直噴技術がロータリーエンジンを救う？ DISC-REの可能性 [きつねうどん★]

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ロータリーエンジン：REの進化を加速させるには、REならではの機構があってしかるべき。そのひとつとして研究が進められているのが、DISC（直噴層状給気燃焼方式）だ。ロータリー四十七士のひとりでもある研究者、室木巧氏に聞いた。 TEXT：松田勇治（Yuji MATSUDA） ILLUSTRATION：熊谷敏直（Toshinao KUMAGAI） FIGURE：NASA

ロータリーエンジン：REには、REなりの「最適解」があってもおかしくない。機械的にはともかく、機構の面ではもっとREに親和性の高いカタチがあるのではないだろうか？　ここで紹介するDISC-REのように、一部に手を加えるだけで、その可能性を大きく高めるような事柄が、他に存在していても、まったくおかしくはない。

DISCはDirect Ignition Stratified-Charge Combustionの略。日本語にすると「直接噴射式成層燃焼」ということになる。通常のREと異なるポイントは、大別して2点。まず、その名の通りに筒内噴射による成層燃焼を前程とすること。当然、リーン燃焼を視野に入れてもいる。リーン燃焼は通常のREでも試み続けられてきたテーマだが、DISC-REは、リーンな混合気でも安定した燃焼を実現するため、パイロット点火方式を採用するのがもうひとつのポイントである。

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左が通常の火花点火による筒内噴射RE、右がDISC-RE。パイロット噴射がグロープラグによって着火した火炎のエネルギーで、メイン噴射の燃料に着火、リーン混合気でも良好な燃焼を実現する、とされた。現代のDE用ノズルなどを用いれば、実用化はそう困難ではないと思えるのだが……。

REの構造的な弱点のひとつに、未燃ガスの多さがある。特に冷間始動直後など、作動室トレーリング側のローターアペックス付近には未燃ガスが生じやすい。これが排ガス成分中のHCを増やし、カーボン堆積の原因になっている。

作動室の長さそのものは、大排気量レシプロのボアと大差ないレベルといえる。しかし、レシプロは円筒の中央部で点火するから、周囲に火炎が伝播する距離はボア径の半分程度で済む。プラグ電極から見ると、すべての方向へほぼ均等な空間が広がってもいる。加えて燃焼室自体もペントルーフ型など、遠い部分まで圧力変動がスムーズに行なわれるよう配慮した形状が主流になっている。

対してREの場合、ローターとトロコイド面の形作る形状は常に変動しながら移動する。さらに点火は、ローターのアペックスがトレーリング側プラグ近傍に来たタイミングで行なわれる。つまり、そもそも不均等な、しかも移動方向に対して長い形状の空間の中で燃焼が行なわれる。

火炎伝播速度や燃焼圧力の絶対値から考えると、その程度の事柄は無視できるのかもしれないが、ここで困るのが、現状のポート噴射REは作動室内の混合気のA/Fを均一にしにくく、リッチなゾーンができてしまうなどして、供給空燃比と燃焼空燃比に隔たりが生じることだ。また、ローターの熱容量の大きさも関係している。吸入された混合気のうち、リッチな混合気が冷たいローターに付着し、さらにそれが着火の時点で作動室のトレーリング側に位置していたら、なかなか燃えにくいことは直感的に理解できるだろう。REが単室あたりに、点火プラグをトレーリング側、リーディング側に各1本ずつ採用しているのはその対策である。

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DISC-REの作動説明図をNASAのアーカイブから制作したイラスト。吸気から排気行程を示している。注目したいのは点火行程。パイロットノズルから噴射した燃料が、スパークプラグによって着火しつつリセスのトレーリング側に向かって行く瞬間を描いている。ローターリセス形状がLDR（Leading Deep Reces）になっている点にも注目。飛んでくる火炎を“受け”つつ、メイン噴射ノズルからの混合気と合流させるため、このタイプのDISC-REではLDR形状が主流であったようだ。