マツダ・13B型エンジン

マツダ・13B型エンジンは、マツダが開発・製造する直列2ローターのロータリーエンジンである。

1973年にマツダ・ルーチェGTグレードの専用エンジンとして、当時主力だった12Aロータリーエンジンのローターハウジング幅を10mm拡大したエンジンである。水冷2ローターで、総排気量は1,308cc。排気ガス対策のREAPS3を初号機から搭載した。なお、「13B」という名称は、総排気量の1,308ccの「13」と、13Aの次に開発された事から「B」を合わせ取った言葉である。

ローター半径と偏心量とローター幅が異なることから、13Aと13Bは、完全に異なるエンジンである。

2003年にはインターナショナル・エンジン・オブ・ザ・イヤーに選ばれた。

1. 開発経緯
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ロータリーエンジンの排気量は、最大燃焼室容積にローターの数をかけた数字で表す。しかし、一般的なエンジンであるレシプロエンジンとは動作原理が異なるため、ロータリーエンジンにおける相当量の見積りには換算が必要となる。例えば、日本の自動車税法は、一般に排気量と車格によって算出されるが、REの排気量分類は実排気量の1.5倍を掛けたものとなる。税法上の小型車の排気量は、1,500cc超2,000cc以下である。この小型車の上限排気量の2,000ccにREが対応するためには、1,333ccになるべく近づける必要がある。そこでマツダは既存のREの12Aをベースにこの上限排気量に最も近づけるために、ローターハウジングの幅を10mm拡大して80mmにして対応した。また、13B開発当時は、排気ガス規制への対応が必須条件だった。この規制への対応として、量産当初からサーマルリアクターを中心としたREの排気ガス対策システムREAPS3を搭載した。REAPS3では、暖気中の排気ガス浄化性能の向上に主眼が置かれている。

12Aに対して整備性や生産性やサービス性および信頼性の向上として

ディストリビュータが2個から1個になり、補機のレイアウトの変更
クーリングファン取付位置をウォータポンプ位置に変え、Vベルト駆動に変更
2分割型金属アペックスシールの採用これらの内容は、後ほど12Aにも反映された。

2. 発展経緯
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市販車としての発展経緯を記す。各時代の要求によってエンジン特性は大きく改善・改良を施されてきたが、形式名は13Bを保った。そして改善・改良状況はサブタイプ名で表された。。

各時代における改善・改良内容は、通常一般的に呼称されている13B-＊＊＊で記す。主な改善・改良内容としては、「排気ガス規制対応と燃費改善」「過給による出力増強」「自然吸気による出力増強と燃費改善」の3ステージに分けられる。

2.1. 排気ガス規制対応と燃費改善
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1973年から1981年までの期間。この間は、エンジン型式としてサブタイプの呼称もない。主として、排気ガス規制対応のシステムによって内容が異なる。この期間は、全て4バレルキャブレタを採用している。

2.1.1. REAPS3
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1973年から1974年。REはNOxの排出は少ないがHCの排出が多いため、排気ポートへの二次エアの供給によりHCの燃焼熱で安定した浄化反応が得られる。そのため、排気ポートにサーマルリアクターを設置する浄化システムを採用した。サーマルリアクターに関しては、反転型を採用して浄化性能を向上させている。REAPSでは、サーマルリアクターでの酸化を促進させるため、空燃比をリッチ側にセットしており燃費が悪かった。

2.1.2. REAPS4
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1974年から1975年。エンジンの「ガスシール性の改善」「サーマルリアクターの反応性の改善」「2次エア制御の改善」の3項目により、低速トルクを改善して全体のギア比をハイギヤードにすることによってREAPS3より約20%の燃費改善を実施した。

