반켈 엔진
영어: Wankel Engine, (Wankel) Rotary Engine, [1]
독일어: Wankelmotor
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마쓰다의 13B-Turbo 엔진. RX-7 FC3S에 탑재된 것으로 기존 13B 엔진에 터보차저와 인터쿨러가 장착된 형태이다.
독일의 기술자 펠릭스 반켈(Felix Wankel)[2][3]이 1951년에[4] 선보인 내연기관. 오늘날 흔히 '''로터리 엔진''' 이라고 부르나 성형엔진과의 구분을 위해서는 로터리 앞에 '반켈'이라는 말을 붙이는 것이 좋다.
반켈이 일하던 NSU에서 1964년부터 생산을 개시하여 자동차에 얹히기 시작했다. 나중에는 자동차만이 아니라 오토바이, 모터보트와 중장비, 항공기 등에도 반켈 엔진을 넣으려고 했고, 1960년대와 70년대 사이 시트로엥과 메르세데스-벤츠, 제너럴 모터스 등의 다른 업체들도 여기에 관심을 보였지만 연비와 배기가스, 내구성 등의 여러가지 문제로 인해 점점 도태되었다. 결국 이 엔진에 대한 투자 실패로 NSU는 1969년 폭스바겐 그룹에 매각되었고, 마지막 자체 브랜드 차종인 Ro80이 1977년 단종된 후 완전히 아우디에 합병된다.
1970~1980년대만 해도 많은 자동차 메이커들이 달려들었고[5] 특히 일본에서 상용화를 많이 시도했기 때문에, 이 시기 일본의 학생용 과학서적을 번안하거나 그대로 베낀 과학 도서에는 "차세대 미래 엔진기술 로우터리 엔진" 운운하는 내용이 꽤 많이 실려 있었다. 금성판 과학학습만화 1990년대판에조차 이 묘사가 나온다. 지금 다시 보면 격세지감인 얘기. 물론 저 내용이 집필될 당시에는 차세대 기술로 각광받고 있긴 했지만, 2010년대 기준으로는 그저 실패한 아이디어일 뿐이다.
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현재 시점에서 이를 개발, 양산해서 일반 자동차에 탑재했던 회사는 일본의 마쓰다주식회사와 독일의 아우디[6] 둘 뿐이며, 실질적으로 유일한 양산 반켈 엔진 메이커는 마쓰다였는데, 2012년에는 RX-8을 단종시키며 현재는 시판 반켈 엔진 모델이 없다. 전기자동차의 발전용으로 다시 투입할 겨획은 있는것 같으나, 미래의 도시 매연가스 규제로 인해 출시는 어려워 보인다.
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반켈 엔진은 실린더와 피스톤으로 구성되어있던 기존의 엔진 형태에서 벗어나 챔버와 로터로 구성된 간단한 구조로 이루어져 있으며, 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 크랭크 샤프트와 커넥팅로드가 없는 대신 메인샤프트와 유성기어[7]가 있다.
작동 원리는 다음과 같다.
치명적인 단점이라고 할 수 있는 엔진 내구성, 연비, 배기가스가 문제되어 널리 상용화되지는 못했다. 엔진 소재 및 기술이 크게 발전한 현재도 구조상의 난점과 특허 및 기술개발 비용 등의 문제 때문에 기존의 생산 경험이 없는 다른 메이커에서 굳이 새로 개발하고 생산할 이유가 많지 않은지라, 반켈 엔진의 대중화는 어려울 것으로 전망되고 있다.
이 엔진을 처음 개발한 NSU를 제외하면, 실질적으로 일반 자동차용으로 이 엔진을 대량생산하고 계속해서 개량해 나간 회사는 마쓰다가 유일하다.[20][21] 한때 마쓰다는 소형 파밀리아에서 대형 루체, 스포츠카 RX-7과 코스모에서 상용 트럭에 이르기까지 거의 모든 라인업에 로터리 엔진 모델을 투입했고 더 나아가서는 모든 피스톤 엔진 모델을 반켈 엔진으로 대체하려는 구상을 세우기도 했다. 하지만 위에 열거한 문제로 대부분의 반켈 엔진 모델들은 정리되었고, 나중에 가서는 스포츠카인 RX 시리즈나 코스모 등 몇몇 스페셜티 모델에서만 로터리 엔진을 사용하게 된다.
마쓰다는 1960년대에 코스모의 프로토타입에 반켈 엔진을 최초로 탑재했다. 최초의 프로토타입 엔진은 399cc 짜리 챔버 2개를 직렬 배치하여 총 배기량 798cc, 마쓰다 측 표기로는 399cc x2인 L8A 형식의 엔진이었다. 마쓰다는 이 이후의 로터리엔진에는 "챔버 배기량x개수"를 배기량 표기로 이용했다. 최초로 대량 생산에 이른 것은 이를 개량한 10A(491cc x2, 982cc)형으로, 1967년부터 1세대 코스모의 양산 모델에 사용되었다. 1970년에는 체임버 용적을 573cc로 늘려 배기량을 1,146cc로 늘린 12A 엔진이 처음 등장했고, 배기가스 규제가 강화되기 이전인 RX-3에서 110마력, 배기가스 규제가 강화된 이후 촉매변환 장치를 단 1978년의 SA22C형 RX-7에서 100마력을 냈다. 그 이후 연료분사 방식을 카뷰레터에서 전자식 연료분사장치로 바꾸고, 터보차저와 인터쿨러를 탑재해 출력을 160마력까지 높이는 개량이 이루어졌다. SA22C의 후속 모델인 FC3S와 FD3S RX-7시리즈에는 체임버 용적을 654cc로 늘린 13B 계열이 탑재되었다. 가장 최근에는 13B를 개량하고 자연흡기 방식으로 돌아간 13B-MSP RENESIS 엔진이 RX-8에 탑재되었다.
