無人航空機 (UAV)

1975年のシトロエン RE-2 ヘリコプター
原則として、ロータリーエンジンは軽量、コンパクト、振動がほとんどなく、パワーウェイトレシオが高いため、軽飛行機に最適です。ロータリーエンジンの航空上の利点には、他にも次のようなものがあります。
- エンジンは降下中に「衝撃冷却」の影響を受けません。
- エンジンは高出力時の冷却に濃縮混合物を必要としません。
- 往復部品がないため、エンジンが設計された最大値よりも高い速度で回転しても損傷を受ける可能性が低くなります。
自動車やオートバイとは異なり、ロータリー式航空エンジンは飛行前の点検に時間がかかるため、フルパワーが要求される前に十分に温まっている。また、滑走路までの移動中に冷却が最小限に抑えられるため、離陸時にエンジンがフルパワーで作動できる温度に達することができる。[176]ヴァンケル式航空エンジンは、アイドリングをほとんど行わず、ほとんどの時間を高出力で稼働している。
ロータリーエンジンは比較的高い回転速度で動作するため、出力軸の回転速度が 6,000 rpm の場合、ローターはその速度の約 3 分の 1 でしか回転しません。トルクが比較的低いため、プロペラ駆動の航空機では、プロペラを設計速度範囲内に維持するためにプロペラ減速装置を使用する必要があります。ヴァンケルエンジンを搭載した実験用航空機では、プロペラ減速装置が使用されています。たとえば、MidWestツインローターエンジンには、2.95:1 の減速ギアボックスが搭載されています。
最初のロータリーエンジン航空機は、1960年代後半、アメリカ陸軍の偵察機QT-2の実験的な民間版であるロッキードQスターであり、基本的には動力付きのシュバイツァーグライダーでした。[177]この飛行機は、185馬力(138kW)のカーチスライトRC2-60ヴァンケルロータリーエンジンを搭載していました。[178]同じエンジンモデルは、セスナカーディナルやヘリコプター、その他の飛行機にも使用されました。[118] [179] [180]フランスの会社シトロエンは、1970年代にロータリーエンジンを搭載したRE-2 ヘリコプターを開発した。[181]ドイツでは、1970年代半ばに、改造されたNSUマルチローターロータリーエンジンを搭載したプッシャーダクテッドファン飛行機が、民間版と軍用版の両方で開発され、ファンライナーとファントレーナーが開発されました。[182]
ロータリーエンジンを搭載した実物大の航空機の最初の実験とほぼ同時期に、日本の有名なOSエンジン社と当時存在していたドイツのグラウプナー航空模型製品会社の共同事業により、NSUからのライセンスを受けて模型航空機サイズのロータリーエンジンが開発されました。グラウプナーモデルのヴァンケルエンジンは、燃焼室容積V kが4.9 cm 3で、16,000 rpm −1で460 Wを出力します。質量は370 gです。これは日本のOSエンジン社によって製造されました。[183]
ロータリーエンジンは、 ARV Super2などの自家製実験機に搭載されており、そのうちのいくつかはイギリスのミッドウェスト航空エンジンを搭載していました。そのほとんどは、マツダ12Aおよび13B自動車エンジンを航空用に改造したものです。これは、認定された航空機エンジンの非常に費用対効果の高い代替品であり、従来のピストンエンジンの数分の1のコストで100〜300馬力(220kW)のエンジンを提供します。これらの改造は、1970年代初頭に最初に行われました。フライング誌の寄稿編集者であるピーター・ギャリソンは、「私の意見では、航空用途で最も有望なエンジンはマツダのロータリーです」と書いています。[184]
グライダーメーカーのシュライヒャーは、自走式飛行機モデルASK - 21 Mi、ASH-26E、 [187] ASH-25 M/Mi、ASH-30 Mi、 ASH-31 Mi 、ASW-22 BLE、ASG-32 MiにオーストロエンジンAE50Rヴァンケル[185] [186]を採用している。
2013年、英国ケンブリッジに拠点を置くe-Goエアプレーンズは、ロトロンパワー社のロータリーエンジンを新しい単座カナード航空機に搭載すると発表した。[188]
シーメンス、ダイアモンド・エアクラフト、EADSが設計したDA36 E-Starは、直列ハイブリッドパワートレインを採用しており、プロペラはシーメンスの70kW(94馬力)電気モーターで回転する。燃料消費量と排出量を最大25%削減することを目指している。機内に搭載された40馬力(30kW)のオーストロ・エンジンのロータリーエンジンと発電機が電力を供給する。プロペラ減速装置は不要になった。電気モーターは、発電機エンジンをオフにした状態でバッテリーに蓄えられた電力を使用して離陸し、上昇することで騒音を低減する。ヴァンケルエンジンを使用した直列ハイブリッドパワートレインにより、機体の重量は前身機に比べて100kg軽量化された。DA36 E-Starは2013年6月に初飛行し、直列ハイブリッドパワートレインとしては初の飛行となった。ダイアモンド・エアクラフトは、ロータリーエンジン技術は100席の航空機にまで拡張可能であると主張している。[189] [190]
列車
2015年以来、ドイツでは合計60本の列車にディーゼル燃料を燃焼するヴァンケルエンジンの補助動力システムが搭載されている。機関車はWST KKM 351ヴァンケルディーゼル燃料エンジンを使用している。[108]
その他の用途

