Rotary engine - Rotary engine

An engine in which the piston rotates inside a cylinder around one point. In 1759, Watt created the first rotary steam engine, but it never came into use. The rotary engine was considered the ideal internal combustion engine because of the smoothness of its rotary motion, but it had shortcomings in terms of airtightness and durability, and for a long time it was not put to practical use. Reciprocating engines, which are easier to keep airtight because the piston moves in a straight line inside the cylinder, came into widespread use.

Comparing reciprocating engines and rotary engines, the former has the disadvantages of large vibrations due to its large reciprocating mass, the inability to rotate at high speeds, the need for a crank mechanism to convert reciprocating motion into rotary motion, which makes it large and heavy, and the burden on the bearings being heavy. On the other hand, the latter has the advantage of having less vibrations because it only uses rotary motion, and the burden on the bearings is relatively constant. However, it has the disadvantage that the direction of rotation is constant, making lubrication difficult, and it is not as easy to maintain airtightness as with reciprocating engines. In particular, with internal combustion engines, the problems of airtightness and lubrication cannot be solved because of the high-pressure, high-temperature gas, so it was first developed with compressors that did not have any problems with high-temperature gas, and then, as materials improved, it came to be built as an internal combustion engine.

The first rotary engine to be used for practical purposes was the Gnome aircraft engine, designed and built by the French brothers Louis and Laurent Sequin in the early 20th century. This was a star-shaped engine in which the cylinder and crankcase rotated around a fixed crankshaft. Later, around 1920, the French Esselbe built a rotary piston engine in which a partition-shaped piston rotated inside a tire-shaped cylinder, and compression, combustion, and expansion were controlled by a rotary valve installed in the cylinder. The rotary valve engines that were announced one after another, including this one, had problems with maintaining airtightness and lubrication, and were not put to practical use.

In Japan, in 1932 (Showa 7), Murakami Shosuke (1878-1949), a graduate of the Department of Mechanical Engineering at Kyoto Imperial University, patented an oscillating rotary piston engine in which two sets of pistons rotate while approaching and moving away from each other. This used a set of elliptical gears to change the speed of the pistons rotating on the same axis, increasing or decreasing the volume between the pistons to allow for intake, compression, and expansion, which made it somewhat easier to maintain the airtightness of the cylinder, but problems remained with the lubrication between the seal and the cylinder. Subsequent prototypes were made using rotating vanes instead of pistons, but none of these were put to practical use.

On the other hand, pseudo-rotary piston engines were invented that combine the rotational motion of the crankshaft with the action of an eccentric shaft rather than a purely rotary motion. A representative example of this is the Wankel engine, which was developed from a compressor created by Felix Wankel (1902-1988) of Germany in 1951 and put to practical use as an engine in 1959. It rotates at one-third the speed of the crankshaft, and a triangular rotor whose center is slightly offset from the center of the crankshaft becomes the piston, and the trajectory of its corner (outer envelope) becomes the cylinder, and the space between the piston and the cylinder changes in volume the same as the stroke of a four-stroke engine. With the advancement of seal materials, this engine was put to practical use by Mazda in Japan and is used in automobiles. The advantages of a turbocharger are that it has little eccentricity, extremely little vibration, the output shaft rotates three times faster than the piston, making it easy to rotate at high speeds, it can be made multi-cylinder relatively easily, and since there is space for three cylinders in a reciprocating engine in one cylinder housing, it can process a large amount of air for its external size, and its size per output is small. However, unlike a reciprocating engine, a high-speed flow occurs in the combustion chamber that is faster than the circumferential speed of the rotating piston, making it more difficult to complete combustion than with a reciprocating engine, there is a large heat loss, and since there are no intake or exhaust valves, there is a lot of residual exhaust gas, especially at low loads like a two-stroke engine, which mixes with the intake air and causes incomplete combustion, and the fuel consumption rate is not very good. However, the low vibration and small external dimensions are advantageous for use in automobiles. In the 21st century, improvements have been made to the disadvantages, such as the arrangement of the exhaust and intake ports, and engines that have achieved significant exhaust purification and improved thermal efficiency have been put into practical use, and were installed in commercial vehicles in 2003. However, it is becoming difficult to comply with ever-stricter exhaust gas purification requirements, and hopes are high for the practical application of direct-injection stratified intake pilot flame ignition engines, which have been researched by Curtiss-Wright and other companies, and engines that use harmless hydrogen fuel, which has been on limited sale since 2006. In Japan, the Wankel engine is called the rotary engine.