대량생산된 로터리 엔진 중 가장 크고 강력했던 것은 1990년 코스모의 4세대 모델이었던 유노스 코스모에 탑재된 20B인데, 13B에 2개 사용된 654cc 연소실을 3개 탑재해 1962cc까지 배기량을 키웠고 FD3S RX-7에 도입된 것과 같은 방식의 시퀸셜 트윈터보를 장착해 당시 일본 마력규제 허용 최대치이던 280마력의 최고출력과 41.0kg.m의 최대 토크를 자랑했다. 물론 그보다 작은 13B도 연비와 유지비가 많이 드는데, 더 크고 강력한 20B의 그것은 가히 슈퍼카의 것이라 할 수 있는 지경이었다. 때문에 버블경제의 활황기가 끝난 일본 시장이 감당할 수 있는 물건이 아니었으며, 판매 부진과 마쓰다의 경영악화 속에 코스모의 생산이 1996년에 끝나면서 3로터 엔진의 대량생산은 막을 내린다. 2017년 현재 마쓰다에서는 반켈 엔진 차량을 생산하지 않지만, RX-비전 등 다양한 컨셉트카를 내놓고 있으며 2018년 이후 발매를 목표로 새로운 엔진 개발과 RX 시리즈의 후속 모델 출시를 예고하고 있다.
2020년 10월 8일 마쓰다의 첫 상용 전기차인 MX-30에 소형 로타리 엔진이 배터리 충전용 레인지 익스텐더로 탑재된다는 것이 발표되었다. 모터트렌드 영문판 기사 이미 아우디가 A1 e-tron에 레인지 익스텐더로 반켈 엔진을 사용했던 것과 유사한 방식으로 추정된다. 이렇게 매니아들이 갈망하던 마쯔다 반켈 엔진의 부활은 일단 제한적으로 이루어지게 되었다.
로터리 디젤 엔진은 제작 난이도가 극한에 달하진 않지만, 압축비가 낮고 연료분사가 까다로워 역시 별로 만들어지지 않았다. 롤스로이스의 시험용 엔진이 1990년대에 만들어지기도 했으며, 현대에 와선 Yanmar의 산업용 반켈, DARPA가 실험해보는 것들이 있다.
현재는 작은 크기로 고출력을 요하며 진동이 적어야 하는 분야에 많이 쓰이고 있는데, 경비행기나 초소형 원동기, 소형 무인 항공기에 많이 장착된다. 인도의 DRDO(Defence Research and Development Organisation)사와 NAL(National Aerospace Laboratories)사가 소형 UAV에 사용할 목적으로 배기량 324cc, 최대 출력 55마력/8,000rpm의 소형 로터리 엔진을 공동 개발하고 있다.
수는 적지만 반켈 엔진이 장착된 오토바이가 시판된 적이 있었다.
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1991년 59회 르망 24시에서 4로터 R26B 로터리 엔진을 얹은 마쓰다 787B가 종합우승을 차지한 바가 있다. 이 해 가장 빠른 차라는 평가를 받은 것은 미하엘 슈마허가 탑승한 자우버-메르세데스 C11이었고, 그 외에도 포르쉐 962C, 푸조 905, 재규어 XJR-14와 XJR-12 등 강자들이 즐비했지만 다른 차량들이 문제에 시달리는 사이에 극적으로 우승을 차지했다. 이 우승은 반켈 엔진 최초이자 유일의, 일본 메이커 최초의 르망 24시 우승이었으며 27년간 유일한 일본 메이커의 우승이'''었'''다.[22] 하지만 검차가 용이하지 않은 엔진 구조[23]로, 규정이 빡빡한 레이싱에서는 활용하기 어려웠다. 종종 로터리 엔진이 높은 성능으로 인해 견제 혹은 저격을 당해 쓰지 못하게 되었다는 주장이 종종 있는데, 이는 사실이 아니다. 이에 대해서는 마하님 블로그 포스팅을 참고할 것.
그 이유로 LMP와 GTE 카테고리에서는 허용하지 않으며, GT3에서만 허용되어 있다. GT3는 배기량 제한을 두지 않고 마력이 500~600이면 OK라서 마력만 맞춘다면 출전하는 데는 전혀 문제가 없다. 하지만 반켈 엔진 차량을 만드는 데가 없어서 GT3에서도 볼 수는 없다.