アペックスシールとコーナシールの形状を改善して、シール性能を上げて混合気の漏れを低くした。その結果、トルク向上に伴う走行時のスロットル開度の減少と、エンジン内部での燃焼改善による気化器のリーンセット化を可能として、燃費改善に大きな効果を示した。アペックスシールの材質は、特殊鋳鉄の側面分割の2分割シールであるが、シール頂点からの側面シールと本体側シールの分割位置の距離を短くして混合気の漏れ口を少なくした。また、メインピースには、すずメッキを施し初期なじみ性を向上させた。サイドピースは、焼結合金製である。

それまでは、コーナーシールは、アペックスシールの挿入部分のみに溝を切ったムクの形状であったが、アペックスシール溝の下部の中心部をくり抜きを行い、半径方法に弾力を与え、ローターのコーナーシール溝とのクリアランスを狭くし、ガス漏れ面積を減らすことができた。更にこの方式では、アペックスシールを持ち上げる混合気がコーナーシールの肉抜き部に入り、混合気の圧力で内部が膨張することによって、コーナーシールがローターに更に密着することになって混合気の漏れ部を抑えるようにした。

ロータハウジングの排気ポート部に挿入しているポートライナをピンによる固定に変更して、熱伝導面積を減少させた。また　サーマルリアクタ内部の板厚を下げ熱容量を低下させると同時に、外部のインシュレータ厚を熱くして保温性を向上させてサーマルリアクタの反応性を改善した。

2次エアの排気ポートへの供給は、従来からのエアインジェクションノズルに加えて排気ポートインサートの先端から供給するようにして、排気ガスへの混合を促進するようにした。

2.1.3. REAPS4E
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1975年　REAPS4にサーマルリアクターの反応性改善のため熱交換器による二次エアの加熱を追加したもの。ロードペーサーのみに搭載

2.1.4. REAPS5
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1975年から1978年。エンジン本体で「一次側吸気ポート形状の変更」「サーマルリアクターの反応性改善のため熱交換器による二次エアの加熱」等の改善により気化器のセッティングをリーン側へ移行させることで、REAPS3より約40%の燃費改善を実施した。

一次側吸気ポート形状の変更を行った。混合気を燃焼室の進み側に導入して、軽負荷時の燃焼効率を改善すると同時に、吸気ポートの締めるタイミングを早め低速トルクを向上させた。

サーマルリアクターの反応性を改善するために、サーマルリアクターの容量拡大に合わせて、サーマルリアクターから反応後の排気ガスによる二次エアの加熱を行い、サーマルリアクターに入る前の排気ガスの温度低下を防止してサーマルリアクターの反応性を改善した。この二次エアの加熱によって、車の最後尾における排気ガスの温度が大幅に下がることになった。

2.1.5. 希薄燃焼型ロータリーエンジン
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1979年から1981年。それまでのサーマルリアクターに代わり触媒を排気ガス対策に採用した。REは、レシプロエンジンより未燃炭化水素の排出が多いのでそのまま触媒で反応させると、HCの酸化により触媒が高温になり、触媒の熱劣化等の技術的問題があった。そのため触媒をREで使用するためには触媒に入る前のHCの排出量を、「エンジン本体の改良」と「触媒に入る前処理」により削減させると同時に触媒自体の熱劣化性の改善の必要がある。なおサーマルリアクターより空燃比が薄められて希薄燃焼型と表記しただけであり、一般的なリーンバーンとは意味が異なる。

エンジン本体の改良としては、「ガスシール性の改善」「点火エネルギーの向上」「減速時の失火の防止」でエンジンから発生する未燃HCを削減する。

ガスシール性の改善アペックスシールの分割位置を、サイドからアペックスシール摺動面へ移動して、アペックスシールからの混合気の漏れを低減させた。点火エネルギーの向上着実な点火で失火を防止するシステムとして、高エネルギ点火システムを開発。無接点式ディストリビューター・ICイグナイタ・高エネルギ点火コイル・ワイドギャップ点火プラグが採用された。点火プラグは、4極タイプになり、リーディング側の点火プラグの電極位置を燃焼室側へ3mm近づけ着火性を向上させた。減速時の失火防止減速時に発生する失火を防止するために、リア側の吸気通路にシャッターバルブを設置して、減速時に混合気を全てフロント側に充填吸入させて充填効率を二倍に上げて安定燃焼をさせている。触媒に入る前処理としては、「排気ポート内での未燃HCの酸化」が挙げられる。排気ポート出口直下に空間を設けて、低速域および減速時に排気ポートに二次空気を吹き込みこみ、未燃HCの酸化を行う。サーマルリアクターとの違いは、高温での処理を行わないことである。

