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がくのロータリー人生

二代目マツダルーチェと三代目プレマシーやC56に乗るがく




MAZDA Rotary Engine Anti Pollution System マツダ ロータリー エンジン アンチ ポリューション システム [ リープス ]




今現在、日本の排出ガス規制は、厳しくなってきている。
しかし、日本の自動車メーカーは、それをクリアし続けている。
今では、モーターで駆動され、走るクルマまで出現してきた。
排出ガス規制は、かつてより、より重要であり厳しいものになってきたといえるだろう。
今から、約30年前、初めて自動車が直面した、排出ガス規制という難関に果敢に、挑戦したメーカー
があった。東洋工業(現 マツダ)と本田技研工業である。
トヨタ、日産が、実現不可能であると表明した、規制に対し、東洋工業と本田技研はいち早く、回答を
見つけ出し、いち早く低公害車を売り出した。
今現在では、その規制は緩いものといえるし、既に過去の技術のものといえる。
マツダが当時、用いたREAPSは、今では、本の中でしか知る事が出来なくなりつつある。
旧車乗りの方々は、ここに掲載する事は知っている方々ばかりと思う。
そして、一般人は知りたいと思う事が限りなく0に近い内容ではあると思う。
が、最もマツダのロータリーエンジンが改良されまくった時期でありロータリーエンジンに、興味を
持った中高生が、いったい何人いるかはわからないが、そのような方々、および、RX-8の発売により、
ロータリーエンジンに興味を持った方々も、かつての話を知ってしまったら、さらに、現在のロータリー
がいとおしくなるなるかもしれない内容を、ここでは載せてみたいのです。

排出ガスについて

排出ガスの規制の歴史

リープスの構成

点火コントロール

サーマル・リアクタの効果

サーマル・リアクタの弱点

燃費改善

REAPS-4・その改良点

REAPS-5・その改良点

点火コントロール・パターン

その後


排出ガスについて

 自動車から出る排出ガスは、3種類に区分できます。

   ・排気管から排出される排ガス
   ・クランクケース、インターミディエイトハウジングから排出されるブローバイガス
   ・燃料タンク、キャブレタ、燃料噴射装置から排出される燃料の蒸発ガス      以上の3種です。

 排ガスには、CO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)、NOx(窒素酸化物)、CO2(二酸化炭素)が含まれ、ブローバイガス、及び、蒸発ガスにはHCが含まれます。
 COは、CO2になれなかったもので、CO2は、人体には無害な炭酸ガスといえますが、COは、自殺などに有効なものです。
 HCは、CmHnで表される炭化水素の総称で、ガソリンがエンジン内で燃焼できない時に、ガソリンが分解され、メタンに変化したものであります。前述の通り、自動車各部から発生する物質で、HC自体は、それほど有害とはいえないものです。ガソリンの大部分は燃焼して水分となり、水蒸気として、排気管から排出されます。
 NOxは、NO、NO2など、窒素酸化物の総称で、空気の主成分である、窒素が高温の燃焼熱により、酸素と結合して排出されます。

haikitokusei.jpg
レシプロ・エンジンとロータリ・エンジンの排出ガス特性の違い


ロータリ・エンジンの排出ガスは、レシプロエンジンと比較すると、COは同等、HCは約3倍、NOxは非常に少ないといえます。HCが多く排出される理由は、ロータリ・エンジンでは、作動室と呼ばれる箇所に、常にシール潤滑用のオイルを供給している事と、作動室が扁平で、ロータ回転方向に対して、遅れ側がうまく引火せずににHCが発生する、また、表面積/容積比が大きい事により作動室壁面に燃料が付着し燃え残る事、という理由があるからです。NOxの発生が非常に少ないのは、作動室が扁平で、表面積/容積比が大きい事により燃焼温度が低いからです。
なお、2003年から量産の始まった、13B-MSP[RENESIS]は、排気ポートを、ロータ・ハウジングから、サイド・ハウジングへと、移した事により、オイルや、燃え残り燃料の掻きだし現象を少なくする事に成功し、HCの大幅低減を実現しています。