이외에도 1970년대 말-90년대 초 마쓰다 RX-7이 일본, 미국, 유럽, 호주 등의 각종 투어링카 무대에서 활약했으며, 80년대에는 4륜구동차들을 앞세운 유럽 메이커들에 밀려 성과를 거두진 못했지만 RX-7을 베이스로 한 그룹B 경주차로 WRC에 도전하기도 했지만 이쪽 역시 2.0L 이하 배기량을 지닌 4기통으로 700마력을 내는 광기가 넘치는 차량들이 많아서 활약하지 못했다.
독일어: Wankelmotor
1. 소개
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마쓰다의 13B-Turbo 엔진. RX-7 FC3S에 탑재된 것으로 기존 13B 엔진에 터보차저와 인터쿨러가 장착된 형태이다.
독일의 기술자 펠릭스 반켈(Felix Wankel)[2][3]이 1951년에[4] 선보인 내연기관. 오늘날 흔히 '''로터리 엔진''' 이라고 부르나 성형엔진과의 구분을 위해서는 로터리 앞에 '반켈'이라는 말을 붙이는 것이 좋다.
반켈이 일하던 NSU에서 1964년부터 생산을 개시하여 자동차에 얹히기 시작했다. 나중에는 자동차만이 아니라 오토바이, 모터보트와 중장비, 항공기 등에도 반켈 엔진을 넣으려고 했고, 1960년대와 70년대 사이 시트로엥과 메르세데스-벤츠, 제너럴 모터스 등의 다른 업체들도 여기에 관심을 보였지만 연비와 배기가스, 내구성 등의 여러가지 문제로 인해 점점 도태되었다. 결국 이 엔진에 대한 투자 실패로 NSU는 1969년 폭스바겐 그룹에 매각되었고, 마지막 자체 브랜드 차종인 Ro80이 1977년 단종된 후 완전히 아우디에 합병된다.
1970~1980년대만 해도 많은 자동차 메이커들이 달려들었고[5] 특히 일본에서 상용화를 많이 시도했기 때문에, 이 시기 일본의 학생용 과학서적을 번안하거나 그대로 베낀 과학 도서에는 "차세대 미래 엔진기술 로우터리 엔진" 운운하는 내용이 꽤 많이 실려 있었다. 금성판 과학학습만화 1990년대판에조차 이 묘사가 나온다. 지금 다시 보면 격세지감인 얘기. 물론 저 내용이 집필될 당시에는 차세대 기술로 각광받고 있긴 했지만, 2010년대 기준으로는 그저 실패한 아이디어일 뿐이다.
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현재 시점에서 이를 개발, 양산해서 일반 자동차에 탑재했던 회사는 일본의 마쓰다주식회사와 독일의 아우디[6] 둘 뿐이며, 실질적으로 유일한 양산 반켈 엔진 메이커는 마쓰다였는데, 2012년에는 RX-8을 단종시키며 현재는 시판 반켈 엔진 모델이 없다. 전기자동차의 발전용으로 다시 투입할 겨획은 있는것 같으나, 미래의 도시 매연가스 규제로 인해 출시는 어려워 보인다.
2. 구조와 장단점
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반켈 엔진은 실린더와 피스톤으로 구성되어있던 기존의 엔진 형태에서 벗어나 챔버와 로터로 구성된 간단한 구조로 이루어져 있으며, 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 크랭크 샤프트와 커넥팅로드가 없는 대신 메인샤프트와 유성기어[7]가 있다.
작동 원리는 다음과 같다.
- 로터가 돌면서 흡기포트가 열리고 혼합기가 챔버 내로 유입
- 로터의 회전에 의한 압축, 점화
- 폭발로 인해 팽창된 가스가 로터를 돌려 동력 발생
- 로터가 돌면서 배기포트가 열리고 배기가스 방출.[8]
2.1. 장점
- 저배기량 고출력
옆의 모식도를 보면 알겠지만 배기행정 중에 폭발가스로 로터가 돌아가고 있으며, 흡기쪽에선 흡기가 이뤄진다. 즉 동력의 발생을 일으키는 폭발 행정이 거의 끊임없이 이어지는 특유의 구조로 인해 배기량에 비해 고출력을 낼 수 있으며, 마쓰다의 엔진은 1회전에 1번의 폭발행정(로터 1회전에 폭발 3회, 출력축 3회전)이 있기 때문에 동일한 크기의 4행정 기관 엔진에 대비해 약 2배 정도의 출력을 낼 수 있다.[9]
- 저진동, 고회전
로터의 회전운동이 그대로 미션에 전달되기 때문에 일반 엔진에 비해 진동이 자연스럽게 억제되어 있으며 엔진의 고속회전이 가능해서 고회전에서 출력을 쉽게 짜낼 수 있다. 또한 밸브기구가 필요없어서 고회전의 걸림돌인 밸브스프링 서징 현상따위를 걱정할 필요가 없다. 단적으로, 혼다 S2000의 VTEC 엔진이 극한으로 쥐어 짜내는 9,000rpm은 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 장치 자체가 없는 로터리 엔진에게는 어려운 일이 아니다. 예를 들어 르네시스 엔진은 10,500 RPM까지도 쥐어짜내며 돌릴 수 있다.