排ガス対策の触媒は、「2ベッド型触媒コンバーター」を採用し、反応性と耐久性を向上させている。具体的には、低負荷域と減速時には、2個の触媒は酸化触媒として機能する。二次空気が排気ポートに供給され、触媒に排ガスが入る前にHCと一酸化炭素を酸化させて触媒の負荷を低減後触媒で酸化を行う。中高負荷域では、排気ポートへの二次空気はカットされ、前方の触媒がNOx還元触媒として働く。後方の触媒には、二次空気が供給され酸化触媒として機能してHCとCOを浄化する。結果としては、気化器のセッティングを理論空燃比近くに設定することによってREAPS5より約20%の改善を実施。

13Bは、1981年に12Aのターボ搭載のめどがたったことによって、生産が中止される。

2.2. 過給による出力増強
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1982年から2002年まで。このステージ以降の13Bは、全てEGIによるガソリン供給を行なっている。

2.2.1. 13B-SI
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1983年から2002年。両ロータ間の吸気脈動を利用した独特の過給システムで圧力波と反射波を積極的に利用することによって、全回転域での出力向上を行なった。マツダは、この動的過給機構をスーパーインジェクションと命名した。圧力波は、吸気口が開いた直後に燃焼室内に残る高圧の排気ガスと吸気が衝突して発生し、その波紋のタイミングがもう片方のロータの吸気時期に一致すると濃い混合気を吸気することが可能となる。反射波は、吸気口が閉じる瞬間に発生する吸気流がそこに当たって発生する圧縮によって発生し、その波紋がもう一方の吸気口に伝わり吸気を押し込む。圧力波と圧縮波の波紋タイミングを合わせるために吸気菅長を長くとることが必要になる。

REの場合は、吸気ポートの開口時間がレシプロエンジンよりも長く取れるので、レシプロエンジンより吸気菅長が短くてもこの圧力波と圧縮波の波紋の影響をたやすく得ることが出来る。

最高出力: 160 PS /6,000r pm
最高トルク: 20.5 kgf·m / 3,000 rpm

2.2.2. 13B-T
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1985年から1992年。上記の13B-SIをベースにツインスクロールターボと空冷式インタークーラーを採用すると同時に、ターボに対応したエンジン改良を実施。低回転でのアクセルレスポンスと高回転での圧倒的なパワーの伸びを実現した。

排気ガスの通路を低回転側と高回転側の各々に対応した通路を使用した一種の可変A/Rターボチャージャーで、低速域では高レスポンス/高速域では高出力を確保した。具体的には、低回転域では小さいプライマリー通路のみ使用し、狭い通路で加速された排気ガスがタービンブレードに直角にぶつかりその衝撃力で空気をチャージングしてターボの弱点とされるターボラグを解消する。高回転域では二つ目の大きなセカンダリー通路も使用して排気ガスをタービンブレードに添う角度で供給し、排気ガスの膨張する力でタービンブレードを回転させ空気をチャージングし、高速回転時に必要な圧縮空気を供給して高出力を得る。なおタービン側のベアリングは、エンジン冷却水によって冷却される