排出ガスの規制の歴史

 排出ガスの規制は、光化学スモッグの発生が酷かったアメリカのカルフォルニア州が1962年に実施したのが世界で最初の排出ガス規制です。その後、規制は、アメリカ合衆国連邦政府も実施し、日本、そしてヨーロッパ諸国が実施するようになりました。
 日本では、1966年9月(昭和39年)に、4モードCO3%規制を実施したのが最初です。その後、1969年9月(昭和44年規制)に、4モードCO2.5%規制に強化されました。その後も、規制は強化され続け、1971年4月に、10モードCO、HC、NOx重量規制、1973年4月(昭和50年規制)、10モード、11モードCO、HC、NOx重量規制が発表および近い時期の実施が表明されました。1975年(昭和50年4月)より実施された昭和50年規制は、"日本版マスキー法"と呼ばれています。
 マスキー法とは、アメリカ民主党のマスキー上院議員が1971年1月に大気汚染防止法を提出したので、その法案をマスキー法と呼ぶのです。
 当時、マスキー法は、当時の規制に対し、大雑把に表現して、1/10、低減しなさいというもので、さらに、期限もありまして、CO、HCは1975年(昭和52年)1月1日、NOxは1976年1月1日までとする、ものであったのです。そのマスキー法と同等であったのが、50年規制であり、より、NOxの排出レベルを低減させたのが、51年規制、53年規制であります。
 中型車やバス・トラック、軽貨物車の規制は、当時は緩やかではありましたが、現在では、53年規制、又は平成12年度規制なみに強化されています。
 リープスと呼ばれれた、排出ガス浄化装置は、排ガス規制初期に用いられ、その開発、改良は、ロータリーエンジン史上で、かなり厳しい、試行錯誤が繰り返された時期であったといえます。


排気ガス浄化装置 

 排ガス規制当初のロータリ・エンジンの排気ガス浄化装置は、COと、排出量の多いHC、をエンジン外で酸化処理、すなわち、再燃焼させることにより、浄化するという装置が使用されていました。酸化処理を行うには、酸化触媒か、サーマル・リアクタを用いる必要がありましたが、ロータリ・エンジンの排気ガスの温度が高いという事と、有鉛ガソリンの存在により、サーマル・リアクタ方式をロータリ・エンジンは採用しました。それが、REAPSです。



systm.jpg

ロータリ・エンジンの排気ガス浄化装置 リープスの概要
REAPS-4 構成図


 REAPSは、CO、HCの再燃焼を助ける、2次エア供給装置と、サーマル・リアクタ及び、点火系の切替装置、制御用の小型コンピュータから、構成されていました。
 エンジン・作動室内で、緩慢な燃焼をしていた作動ガスは、NOx濃度は低く、高い温度を保ったまま、エキゾースト・ポートから排出されます。ここで、エンジンが中速域までであれば、二次空気が噴射され、そして、サーマル・リアクタ内に導かれ、ここで、滞留しながら、再燃焼されます。そうして、排気管に入り、排気管出口から出てくる排出ガスは、きれいになっていた...そういう仕組みです。
 排ガス規制当初は、燃費の事は考えなくても良く、排気管から大気に放出される、排出ガスをキレイにすれば良かったのですが、'73年のオイルショックにより、燃費改善を迫られ、改良に次ぐ改良がロータリ・エンジンに行われたのです。


点火コントロール

 2005年現在、ロータリ・エンジンを、自動車用として、量産しているのは、マツダのみです。
 いろいろな、ところで語り尽くされた感がありますが、もしも、日産、GMが、計画通りに量産・市販をしたり、トヨタが、マツダからエンジン供給を受けると同時に、自社でも開発していたら、今、あるロータリ・エンジンはスポーツカー専用などというふうには、なっていなかったかもしれません。
 今まで、マツダ、一社のみがロータリ・エンジンを育てたといわれているのは、まさしくその通りでしょう。本格研究開始から6年で、市販、開発と同時に、アメリカ上陸のために、排ガス浄化の研究、アメリカに上陸して、NOxが少ない事を武器に、クリーン・エンジンとして、さあ、これから!!というところで、オイル・ショックに襲われ、今度は、燃費改善を迫られる...研究開発員の方々は、休む暇も無い状態だったと思われます。
 さて、この頃の、ロータリ・エンジンに詳しい方は、点火コントロールに関する、記載が無いじゃないかと思われるかもしれません。ので書きます。


TL2.jpg
HC、NOx排出濃度と、点火時期、点火プラグの関係

 このグラフからは、HC、NOxは、点火時期を遅れに遅らせると、HC、NOxの排出濃度が下がる。
 さらに、リーディング側、トレーディング側のどちらか一本のみで、点火すると、さらに排出濃度が下がります。と読めます。
 実際、REAPSは、この方式とサーマル・リアクタ使って、排ガスをキレイにしていたのです。
 では、なぜ、排出濃度が下がるのでしょうか?
 それは、点火時期を遅らせ、燃焼を緩慢にする事により、NOxの発生が抑えられ、"後燃え"現象がおき、排ガス温度を高く保てて、排気管内で、HCが燃えて、HC濃度が下がる、という事が起きるからです。