- 감성품질
엔진 회전 감성이 부드럽다. 부드럽게 상승하는 회전은 요즘 최신 엔진에서도 어렵지 않게 볼 수 있어서 변별력이 높지 않지만 엔진 브레이크가 미미하다는게 체감할 수 있는 가장 큰 특징이다. 엔진 브레이크를 적극적으로 활용하는 운전자에겐 그 위화감이 상당히 큰데 왕복 엔진 대비 로터리 엔진은 엔진 구동에 있어 저항 자체가 워낙에 미약하기 때문. 애초에 그렇게 고 RPM으로 세팅할 수 있는 이유가 에너지의 방향전환이 딱 한번 이뤄지기 때문. 따라서 에너지의 전달방향이 적어도 2번 이상 바뀌는 피스톤 엔진에 비해 엔진브레이크가 약할 수 밖에없다.
- 간단한 구조
로터리 엔진은 캠샤프트나 밸브기구가 필요없어 구조가 간단하므로 부품 수가 일반 엔진에 비해 몇분의 일 수준까지 줄어든다. 따라서 엔진의 경량화와 소형화, 그리고 부품 정비면에서 현저히 강점을 지닌다. 소기포트를 쓰는 2행정 엔진들이 역류 방지를 위해 흡기쪽에 리드밸브를 두는데 로터리엔진은 흡기포트가 닫히는 순간까지 로터 내 연소실의 부피가 줄지 않으므로 역류현상이 없어 리드밸브도 필요 없다.
- 설계확장성
요즘 자동차업체들이 원가절감을 위해 모듈화 엔진 설계를 하지만, 반켈엔진은 메인샤프트만 새로 길게 깎으면 로터와 하우징을 두개 세개 네개씩 겹쳐서 얼마든지 확장형 엔진을 만들어 낼 수 있다. 일본이나 미국 등 해외에서는 기존 마쓰다 13B용 부품을 조합해서 3로터나 4로터 엔진을 자작하는 매니아들도 있다.
- 엔진 배치의 유리함
마쓰다의 로터리 스포츠카들은 작고 가벼운 엔진 덕분에 엔진을 앞 차축 뒤쪽에 배치하는 프론트 미드십 방식을 도입해 전후 무게 배분을 50:50에 가깝게 유지하고 차 전체 무게를 낮게 하는 패키징이 가능해져서 핸들링에서 좋은 평가를 얻을 수 있었다. 스포츠카 외에도 외에도 소형인 반켈엔진의 장점 덕에 소형차에도[10] 쉽게 탑재 가능했다.
- 낮은 세금
대한민국 자동차 세법의 특성상 배기량으로 세금을 매기기 때문에 소형차 등급의 세금이 나온다는 장점이 있다. 국토해양부가 자동차세 정산 기준을 연비로 바꾸려는 계획이 있었으나, 무산되어서 한국에서 극소수이긴 하지만 이 엔진이 달린 차량을 운전하는 사람들은 지못미가 되는 건 면했다.
이러한 강점들과 구조적인 진동의 억제 때문에 이론상 스포츠카에 가장 적합한 형태의 엔진이라고 할 수 있다.2.2. 단점
- 내구성
반켈엔진이 몰락한 가장 큰 원인. 구조상 기밀상태가 중요할 수 밖에 없는데, 아이러니하게도 이 기밀상태를 유지하기가 힘들다. 따라서 피스톤 역할인 삼각형상의 로터의 끝부분에는 실링을 위해 패드와 장력이 강한 스프링[11]이 장착되어 있다. 스프링의 장력으로 패드를 밀어내서 기밀성을 확보했기 때문에, 이로 인해 장기간 사용시 이 기밀을 유지하는 부분이 마모될 뿐더러, 실린더 역할을 하는 챔버의 내벽을 마모시켜 성능이 점점 저하된다.[12] 거기다 폭발행정도 4행정에 비하면 거의 2배 가까이 일어나는덕에 내구성은 더더욱 시망. 내부가 마모되었을 경우 새 부품으로 교환해주는 리빌트를 하거나, 심한 경우 아예 엔진을 새 걸로 얹어야 하게 되어 엄청난 유지비가 문제시 되었다. 예를 들면 90년대 모델인 RX-7의 엔진 리빌트 주기는 피스톤-실린더 방식의 엔진에 비해 매우 짧은 것으로 악명 높았다. 대략 6만~9만km 선.[13] 아무리 잘 정비해서 타고다녀도 결국 15만선에서 엔진이 퍼져버린다.
그래도 북미나 일본에서는 70~80년대의 로터리 차량들도 계속 근성으로 정비를 거쳐 주행하는 매니아들이 적게나마 존재하지만, 반대로 낮은 내구성과 그에 따른 유지비에 질린 유저들이 튜닝 노하우가 많은 타사 4~6기통 엔진이나 쉐보레 V8 OHV 엔진[14]을 스왑해서 타고 다는 경우도 있다.[15] 또 피스톤 엔진과 달리 사실상 연소실을 식히는 단계가 없기 때문에 열과 부하가 많이 발생하여 내구성이나 일상에서의 사용에 있어서 문제가 되기도 했다. 특히 유온상승이 굉장히 심해 터보를 단 RX-7은 장기전이 될수록 터보의 성능이 저하되는 문제가 있었다. 그래서 Mahle에서 NSU의 의뢰를 받아서 니켈-탄화규소의 복합전해도금 피막인 니카실(Nikasil) 코팅이라는걸 만들었고 현재도 스포츠카와 레이싱 카에 쓰일 정도로 기존 실린더 라이너보다 낮은 마모도를 보여줬지만. 니카실 코팅은 현재까지도 매우 비싼 것이 문제이고, 실린더 마모 문제 때문에 니카실을 채용한 포르쉐 수평대향 엔진도 마모 결함을 못 잡아내고 있다.