[Masatake Yoshida]

"The History of Power - The Story of the Men Who Devoted Their Lives to Power (New Edition)" by Kiyoshi Tomitsuka (2008, Miki Shobo) " "Automotive Technology Series 1: Dream Engines of the Future (The History of Technological Development and a Message to the Future)" edited by Takeyuki Kamimoto (2009, Society of Automotive Engineers of Japan)" "John Robert Day Engines: The Search for Power (1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

ピストンが一点を中心としてシリンダー内を回転するエンジン。1759年ワットがロータリー蒸気機関を初めてつくったが使用するに至らなかった。ロータリーエンジンは回転運動の滑らかさから理想の内燃機関と考えられたが、気密保持、耐久性に欠点があって長い間実用化されず、ピストンがシリンダー内を直線運動するために気密保持の容易なレシプロエンジン（往復動機関）が多用された。

　レシプロエンジンとロータリーエンジンを比較すると、前者は、往復質量が大きいために振動も大きく、回転数もあまり高くできないこと、往復運動を回転運動に変えるためクランク機構が必要で大きく重くなること、軸受に大きな負荷がかかるなどが欠点となっている。一方、後者は、回転運動のみであるから振動が少なく、軸受などへの負荷が比較的一定しているなどの利点がある。しかし、回転方向が一定で潤滑が困難などの欠点があり、往復型エンジンほど気密を保つのが容易でない。とくに内燃機関では、高圧高温ガスになるため気密と潤滑の問題が解決できず、初めは高温ガスに問題のない圧縮機で発達し、その後、材質面の進歩とともに内燃機関としてつくられるようになった。

　ロータリーエンジンが初めて実用機関としてつくられたのは、20世紀初頭、フランスのセカン兄弟Louis et Laurent Sequinが設計・製作したグノームGnome航空機用エンジンである。これは、固定されたクランク軸の周りをシリンダーとクランク室が回転する星形のものであった。その後1920年ごろフランスのエッセルベEsselbeが製作した回転ピストン型エンジンは、タイヤ形シリンダーの中を仕切り板状ピストンが回転、シリンダーに設けられたロータリー弁によって圧縮、燃焼、膨張を制御するものであった。これを含めて相次いで発表されたロータリー弁による機関は、気密保持、潤滑の面で難点があり実用化されていない。

　日本では1932年（昭和7）、京都帝国大学機械工学科出身の村上正輔(しょうすけ)（1878―1949）が、二組のピストンが互いに近接したり離れたりしながら回転する揺動回転ピストン機関の特許をとった。これは、一組の楕円(だえん)形の歯車で同一軸上に回転するピストンの速度を変化させ、ピストン間の体積増減を図って吸入、圧縮、膨張させるもので、シリンダーの気密保持の点では多少容易となったが、シールとシリンダー間の潤滑に問題が残った。またその後、回転ベーンをピストンの代用としたものなどが試作されたが、いずれも実用化されずに終わった。

　一方、完全な回転運動ではなく、偏心軸によるクランク軸の作動と回転運動を組み合わせた擬ロータリー・ピストンエンジンが考案された。これは、1951年にドイツのフェリックス・バンケルFelix Wankel（1902―1988）のつくった圧縮機から発達し、1959年にエンジンとして実用化されたバンケルエンジンが代表的なもので、クランク軸の3分の1の速さで回転し、中心がクランク軸の中心と少しずれている三角形状の回転体がピストンとなり、その角の軌跡（外包絡線）がシリンダーとなるもので、ピストンとシリンダー間の一つの空間が、4行程機関（4サイクルエンジン）の行程と同じ体積変化をする。この機関は、シールの材質の進歩とともに日本のマツダ社で実用化され、自動車用として使用されている。偏心量は少なく、きわめて振動の少ないこと、出力軸はピストンの3倍の速さで回転するので高速回転が容易であること、比較的容易に多気筒化できること、一つのシリンダーハウジング内にレシプロエンジンの3気筒分の空間があるので、外形の大きさのわりに多量の空気を処理でき、出力当りの大きさが小さい利点がある。しかし、レシプロエンジンとは異なり、燃焼室内に回転ピストンの周速度以上の高速の流れが生じ、燃焼を完全にするのがレシプロより困難であること、熱損失が大きいこと、また吸排気弁がないため2行程機関と同様にとくに低負荷で残留排気が多く、吸気と混合し燃焼を不完全にするなどの欠点があり、燃料消費率はあまりよくない。しかし、振動が少ないこと、外形寸法が小さいことは、自動車用としては有利である。21世紀に入り、排気ポートと吸気ポートの配置など欠点の改良が進められ、大幅に排気清浄化と熱効率向上を果たしたエンジンが実用化され、2003年に市販車に搭載されている。しかし、さらに厳しくなる排気清浄化に対しては対応が困難になってきており、カーチスライト社などで研究されてきた直噴層状吸気パイロット火炎点火方式のエンジンや、2006年より限定販売されている無害排気の水素燃料を用いるエンジンの実用化が期待される。なお、日本ではバンケルエンジンをロータリーエンジンとよんでいる。

［吉田正武］

『富塚清著『動力の歴史――動力にかけた男たちの物語（新装版）』（2008・三樹書房）』▽『神本武征監修『自動車技術叢書1　夢の将来エンジン（技術開発の軌跡と未来へのメッセージ）』（2009・自動車技術会）』▽『John Robert DayEngines ; The Search for Power(1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)』

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例