サーマル・リアクタの効果

 サーマル・リアクタ装着車のモード走行時と、非装着車のモード走行時のCO、HC、NOx排出量の比較をしたのが、下図になります。


onoff.jpg

C0、hc、NOx排出濃度と空燃比の関係

 グラフの通り、サーマルリアクタ装着車は、CO、HC共に、サーマル・リアクタ内で、再燃焼された結果、排出量が低減されます。
 NOxも、CO、HCを再燃焼させる温度を、NOxが生成される温度以下にコントロールする結果、増加はしていない事がわかると思われます。


サーマル・リアクタの弱点

 サーマル・リアクタは、当時の触媒に比べ、構造が簡単で、耐久性の面でも、製造コストの面でも、有利であったといえます。しかし、サーマル・リアクタにも、当然、弱点がありました。
 ひとつは、NOxは、浄化できないということ、もうひとつはエンジンから排出される、排気ガス自体は、十分、汚くなければならないということです。
 ロータリ・エンジンは、燃焼温度自体は、レシプロ・エンジンよりも低く、NOxの排出は少なく、さらに、浄化装置を、エンジンの近くに設置できる為、排気ガス温度を下げることなく、処理装置へ導入できるなど、サーマル・リアクタ向きエンジンではありましたが、サーマル・リアクタ内で、排出ガス中の有害成分であるHC、COを再燃焼させるために通常よりも、だいぶ濃い混合気を与える必要があったのです。したがって、もともと、燃費があまりよろしくないといわれていた、ロータリ・エンジンの燃費は、さらに悪化しました。しかし、ガソリンの値段が、安かった'70年代初頭は、燃費の事よりも、排ガスがキレイだということが評価され、燃費の事は、とやかく言われませんでした。
 サーマル・リアクタを備えた、ファミリア・ロータリ・クーペ、輸出名R100は、'70年より、アメリカへ輸出され始めました。アメリカは、ロータリー・エンジンの成長に欠かせない、巨大市場でした。国内でも人気、アメリカでも人気だった、ロータリ・エンジン車は、'70年に66,169台、'71、118,429台、'72、154,893台、'73には、239,871台、製造されるに至りました。
 しかし、'73年、世界を、オイルショックが襲います。
 そして、燃費の悪い、ロータリ・エンジン車は、売れなくなってしまうのでした。


燃費改善

 燃費が、悪いということで、売れなくなってしまった、ロータリ・エンジン車。
 日本と、アメリカでは、受け止められ方が、若干違ったようです。
 アメリカでは、'70年より、排ガス浄化装置を備え、というより、既にその時点から、排ガス浄化装置を備えていないと、販売できなかった訳ですが、アメリカンV8と同じような加速が出来る数少ない日本車として、ユーザーからは人気がありましたが、ビック3にとっては、ロータリーは目の上のタンコブだったのです。
 そして、オイルショック後に発表された、EPA(アメリカ連邦環境保護庁)の燃費レポートは、同クラスの日本車に比べ、燃費は、5割程だとし、当時、アメリカで発売されていた、RX-2(カペラ)及びRX-3(サバンナ)は、アメリカンV8と同程度、又は、それよりも悪いとされてしまったのです。そんな発表されたら、誰も買うわけはありません。アメリカで、ロータリ・エンジン車は不良在庫と化したのでした。
 対しまして日本では、'72年10月にルーチェAPが、低公害車第1号車として発売されました。これが、REAPS-1搭載車になります。
 エンジン自体は本田技研も開発済みでしたが、クルマとしての発売は、マツダが一番乗りになったわけです。続いて、'73年6月から発売された、ルーチェAP・REAPS-2搭載車は、昭和50年規制をクリアし、低公害車優遇税制適合車第1号に認定されました。第2号車は、サバンナAPでした。そして、オイルショックがやってきたのです。確かに、販売台数は減り始め販売台数は惨めなものになりましたたが、その頃の日本車には、ミドル~アッパークラスに、低公害車がまだ無く、あったとしても、とても2リットル・エンジンを搭載しているとは思えないクルマばかりで、低公害車といえども、値引きがあり、有負荷運転時の天井知らずな吹けあがりはそのままの、ロータリ・エンジン車のマーケットは、ほんの少しは存在し得たのです。中には、自ら、低公害車であり、優れた動力性能を有した、ロータリ・エンジン車を進んで購入する人まで存在したのです。しかし、そういった方々は、ほんの一握り、マツダ本社の社員は、全国の販売店へ出向し、新車販売を自ら行いました。
 燃費への風当たりは強いものがあり、'74年1月に、当時の社長、松田耕平氏は、ロータリ・エンジン車の40%燃費改善を'75年末までには実現すると宣言したのです。
 40%といえば、相当なものです。さて、どのように燃費改善を果したのでしょうか。