- 저연비
1회전에 3회정도 일어나는 폭발행정은 배기량 대비 고출력, 적은 진동과 부드러운 엔진 회전을 가능케 하지만 그만큼 연료를 많이 소모하게 한다.[16][17] 높은 출력을 실현하는 이 엔진의 특성 상, 같은 배기량의 일반 승용차와 연비를 비교하는 것은 어렵기는 하다. 동시기 비슷한 출력의 스포츠카, 특히 터보 스포츠카들과 RX-7의 연비에 알려진 것만큼 큰 차이는 없다. 하지만 기술이 발전하면서 연비가 비약적으로 상승 중인 왕복 엔진과 달리 로터리 엔진은 S/V비율[18]이 구조적으로 높을 수 밖에 없어서 연비를 개선하는데 한계가 뚜렷한 편이다. NA상태에서 연비를 올리려면 압축비를 높여야 하는데 피스톤 엔진보다 고압축비로 설계하기가 어렵다. 그래서 구형 RX-7의 경우 이 때문에 어쩔 수 없이 터보차져를 사용한 측면이 있는데, 문제는 과급으로 인해 배기가스도 비례해서 많아졌고 RX-8에선 다시 자연흡기로 돌아갔다.
- 흡배기 타이밍 제어 불가
가변 밸브인 타이밍이나 리프트처럼 엔진 회전수에 적합한 흡배기 개방 타이밍의 조절 및 개도량의 조절 같은게 안된다. 애초에 밸브기구가 없이 로터의 움직임으로 포트가 열리고 닫히는 방식이라 그렇다. 이를 대응하기 위해 일부러 스파크 플러그를 위 아래로 장착해두긴 했지만, 가변 밸브 타이밍이나 리프트에 비하면 효율이 영 아니었다.
- 환경문제
배기가스 배출규제에 대응하기 어렵다. 엔진이 고출력인 것도 문제이지만, 로터와의 마찰이 심한 연소실의 윤활에 엔진오일이 쓰이기 때문에 오일 내의 유황이나 미연소 재(Ash)가 촉매변환장치를 망가뜨릴 수 있다.
- 토크 부족
저회전대의 토크가 절망적이다. 르네시스 엔진의 토크는 고작 2.7N.m 정도이다. 물론 고회전대에서는 일률이 당연히 높아지니 마력으로 승부를 보는 경향이 크다.
- 고열
위의 장점으로 설명된 고 RPM때문에 안고가는 문제이다. 저회전에서는 토크가 없어서 차가 안나가고 시동 꺼트리기도 쉽기때문에 마쓰다 로터리 차량들은 8~9천까지는 밟아야한다. 문제는 이렇게 고회전을 지속적으로 유지하면 엔진이 과열되기 시작하며 트랜스미션 바로 위에 있는 컵홀더에 음료가 든 컵을 넣어두면 음료가 데워질 수준으로 발열이 심하다. 거기다 터보까지 장착된 RX-7은 열과의 전쟁이었다.
열 자체야 내연기관의 문제지만 폭발이 안그래도 내구성도 약한 반켈 엔진이라 어떤식으로든 파워를 쥐어짜려면 우선적으로 냉각부분에 있어서 많은 공을 들여야 나중에 피 안본다.[19] 심지어 순정상태 그대로 타고다니는 사람들도 운전 후에 본넷을 열어서 엔진을 식히는 수준이라고.
이렇듯 여러 가지 문제점들이 현실에서 반켈 엔진의 대중화를 어렵게 만드는 요인이 되었다.3. 일반 사용례
치명적인 단점이라고 할 수 있는 엔진 내구성, 연비, 배기가스가 문제되어 널리 상용화되지는 못했다. 엔진 소재 및 기술이 크게 발전한 현재도 구조상의 난점과 특허 및 기술개발 비용 등의 문제 때문에 기존의 생산 경험이 없는 다른 메이커에서 굳이 새로 개발하고 생산할 이유가 많지 않은지라, 반켈 엔진의 대중화는 어려울 것으로 전망되고 있다.
이 엔진을 처음 개발한 NSU를 제외하면, 실질적으로 일반 자동차용으로 이 엔진을 대량생산하고 계속해서 개량해 나간 회사는 마쓰다가 유일하다.[20][21] 한때 마쓰다는 소형 파밀리아에서 대형 루체, 스포츠카 RX-7과 코스모에서 상용 트럭에 이르기까지 거의 모든 라인업에 로터리 엔진 모델을 투입했고 더 나아가서는 모든 피스톤 엔진 모델을 반켈 엔진으로 대체하려는 구상을 세우기도 했다. 하지만 위에 열거한 문제로 대부분의 반켈 엔진 모델들은 정리되었고, 나중에 가서는 스포츠카인 RX 시리즈나 코스모 등 몇몇 스페셜티 모델에서만 로터리 엔진을 사용하게 된다.
