방켈 엔진

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1. 개요

방켈 엔진은 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축 대신 회전하는 로터를 사용하여 동력을 생성하는 내연기관이다. 1920년대부터 개발이 시작되어 1950년대 NSU와 마쓰다에 의해 자동차에 적용되었다. NSU는 1964년 NSU 스파이더를 출시했고, 마쓰다는 1967년 코스모 스포츠를 선보이며 경쟁했다. 하지만, 초기 뱅켈 엔진은 씰링, 연비, 배기가스 문제로 어려움을 겪었고, 1970년대 오일 쇼크로 인해 개발이 중단되는 위기를 맞았다. 마쓰다는 기술 개발을 지속하여 2003년 RX-8에 레네시스 엔진을 탑재했지만, 유럽 배출 기준을 충족하지 못해 2012년 생산이 중단되었다. 2023년 마쓰다는 MX-30 R-EV를 통해 발전용 회전식 엔진을 부활시켰다. 방켈 엔진은 경량, 소형화, 부드러운 회전, 적은 부품 수 등의 장점을 가지지만, 씰링, 연소실 문제, 열역학적 단점, 배기가스 문제 등의 단점도 가지고 있다. 자동차 외에도 오토바이, 항공기, 발전용 엔진 등 다양한 분야에 활용된다.

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방켈 엔진
개요
방켈 엔진 작동 방식 애니메이션
유형	내연 기관
설계	피스톤리스 회전식
개발자	펠릭스 방켈
작동 방식	편심 회전 운동
작동 원리
주요 부품	로터 편심축 하우징
연소 과정	흡입 압축 연소 배기
동력 전달	로터의 회전 운동이 편심축을 통해 출력으로 전달
특징
장점	높은 출력 대 중량비 부드러운 작동 적은 진동 단순한 구조 높은 회전수
단점	높은 연료 소비 높은 배출 가스 로터 팁 실링의 마모 문제 낮은 저속 토크
역사
개발 시기	1950년대
최초 상용화	NSU의 NSU 스파이더 (1964년)
주요 제조사	NSU 마쓰다 커티스-라이트
활용 분야
자동차	마쓰다 RX-7 마쓰다 RX-8
항공기	일부 실험용 항공기에 사용
기타	모터보트 발전기 오토바이
추가 정보
로터의 움직임	편심 회전 운동을 함
편심 축	로터의 회전 중심과 다른 축을 가짐
출력 축	로터의 회전 운동이 전달되는 축
기타
관련 용어	로터 하우징 편심축 에이펙스 실
기술적 과제	연비 및 배기가스 감소, 내구성 향상
논란	높은 연료 소비 및 배출 가스 문제

2. 역사

펠릭스 뱅켈은 1920년대에 회전식 압축기를 설계하고 1934년에 회전식 엔진에 대한 첫 번째 특허를 받았다.^[6] 1951년, 독일 NSU 모토렌베르케에서 오토바이 엔진용 과급기를 설계하면서 삼각형 로터 설계를 고안했다.^[7]

1954년, NSU는 뱅켈과 함께 회전식 내연기관 개발에 동의했다. 1957년 2월 1일, 최초의 작동 시제품인 DKM 54가 NSU 연구 개발 부서에서 가동되었으나,^[11]^[12] 복잡한 설계로 인해 실용적이지 않았다.^[4] NSU 개발 책임 엔지니어 발터 프로에데는 한스-디터 파슈케의 설계를 사용해 DKM을 KKM으로 전환했다.^[4]

뱅켈은 1961년 6월 13일 KKM 엔진에 대한 미국 특허를 획득했고,^[18] 1958년 7월 1일에 최초 가동되었다.^[21] 1963년, NSU는 자동차용 최초의 양산형 뱅켈 엔진인 KKM 502를 생산하여 NSU 스파이더 스포츠카에 사용했다.