REAPS-4・その改良点

 燃費改善、それが40%といえば、相当なものです。
 どうやって、大幅改善を果たしたのかといえば、それまでの研究を、さらに地道に進めたというものだったのです。それは、サーマル・リアクタの反応性を改善し、混合気を、薄くしても、CO、HCを再燃焼できるようにする。というものでした。
 オイルショック直後の'73年12月、13B搭載車、及び、12Aのマニュアル車を追加した時に、REAPSは、"3"に進化していましたが、これには燃費対策は行われていません。
 燃費対策が盛り込まれた、REAPS-4は、'74年11月に、ルーチェ、カペラ、サバンナに搭載され、発売されました。ルーチェ・13B車は、15%、ルーチェ12A車は、5速が24%、4速が20%、カペラは、5速車が28%、4速車が、25%、サバンナは5速車が27%、4速車が24%の燃費改善を果しました。改良の概要は...

       エンジン本体
   サーモ・モジュレート・ファンの採用
      (風切り音の低減→品質向上、エンジン冷却水温度の最適化による、エンジン熱損失の低減)
   アペックス・シール組付時にアシスト・ピースを採用(シール性向上)
   外張り式のコーナ・シールを採用(作動ガスの吹き抜けの低減)
   エキゾースト・ポート・インサートの変更(排気ガスの温度低下の防止)

       浄化装置
   手動変速機車に、交番点火機構の採用(減速時の失火防止→品質向上、HC排出量の低減)
   二次空気のエア・インジェクション・ノズルの形状変更(二次空気の混合促進)
   二次空気のエア・コントロール・バルブの制御変更(リアクター冷却の最適化)
   コースティング・バルブの追加(減速時の燃焼改善)
   エアポンプ変更(CO、HC浄化性向上)
   サーマル・リアクタの断熱性向上(保温性向上)
   
                                    だった、そうです。
 この、REAPS-4は、燃費改善と同時に、ルーチェの13B車、カペラのRX、SX、GS、サバンナのAT車以外は51年規制適合車へとなりました。しかし、まだまだ、改良は続けられたのです。
 まず、その、第一弾が、13Bエンジン搭載車に追加された、REAPS-4E(後述)で、熱交換機を採用し、更なる希薄燃焼を促進させるに至りました。そして、公約通り、40%の燃費改善を果したREAPS-5を発売します。


REAPS-5・その改良点

 REAPS-4により、20%の燃費改善を果しました。でも、後、一年で、20%改善しなければいけない状態でした。REAPS-5は、REAPS-3に比べ、40%以上の燃費改善を果す事になりますが、基本を変えることはありませんでした。しかし、燃費は向上しました。REAPS-5の全車に、2次空気加熱用の熱交換器が追加された事により、更なる、混合気の希薄化を実現できたのです。
 燃費改善の寄与率と内訳は下記のようになります。

   エンジン内部の改善により        27%
   最終減速比の変更により          8%
   サーマル・リアクタの反応性の改善により 65%               でした。

   エンジン内部の改善
ガス・シール性能改善(REAPS-4で実施済み+アペックス・シール頂部のクラウニング加工採用、隙間減少)
プライマリ・ポートの形状変更(混合気を進み側に導入し、軽負荷時の燃焼効率を改善、低速トルク向上)
12Aの燃焼室形状の変更(リーディング・リセスの採用で、燃焼室中心を進み側に移し燃焼効率を改善)
リーディング側点火プラグ位置の変更(燃焼室中心を進み側に移し燃焼効率を改善)

   サーマル・リアクタの反応性の改善
サーマル・リアクタの断熱性向上(REAPS-4で実施済み)
サーマル・リアクタの容量増加(保温性と、浄化性能を向上)
排気ポート・インサートの断熱性向上(REAPS-4で実施済み)
排気ポート・インサートの径拡大(反応促進)
熱交換器装着による2次空気の加熱(反応促進、REAPS-4Eで13Bには採用済み)

   最終減速機の変更
ガス・シール性能の改善、吸気ポートタイミングの変更による低速トルクの向上、により最終減速比を
下げました。

 また、13Bには、燃費は悪化しますが、パワー・バルブが追加され、高負荷時に燃料を増量するにより、NOxの発生を抑え、急加速時に、EGRを作動させ、排気ガスの一部をインテーク・マニホールド内に再循環させて、NOxの発生を抑える装置が追加されました。