마쓰다는 1960년대에 코스모의 프로토타입에 반켈 엔진을 최초로 탑재했다. 최초의 프로토타입 엔진은 399cc 짜리 챔버 2개를 직렬 배치하여 총 배기량 798cc, 마쓰다 측 표기로는 399cc x2인 L8A 형식의 엔진이었다. 마쓰다는 이 이후의 로터리엔진에는 "챔버 배기량x개수"를 배기량 표기로 이용했다. 최초로 대량 생산에 이른 것은 이를 개량한 10A(491cc x2, 982cc)형으로, 1967년부터 1세대 코스모의 양산 모델에 사용되었다. 1970년에는 체임버 용적을 573cc로 늘려 배기량을 1,146cc로 늘린 12A 엔진이 처음 등장했고, 배기가스 규제가 강화되기 이전인 RX-3에서 110마력, 배기가스 규제가 강화된 이후 촉매변환 장치를 단 1978년의 SA22C형 RX-7에서 100마력을 냈다. 그 이후 연료분사 방식을 카뷰레터에서 전자식 연료분사장치로 바꾸고, 터보차저와 인터쿨러를 탑재해 출력을 160마력까지 높이는 개량이 이루어졌다. SA22C의 후속 모델인 FC3S와 FD3S RX-7시리즈에는 체임버 용적을 654cc로 늘린 13B 계열이 탑재되었다. 가장 최근에는 13B를 개량하고 자연흡기 방식으로 돌아간 13B-MSP RENESIS 엔진이 RX-8에 탑재되었다.
대량생산된 로터리 엔진 중 가장 크고 강력했던 것은 1990년 코스모의 4세대 모델이었던 유노스 코스모에 탑재된 20B인데, 13B에 2개 사용된 654cc 연소실을 3개 탑재해 1962cc까지 배기량을 키웠고 FD3S RX-7에 도입된 것과 같은 방식의 시퀸셜 트윈터보를 장착해 당시 일본 마력규제 허용 최대치이던 280마력의 최고출력과 41.0kg.m의 최대 토크를 자랑했다. 물론 그보다 작은 13B도 연비와 유지비가 많이 드는데, 더 크고 강력한 20B의 그것은 가히 슈퍼카의 것이라 할 수 있는 지경이었다. 때문에 버블경제의 활황기가 끝난 일본 시장이 감당할 수 있는 물건이 아니었으며, 판매 부진과 마쓰다의 경영악화 속에 코스모의 생산이 1996년에 끝나면서 3로터 엔진의 대량생산은 막을 내린다. 2017년 현재 마쓰다에서는 반켈 엔진 차량을 생산하지 않지만, RX-비전 등 다양한 컨셉트카를 내놓고 있으며 2018년 이후 발매를 목표로 새로운 엔진 개발과 RX 시리즈의 후속 모델 출시를 예고하고 있다.
2020년 10월 8일 마쓰다의 첫 상용 전기차인 MX-30에 소형 로타리 엔진이 배터리 충전용 레인지 익스텐더로 탑재된다는 것이 발표되었다. 모터트렌드 영문판 기사 이미 아우디가 A1 e-tron에 레인지 익스텐더로 반켈 엔진을 사용했던 것과 유사한 방식으로 추정된다. 이렇게 매니아들이 갈망하던 마쯔다 반켈 엔진의 부활은 일단 제한적으로 이루어지게 되었다.
로터리 디젤 엔진은 제작 난이도가 극한에 달하진 않지만, 압축비가 낮고 연료분사가 까다로워 역시 별로 만들어지지 않았다. 롤스로이스의 시험용 엔진이 1990년대에 만들어지기도 했으며, 현대에 와선 Yanmar의 산업용 반켈, DARPA가 실험해보는 것들이 있다.
현재는 작은 크기로 고출력을 요하며 진동이 적어야 하는 분야에 많이 쓰이고 있는데, 경비행기나 초소형 원동기, 소형 무인 항공기에 많이 장착된다. 인도의 DRDO(Defence Research and Development Organisation)사와 NAL(National Aerospace Laboratories)사가 소형 UAV에 사용할 목적으로 배기량 324cc, 최대 출력 55마력/8,000rpm의 소형 로터리 엔진을 공동 개발하고 있다.
수는 적지만 반켈 엔진이 장착된 오토바이가 시판된 적이 있었다.
4. 레이싱에서
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1991년 59회 르망 24시에서 4로터 R26B 로터리 엔진을 얹은 마쓰다 787B가 종합우승을 차지한 바가 있다. 이 해 가장 빠른 차라는 평가를 받은 것은 미하엘 슈마허가 탑승한 자우버-메르세데스 C11이었고, 그 외에도 포르쉐 962C, 푸조 905, 재규어 XJR-14와 XJR-12 등 강자들이 즐비했지만 다른 차량들이 문제에 시달리는 사이에 극적으로 우승을 차지했다. 이 우승은 반켈 엔진 최초이자 유일의, 일본 메이커 최초의 르망 24시 우승이었으며 27년간 유일한 일본 메이커의 우승이'''었'''다.[22] 하지만 검차가 용이하지 않은 엔진 구조[23]로, 규정이 빡빡한 레이싱에서는 활용하기 어려웠다. 종종 로터리 엔진이 높은 성능으로 인해 견제 혹은 저격을 당해 쓰지 못하게 되었다는 주장이 종종 있는데, 이는 사실이 아니다. 이에 대해서는 마하님 블로그 포스팅을 참고할 것.