エンジン本体は、「ローター」「シール」「ローターハウジング」の改良を行い、過給に耐える信頼性と軽量化と燃費低減の対応を行った。ローターは、リブ厚を薄くして14%の軽量化を行い燃費とレスポンスの向上を図った。またインターナルギア固定用スプリングピンの本数を増加してギアの信頼性を向上させた。シールは、アペックスシールを2分割から3分割に変更すると同時にシール厚を3mmから2mmに削減し、かつサイドシールも薄くして抵抗軽減とシール性の改善を実施した。ローターハウジングは、トロコイド面のシートメタル材質変更とマイクロクロームモリブデンメッキ処理とテフロン塗布を行い、摺動性と信頼性を確保した。ウォータージャケットの冷却水通路を従来より縮小して暖気時間の短縮と燃費低減に貢献した。吸気ポートは、過給を行うので1ローター当たり2個に変更。インジェクタは、1ローターあたり2本設置し、プライマリインジェクターは従来通り燃焼室直前のセミダイレクト噴射、セカンダリインジェクターはポートに設置して高速時のみに使用する。

空冷式のインタークーラーをエンジンの真上に設置し、最短距離で冷却された空気をエンジンに送り込みレスポンス改善を図った。なお　インタークーラーの設置に伴い、エンジン補機の配置を変更した。

エンジン出力:

前期型
圧縮比: 8.5:1無鉛レギュラーガソリン
最高出力: 185 PS / 6,500 rpm
最高トルク: 25.0 kgf·m / 3,500 rpm
後期型。前期型から「圧縮比の向上」「完全ツインスクロールターボの採用」を実施。
圧縮比: 9.0:1 無鉛レギュラーガソリン
最高出力: 205 PS /6,500 rpm
最高トルク: 27.5 kgf·m / 3,500 rpm前期型から「圧縮比の向上」「完全ツインスクロールターボの採用」を実施

後期型高出力タイプ
圧縮比: 9.0:1 無鉛プレミアムガソリン
最高出力: 215 PS / 6,500 rpm
最高トルク: 28 kgf·m / 3,500 rpm

2.2.3. 13B-REW
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1991年から2002年。シーケンシャルツインターボを搭載と同時にこのターボに対応したエンジン改良を実施。燃費改善と分厚いトルクと機敏なレスポンスを備えた高回転高出力エンジン。最終的には日本自動車工業会の自主規制値である最高出力の280PSを達成した。

シーケンシャルツインターボは、2個のターボチャージャーを組み合わせて過給を行う。具体的には、低回転/低負荷域ではプライマリー側のみ、高回転/高負荷域ではプライマリー+セカンダリーで過給を行う。プライマリーにセカンダリーが加わる瞬間の過給庄の落ち込み対策として、あらかじめセカンダリー側を予回転させておき低回転から高回転までターボラグのない過給を行なった。

ローターは、燃焼室の窪み部を完全機械仕上げを行なった。圧縮比は9.0:1で無鉛プレミアムガソリンを使用。アペックスシール取付部の溝は、レーザー焼入れを施したうえにシール溝を切り込み、耐摩耗性向上を図った。ローターハウジングは、内面コーティングを硬質クロムメッキ+グラファイトに変更して潤滑性と耐摩耗性を向上させた。排気ポートは、エアインジェクション・ポート・インサートを採用して、排気ポートからジェットエアを導入して残留排気ガスの掃気を促進し、軽負荷時の燃焼の安定を実施した。インジェクターは、メカニカルなエアフローメーターを廃止して空気密度を直接計算するEGI-HSを採用して吸気系の抵抗を削減し、レスポンス向上と全回転域におけるトルク向上を行なった。

エンジン出力:

初期型
最高出力: 255 PS / 6,500 rpm
最高トルク: 30.0 kgf·m / 5,000 rpm
中期型
最高出力: 265 PS /6,500 rpm
最高トルク: 30.0 kgf·m / 5,000 rpm
初期型から、「吸気パイプ内径の拡大」「吸気系の改良」「過給庄アップ」
最終型
最高出力: 280 PS / 6,500 rpm
最高トルク: 32 kgf·m / 5,000 rpm
最終型では、「ターボチャージャーの変更」「排気系の抵抗削減」「インタークーラーの冷却性改善」「メタリングオイル供給改善」「エンジン制御コンピューターの最適制御」を行い、温度バテしないエンジンに仕上げ出力向上を行なった。