 以上のことにより、実用燃費は、ともかく、公式試験での燃費は、大幅改善を果したのです。
 '75年10月、コスモAPの発表、ルーチェのマイナーチェンジ、カペラの一部変更、サバンナのマイナーチェンジと同時に、REAPS-5が市場に導入されました。
 しかしながら、レシプロエンジンは、排ガス規制に適合してくると同時に、その衰えた、動力性能を向上させてきたのです。ロータリ・エンジンは、更なる改良を受ける事になります。


点火パターン

 さて、REAPSのことが、解かって来ていただけたと思います。
 前述した、点火コントロール、この制御は、REAPS-"1"、"2"、"3"、"4"、"5"ですべて違うのです。

 REAPS-1は、とても簡単でした。定常・加速時は1400~3400rpmの間だけ、リーディング点火にするだけでした。

 REAPS-2は、少し複雑になって、1150~3900rpmの間で、リーディング側点火、ただし、定常時は2950rpmから正規点火としていたようです。

 REAPS-3で、また複雑になって、今度は、チョーク操作まで関係してきます。これは、排ガス規制に、コールドモードという、試験法が追加され、エンジンを急速暖気する必要が出てきたからです。
 チョーク操作に関らず、1250rpmまでは、正規点火になりますが、チョーク全引きでは、1250rpm以上で、トレーディング側は失火、リーディング側のみ点火とし、さらに遅角点火とします。
 チョーク半引きでは、1250rpm以上でリーディング側のみ正規点火とし、4000以上で、トレーディング側、リーディング側正規点火に戻ります。
 チョーク全戻しでは、1250~2600rpmのみ、リーディング側のみ正規点火になります。

 REAPS-4では、チョーク操作に関らず、1150rpmまでは、正規点火ですが、チョーク全引きでは、1150rpm以上で、リーディング側のみ遅角点火、半引きでは、4000rpmまで、リーディング側のみ正規点火、全戻しななると、2300rpm以上は、トレーディング、リーディング側正規点火に戻る。さらに減速時、マニュアル・ミッション車に限り、リーディング側が、一回ごとに、点火、失火を繰り返す、交番点火システムが追加されました。
 一般的な方にも、旧車の乗りの方にも、まったく関係ない、このページ。
 こういうことをやっていたということだけ、わかっていただければ、もう、それで、十分です。
 でも、本当はさらに、これにエアポンプからの2次空気導入とか、減速時、燃料増量補正とか、空気供給とか、いろいろ、まだまだ複雑になっていたんです。 各車種ごとに制御が事細かになっていたと言う面もあるようです。ここに記されている事は、公害対策の知識に基づいております。


その後

 さて、REAPSは、その後、どうなったのでしょうか?
 ロータリ・エンジン搭載の新型車は、'75年以降、2年間、ありませんでした。
 ルーチェ・レガート、サバンナRX-7の発売は決定事項でしたが、新型車を投入できる状況ではなかったのです。カペラは、'76年7月に1800APを追加した後、'78年10月にフルモデルチェンジされるまで、8年間のモデル・ライフを送ったくらい状況は深刻でした。人気車種だったコスモAPも、'77年7月にLシリーズが投入された後、'79年9月まで、マイナーチェンジはお預けだったのです。マツダは、モデルチェンジサイクルが相当狂ってしまいました。まるで、数年前のマツダを見るかのようです。二度あることは三度あるにならなかれば良いのですが...
 でも、マツダは、復活しなければなりません。'77年1月、ファミリアがフルモデルチェンジを果します。幸せの黄色いハンカチに出た車です。このクルマが売れてくれました。’96年のデミオのような存在だと思います。そして、'77年10月、ルーチェの上級追加車種として、ルーチェ・レガートが発売されます。そして、ついに、'78年3月に、サバンナRX-7が発売されます。
 ルーチェとサバンナ・RX-7はREAPS-5だったようです。が、サバンナ・RX-7より、ロータリ・エンジン車も昭和53年規制適合車になります。
 この当時、マツダは既に、浄化装置をサーマル・リアクタから触媒に転換ずべく開発を行っていました。そして、減速時に、リア側ロータへの新気供給を絶ち、リアを休止状態にしフロント側のみ燃焼させるようにし、燃焼を安定させ、未燃ガスの排出を抑えた減速時シャッターバルブ制御装置、運転状態によって、触媒の浄化作用を還元、酸化両方に切り替える、2ベット型触媒、を備えた、希少燃焼型ロータリ・エンジンを'79年秋より発売し、このときより、国内、対米用は触媒方式に排出ガス浄化装置は切り替わりました。
 そして、その後のロータリ・エンジンは、ハイパワー化の道を歩みました。
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  1. 2004/10/02(土) 08:26:27 -
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