그 이유로 LMP와 GTE 카테고리에서는 허용하지 않으며, GT3에서만 허용되어 있다. GT3는 배기량 제한을 두지 않고 마력이 500~600이면 OK라서 마력만 맞춘다면 출전하는 데는 전혀 문제가 없다. 하지만 반켈 엔진 차량을 만드는 데가 없어서 GT3에서도 볼 수는 없다.
이외에도 1970년대 말-90년대 초 마쓰다 RX-7이 일본, 미국, 유럽, 호주 등의 각종 투어링카 무대에서 활약했으며, 80년대에는 4륜구동차들을 앞세운 유럽 메이커들에 밀려 성과를 거두진 못했지만 RX-7을 베이스로 한 그룹B 경주차로 WRC에 도전하기도 했지만 이쪽 역시 2.0L 이하 배기량을 지닌 4기통으로 700마력을 내는 광기가 넘치는 차량들이 많아서 활약하지 못했다.
5. 관련 문서
- 마쓰다 로터리엔진 목록
- NSU 스파이더[24], NSU Ro80
- 마쓰다 RX-7, 마쓰다 RX-8, 마쓰다 루체, 마쓰다 코스모, 마쓰다 패밀리아[25], 마쓰다 로터리 엔진 픽업[26]
- 시트로엥 GS, 시트로엥 아미 - GS Birotor와 아미 8의 파생형인 M35에 반켈엔진이 장착되었다.
- 라다 쥐굴리, 라다 사마라, 가즈 볼가 - 소련 시절 반켈 엔진 탑재형이 소수 생산되었지만 대부분 경찰이나 정보기관의 추격용 차량으로 쓰여 민간에는 거의 팔리지 않았다.
[1] 안에 삼각 로터가 도리토스를 닮았다고 나온 별명(...)[2] 펠릭스 반켈은 뮌헨공대 명예박사를 받았으며, 반켈엔진 라이센스로 돈을 많이 벌었다. 그의 발명으로 Ro80이나 RX-7 같은 자동차가 나왔음에도 본인은 고도근시 때문에 운전면허를 취득하거나 운전을 한 적이 없다.[3] 흑역사로는 젊은 시절의 열렬한 나치 행적이 있는데, 위키에 따르면 그냥 출세를 위해 지나가는 정도가 아니라 1920년대 초창기에 이미 여러 반유대주의 극우 단체들을 거쳐 나치당에 가입하고 맥주홀 폭동 실패 이후 나치당이 공식적으로 금지를 먹은 기간에도 여러 하부조직에서 조직원 훈련 등의 활동을 하다 1926년 다시 당원이 되었을 정도의 열성 초기 멤버였다. 1930년대에는 히틀러 유겐트의 바덴 지역 지도자 역할을 맡기도 했다고 한다. 반켈 본인은 그레고어 슈트라서를 추종하는 나치당내 좌파 쪽 성향이어서 다른 당 간부들과 대립을 겪다 수감되기도 하였으나 반켈의 친구이자 당시 히틀러의 경제자문이던 빌헬름 케플러의 빽으로 풀려나기도 했다. 반켈은 1937년에 나치 당원 제가입을 신청했으나 모종의 이유로 거절되었고, 1940년에는 돌격대에 상급돌격대지도자로 입단했으나 2년 뒤 역시 모종의 이유로 다시 나오게 되었다고 한다. 이 나치 행적 덕분에 나치 독일의 패전 이후 반켈은 프랑스에 수감되기도 했으나 50년대부터 다시 기술자로 활동을 재개했다.[4] 반켈이 이와 유사한 설계를 처음 고안한 것은 1924년이었다고. 단 51년 NSU에서 최초로 만든 반켈의 로터리 엔진은 로터뿐 아니라 연소실인 하우징 역시 회전하는 매우 복잡한 물건이었다. NSU의 다른 엔지니어인 한스 디터 파슈케(Hans Dieter Paschke)의 프로토타입은 보다 우리에게 익숙한 로터만 회전하는 설계였고 엄밀히 따지면 이 쪽이 실용화된 반켈 로터리 엔진의 근원에 더 가깝다.[5] 상술된 서방세계의 자동차 메이커 이외에도 심지어 동독이나 이스라엘 같은 데서도 라이센스를 사갔다고.[6] 폭스바겐이 NSU를 인수한 뒤 아우디의 전신이던 아우토 우니온과 NSU를 합병시키며 현재의 아우디의 형태가 되었다.[7] 로터 자체는 완전한 회전운동을 하는게 아니기 때문에 이를 회전운동으로 변환하기 위한 역할을 한다. 또한 이게 있어야 로터가 하우징을 긁지 않는다.[8] 이 때 소량의 불완전 연소된 가스가 순간적인 오버랩(흡기/배기 포트가 동시에 개방된 상태)에 의해 챔버 내의 사이클을 다시 돌게 된다.[9] 일례로 마쓰다 RX-7은 배기량이 1300cc 싱글터보지만 출력이 트윈터보 2600cc의 닛산 스카이라인 GT-R과 동일한 280 마력이다. 