2.3. 13B-MSP}} 
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2003年から2012年に使用された。サイド吸気とサイド排気を採用して、ターボチャージャーを搭載せずにターボチャージャー搭載と同じ出力と低燃費と排ガス特性を改善した。REの新たな創生を意味する『RENESIS』と命名された。

従来のローターハウジングにあった排気ポートをサイドハウジングに移設することによって、給排気ポートタイミングのオーバーラップを解消し、吸気行程への排気の持ち込みを減らして低速での安定燃焼を確保した。さらに従来型では、アペックスシールによって排気ポートに掻き出されていた未燃ガスを次の燃焼工程に送り込み、燃焼させることにより未燃ガスの排出量を削減して低燃費に貢献している。またサイドハウジングの両側に排気ポートを設置することによって、従来比2倍の排気ポート面積を確保して排気抵抗を削減して高出力を確保した。排気ポートのオープンタイミングを従来より遅らせることによって、膨張行程を長くして排気効率を向上させて低燃費化を実現した。

吸気ポートは、排気ポートとのオーバーラップをなくすことによって、吸気ポートのレイアウトや形状やタイミングの自由度が上がり、従来より吸気ポート面積を約30%拡大して吸気抵抗を大幅に削減させている。また吸気ポートのクローズタイミングを遅らせることにより吸気量を増加させることにより高出力化を図っている。

高出力型は合計6ポート/通常型は合計4ポートとし、吸気菅にシーケンシャル・ダイナミック・システムを採用して2ローターRE特有の吸気脈動効果を積極的に活用して、低中速域の分厚いトルクと高回転域では圧倒的な高トルク/高出力を発生させている。

ローターは、エンジンの高回転化とエンジンレスポンスの向上を図るために、ローターを約5%・フライホイールを約15%軽量化を行なった。特にローターの軽量化は、出力軸の撓み低減に効果があり、エンジンの高回転化に寄与した。また　サイド給排気を行うために、ローター側面のオイルシールとサイドシールの間に新規にカットオフシールを設置して連通のない気密性を確保した。サイドシールの位置をローター外周側へ2mm移動させて吸気ポート面積の拡大を可能にした。サイドシールは、従来は、ペリフェラル部の排気ポートにアペックスシールでカーボンを掻き出していたが、サイド排気を採用したためオイルのカーボン対策が必要になる。そのためサイドシールの断面形状を台形のキーストン・サイドシールを採用して、サイドシール部にカーボンカーボンスラッジが溜まり動作しなくなることを防止した。アペックスシールの潤滑については、従来は、吸気の中にオイルを混合させていたが、アペックスシールの通過するトロコイド面に電子制御のメータリングインジェクタを複数個設置して、オイルを直接アペックスシールの潤滑面に塗布する仕組みに変更して、オイル消費を削減すると同時に潤滑オイルによるカーボンスラッジの発生量を低減した。アペックスシール自体は、2分割タイプに変更して、ポートからの脱落を防止した。インジェクタは、各ポートに1本づつのインジェクタを配備。プライマリインジェクタには、燃料の超微粒化を図るために12噴口タイプを採用して、ポートエアブリードからジェットエアを導入して、吸気ポートに付着した燃料を点火プラグにの方向に吹き飛ばすフェール・ミキシングシステムを採用した。また　アクセルペダルの踏み込み速度や量を電気信号に変換して最適制御を行う電子制御スロットルの採用と最新の電子制御技術による緻密な空燃比制御を行い、排気エミッションレベルの低減と燃費改善と高出力化を達成した。

触媒は、新開発のプラチナ－パラジウム－ロジウム系触媒を採用し、ウォームアップ改善と抵抗削減を両立した。

エンジン出力:

前期、6ポート
最高出力: 250 PS / 8,500 rpm
最高トルク: 22.0 kgf･m / 5,500 rpm
前期、4ポート
最高出力: 210 PS / 7,200 rpm
最高トルク: 22.6 kgf･m / 5,000 rpm
後期、6ポート
最高出力: 215 PS /7,450 rpm
最高トルク: 22.0 kgf･m / 5,500 rpm

3. レース用13Bの開発
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レース用の13Bは、主として1970年代の日本国内の富士グランチャンピオンレースの2座席スポーツカー用エンジン、 1980年代になってからグループCのCジュニア及びC2クラス用エンジンとして開発が進められた。

3.1. 富士GC用としての開発
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富士GCのメインである2座席スポーツカーレースは、1973年からエンジン規定が排気量2,000ccに変更になった。ただしREに関しては、レシプロエンジン換算で2,500ccまでのエンジンでの参戦が認められた。この条件下では、12Aでの参戦が可能であった。排気量2,000cc規定では、BMWのM12/6が275PS / 9,000rpmで圧倒的に強く主流を占めていた。一方、12Aは250PS / 9,500rpmで2〜3台程度の参戦で、戦闘力が低く、最高で5位という成績であった。12Aでの参戦チームからは、パワーアップの要請が寄せられていた。マツダとしては、パワーアップの方法として13Bの使用を考え、サイドポート・ウエットサンプで13Bは、280PS / 9,200rpmの出力を引き出すことに成功しBMWに対して同等の出力を得ることができた。そこでマツダは、富士GCでの13B使用を要請した。

3.1.1. 1976年
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REの富士GCでの参戦規定が「レシプロ換算で3,000ccまで」に変更になり、13Bの使用が可能となった。富士GCでの第1戦からマツダオート東京がペリフェラルポート/片山マツダがサイドポートで参戦を開始した。

第2戦以降は、全車ペリフェラルポートになった。また鈴鹿でも2座席スポーツカーレースが3戦開催される。両シリーズを通じての13Bのベストポジションは、8位であった。

シーズンオフにマツダは、レーシング13Bの開発を更に加速させて1977年のシリーズに備えた。開発に際しては、既販の12Aのスポーツキットや市販車のパーツを大幅に流用している。

ローターハウジングは、ペリフェラルポート化のため市販車のダイカスト製ではなく砂型鋳造で新規作成した。トロコイド面には、直接硬質クロムメッキを実施した。サイドハウジングは、量産品を流用するが、サイドポート部をエポキシ樹脂の充填材で埋め、ブローバイガスの回収のため僅かな窪みを残している。ロータは、圧縮比9.4:1で市販車と同一の燃焼室形状を採用。ローター固定ギアのスプリングピンの本数を市販車の9本から12本へ増加させ固有振動数をあげ、通常使用領域での共有振動領域に入ることを防止して、ギアの破損を回避している。出力軸は、量産品をベースに、シャフト撓みによるメタルクリアランスの減少を避けるため、リア側ジャーナル部の直径を部分的に小さくしている。点火系は、点火プラグを沿面放電タイプに変更して、キャパシター・ディスチャージド・イグニッションによる同時点火方式を採用。進角装置はエンジンの使用域が市販車より狭いので廃止し、アペックスシールは市販車と異なり　カーボン製の一体型の厚さ3mmを使用した。

3.1.2. 1977年
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シーズンオフの間にマツダは、下記の開発を行なった。

ドライサンプ化 2座席スポーツカーは、リアサスペンションマウントをギアボックスに設置している。ギアボックスの高さが変わると設計通りのサスペンション・ジオメトリの確保ができなくなる。ロータリーエンジンは出力軸の位置がエンジンの中央部にあり、直列4気筒レシプロエンジンより高い場所に位置するため、ロータリーエンジンをそのままレシプロエンジン用のギヤボックスに接続すると