UEL UAV-741無人航空機用ヴァンケルエンジン
ヴァンケルエンジンは、チェーンソーなどの手持ち式装置など、人間の操作者がエンジンの近くにいる装置に適しています。[191]優れた始動性と低質量により、ヴァンケルエンジンはポータブル消防ポンプやポータブル発電機の優れた動力源にもなります。[192]
小型のヴァンケルエンジンは、ゴーカート、パーソナルウォータークラフト、航空機の補助動力装置などの用途に使用されています。 [193] 川崎重工は混合冷却ロータリーエンジンの特許を取得しました(米国特許3991722)。日本のディーゼルエンジンメーカーであるヤンマーとドイツのドルマーザックスは、ロータリーエンジンのチェーンソー(SAEペーパー760642)と船外機を製造しており、フランスのウティルスウルフはヴァンケルロータリーエンジンを搭載した芝刈り機(ロトンドール)を製造していました。ローターは製造コストを節約するために水平位置にあり、下側にはシールがありませんでした。
ロータリーエンジンはシンプルなため、ミニ、マイクロ、マイクロミニのエンジン設計に適しています。カリフォルニア大学バークレー校の微小電気機械システム(MEMS) ロータリーエンジン研究所では、直径1 mm、排気量0.1 cc未満のロータリーエンジンの開発を研究していました。材料にはシリコンが含まれ、動力には圧縮空気が含まれます。このような研究の目標は、最終的に100ミリワットの電力を供給できる内燃機関を開発することであり、エンジンは発電機のローターとして機能し、エンジンローターには磁石が組み込まれていました。 [194] [195]カリフォルニア大学バークレー校での小型ロータリーエンジンの開発は、DARPA契約の終了とともに中止されました。
1976年、Road & Track誌は、インガソル・ランド社が、 1,500 in 3 (25 dm 3 )のチャンバー容積V k を持ち、定格出力がローター当たり500 hp (373 kW)のワンケルエンジンを開発すると報じた。 [196]結局、提案されたエンジンは、排気量が大きくなったとはいえ13台が製造され、合計9万時間以上の運転時間をカバーした。エンジンは、 2,500 in 3 (41 dm 3 )のチャンバー容積V kを持ち、ローター当たり550 hp (410 kW)の出力を持つように作られた。シングルローターとツインローターの両方のエンジンが製造された(それぞれ550 hp (410 kW)と1,100 hp (820 kW)を出力)。エンジンは天然ガスで稼働し、その用途のためエンジン回転数は比較的低かった。[197]
ディア・アンド・カンパニーは1984年2月にカーチス・ライト社のロータリー部門を買収し、大型車両向けに11リットルのローターを搭載した大型多燃料プロトタイプを製造した。[198] [199] [200]開発者は層状充填コンセプトの使用を試みた。[198]この技術は1991年にRPIに移管された。[201] [202]
日本のヤンマーは、チェーンソーや船外機用の小型のチャージ冷却式ロータリーエンジンを製造した。[203]同社の製品の一つは、排気ガスプロファイルが改善されたLDR(燃焼室前縁のローターリセス)エンジンと、部分負荷および低回転性能を向上させるリードバルブ制御の吸気ポートを備えている。[204]
1971 年と 1972 年に、アークティック キャットはドイツ製のザックス KM 914 303 cc および KC-24 294 cc ヴァンケル エンジンを搭載したスノーモービルを製造しました。
1970 年代初頭、Outboard Marine Corporation は、Johnson などのブランドで、35 または 45 馬力 (26 または 34 kW) の OMC エンジンを搭載したスノーモービルを販売していました。
ドイツの Aixro は、294 cc チャンバーのチャージ冷却ローターと液冷ハウジングを備えたゴーカート エンジンを製造、販売しています。他のメーカーには、Wankel AG、Cubewano、Rotron、Precision Technology などがあります。
非内燃機関

小倉ヴァンケル空調システムコンプレッサー
内燃機関としての用途に加えて、基本的なヴァンケル設計は、ガスコンプレッサーや内燃機関用スーパーチャージャーにも使用されていますが、これらの場合、設計は信頼性の点で依然として利点がありますが、4ストローク内燃機関に対するヴァンケルの主な利点であるサイズと重量は無関係です。ヴァンケルエンジンでヴァンケルスーパーチャージャーを使用する設計では、スーパーチャージャーはエンジンの2倍の大きさになります。
ヴァンケル設計は、一部のメルセデスベンツ[206]とフォルクスワーゲン[207]の車のシートベルトプリテンショナーシステム[205]に使用されています。減速センサーが衝突の可能性を検知すると、小さな爆発カートリッジが電気的に作動し、その結果生じた加圧ガスが小さなヴァンケルエンジンに送り込まれ、回転してシートベルトシステムのたるみを吸収し、衝突前に運転手と乗客をシートにしっかりと固定します。[208]
参照
- ゼネラルモーターズ ロータリー燃焼エンジン
- ガンダーソン 万能マシン
- マツダ RX-8 ハイドロジェンRE
- マツダ ヴァンケルエンジン
- メルセデスベンツ M 950
- メルセデスベンツ C111
- ヴァンケルモデルエンジンの唯一の認可メーカーであるOSエンジン
- ピストンレスロータリーエンジン
- クアシタービン
- RKMエンジン
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。この
記事
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便宜上V
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外部リンク
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{{cite magazine}}: CS1 maint: postscript (link) - Ludvigsen, Karl (2003)。「ヴァンケルエンジンの大きさは?」Bentley Publishers。