다만 당시 자동차법상 일본 내수용 차량들이 280마력,180km/h를 넘기지 못한것또한 고려할 필요가 있으며,해당 법의 폐지 이후에 닛산이 R34 Z-Tune으로 500마력을 기록하기도 했다.[10] 로터리 엔진 전문 튜너로 유명한 RE 아메미야에서는 이미 80년대에 경차인 마쓰다 샹테에 12A를 바꾼 적도 있다.[11] Apex Seal이라 불리는 부분이다.[12] 마쓰다에서는 이 문제를 악마의 발톱이라고 표현했다.[13] 일반 4행정 차량들은 그냥 계속 써도 된다. 아예 무보링으로 99만도 찍는 차도 심심치않게 보일정도니...[14] LS 엔진. 팩키징이 8기통 치고 작아 미국에서 엔진스왑할때 1위 후보.[15] RX-7 자체가 1.3L 밖에 안되는 엔진이었지만 프론트 미드십 레이아웃을 실현하기 위해 엔진을 뒤로 쭉 빼는 과정에서 엔진룸이 길어져서 V8도 무리없이 들어간다고. 다만 이 경우엔 엔진과 기타 부품들의 무게나 무게배분 상의 차이 때문에 원래 RX-7의 패키징이 가져온 무게배분이나 핸들링상의 강점을 일부 손상시키기도 한다. 회전질감도 꽤 차이가 있고...[16] RX-8에 실린 13B-MSP에서 7.4km/L정도의 연비가 나왔고, 터보마저 달린 RX-7은 이보다 더했다. 중요한건 둘다 소형차 수준의 배기량(1.3L)이라는 것. 때문에 RX-7의 오너들은 달릴 때마다 배기구에서 500원짜리가 줄줄이 새어나간다는 표현을 쓰기도 했다. 이보다 안 좋은 연비를 지닌 차량은 얼마든지 있지만, 대부분 고급 차량이고 대체로 오너들은 그정도 유지비를 감당할 수 있는 수입이 있다. 반면 RX-7은 국내 중고차 거래가가 가장 높은 게 1,500 가량일 정도로 차덕후 사이에선 가난한 자의 스포츠카로 여겨졌지만, 악명 높은 연비로 인해 꺼려하는 분위기였다. 그래서 슈퍼카들이 가끔 배기구에서 지폐가 떨어진다라는 농담을 하는 동안 RX-7은 모양새 빠지게 동전이 샌다라는 표현을 쓰게 된 것이다.[17] 특히 로터리 엔진과 카뷰레터의 조합은 충격적인 시너지를 만들어낸다. 70년대 초반까지 마쓰다 차량인 코스모, RX2, RX3는 전부 자연흡기 카뷰레터를 사용했는데 RX3은 15.4MPG, 약 6.5km다. 여기까지만 보면 엄청나게 나쁜건 아닐지 모르지만 100마력안팎인 차량의 연비가 6km면 매우 심각하긴 하다.... 다만 예외로 67년식 코스모는 19mpg, 약 8km대의 연비를 보여준다. 다만 초기형 코스모의 배기량이 낮기는 했지만...[18] Surface/Volume 비율, 연소실의 표면적이 높으면 이를 통한 열손실이 많아 엔진의 효율이 줄어든다. 원통실린더+반구형으로 S/V비가 작은 피스톤 왕복엔진보다 평면이 많은 로터리 엔진이 불리하다.[19] 가장 많이 하는 튜닝은 라디에이터 증축.[20] 이 엔진을 도입할 때 마쓰다의 앞길이 막막했다. 중소 규모의 메이커들은 무언가 특이한 기술이 없으면 일본 정부에 의해 자동차 산업 경쟁력 강화를 명목으로 강제합병을 처리받을 수도 있었다. 그래서 개발을 시작한게 이 엔진. 이때문에 혼다도 4륜차 진출의 길이 막히기 전 부랴부랴 자동차를 만들기 시작하고, 스바루도 수평대향 엔진을 쓰게 되었다.[21] 아우디가 지금 쓰고 있는 건 전기차에 모터 충전을 위해 쓰이는 조그만한 레인지 익스텐더다. 구동력을 직접 제공하는 엔진이라기보다는 차내에 달린 발전기에 가깝다.[22] 2018년에 드디어 토요타 가주 레이싱의 눈물겨운 노력이 결실을 맺은것인지 TS050 하이브리드 차량으로 우승을 차지하면서 일본 메이커의 유일한 우승이라는 기록이 깨졌다.[23] 배기량이 규정을 만족하는지 확인하려고 해도 보통의 피스톤 엔진과 달리 배기량을 측정하기가 어렵다.[24] 반켈 엔진이 장착된 최초의 자동차로. 슈포르트 프린츠를 기반으로 만들었다.[25] 2세대 한정.[26] 무려 세계 최초의 로터리 엔진 픽업이다.