NSU는 전 세계 여러 회사에 뱅켈 엔진 설계 라이선스를 허가했으며, 많은 회사가 개선을 실시했다. 다음은 1973년 볼프-디터 벤징거가 제시한 라이선스 취득 회사 목록이다.^[54]^[55]

회사명	라이선스 취득 연도	엔진 유형 및 특징
커티스-라이트	1958년	공랭식 및 수랭식 엔진, 100PS;^[57] 1984년 디어에 라이선스 판매^[58]
피히텔 & 자흐스	1960년	산업용 및 선박용 엔진, 0.5PS
얀마	1961년	최대 100PS 선박용 엔진 및 최대 300PS 경유 엔진
도요 고교 (마쓰다)	1961년	최대 200PS 자동차 엔진
퍼킨스 엔진	1961년	1972년 이전까지 최대 250PS 모든 유형의 엔진
클뢰크너-훔볼트-도이츠	1961년	경유 엔진; 1972년 개발 종료
다임러 벤츠	1961년	1976년까지 50PS부터 350PS까지 모든 유형의 엔진
MAN	1961년	경유 엔진; 1972년 개발 종료
크룹	1961년	경유 엔진; 1972년 개발 종료
라인슈탈-하노마그	1963년	40PS 가솔린 엔진; 1972년 다임러-벤츠와 합병
알파 로메오	1964년	50PS 자동차 엔진
롤스로이스	1965년	100PS 경유 또는 다중 연료 엔진
VEB 아우토모빌바우	1965년	0.25PS 및 50PS 자동차 엔진; 1972년 라이선스 포기
포르셰	1965년	50PS 스포츠카 엔진
아웃보드 마린	1966년	50PS 선박용 엔진
코모토르 (NSU 모토렌베르케 및 시트로엥)	1967년	40PS 가솔린 엔진
그라우프너	1967년	0.1PS 모형 엔진
사브켈	1969년	0.5PS 산업용 가솔린 엔진
닛산	1970년	80PS 자동차 엔진
제너럴 모터스	1970년	항공기 엔진을 제외한 모든 유형의 엔진, 최대 4로터 엔진
스즈키	1970년	20PS 오토바이 엔진
토요타	1971년	75PS 자동차 엔진
포드 독일 (포드 자동차 포함)	1971년	80PS 자동차 엔진
BSA	1972년	35PS 가솔린 엔진^[59]
야마하	1972년	20PS 가솔린 엔진
가와사키 중공업	1972년	20PS 가솔린 엔진
브런스윅 코퍼레이션	1972년	20PS 엔진
잉거솔 랜드	1972년	350PS 엔진
아메리칸 모터스	1973년	80PS 가솔린 엔진

1961년, 소련 연구 기관(NATI, NAMI, VNIImotoprom)이 완켈 엔진 개발을 시작했고, 1974년 아브토바즈 공장 특수 설계국으로 이관되었다.^[60]

2. 1. 개발 배경

펠릭스 뱅켈은 1920년대에 회전식 압축기를 설계하고 1934년에 회전식 엔진에 대한 첫 번째 특허를 받았다.^[6] 1951년, 뱅켈은 독일 NSU에서 NSU의 오토바이 엔진용 과급기로 회전식 압축기를 설계하기 시작했다. 뱅켈은 압축기에서 삼각형 로터 설계를 고안했다.^[7]

1954년, NSU는 펠릭스 뱅켈과 함께 오토바이 엔진용 과급기 설계를 기반으로 회전식 내연기관을 개발하는 데 동의했다. 최초의 작동하는 시제품인 DKM 54는 1957년 2월 1일 NSU 연구 개발 부서인 ''Versuchsabteilung TX''에서 처음 가동되었다. 이는 21 PS(약 15.4 kW)의 출력을 생성했다.^[11]^[12]

고정된 중앙축을 가진 복잡한 설계로 인해 DKM 엔진은 실용적이지 않았다.^[4] NSU 개발 책임 엔지니어인 발터 프로에데는 한스-디터 파슈케의 설계를 사용하고 DKM을 나중에 KKM으로 알려지게 될 것으로 전환하여 이 문제를 해결했다.^[4]

뱅켈은 1961년 6월 13일 KKM 엔진에 대한 미국 특허 2,988,065를 획득했다.^[18] 최초 가동은 1958년 7월 1일이었다.^[21] 1963년, NSU는 자동차용 최초의 양산형 뱅켈 엔진인 KKM 502를 생산했다. 이것은 약 2,000대가 제작된 NSU 스파이더 스포츠카에 사용되었다.

회전식 엔진의 연구는 원리적으로는 오래전부터 진행되어 왔지만, 그중 유일하게 실용화된 소위 뱅켈 엔진은 1957년 당시 서독의 NSU사와 뱅켈이 공동 연구를 통해 개발에 성공했다.^[209]

2. 2. NSU와 마쓰다의 경쟁

1961년, 마쓰다와 NSU는 방켈 엔진 개발을 위한 연구 계약을 체결하고, 최초의 방켈 엔진 자동차를 시장에 출시하기 위해 경쟁했다. 마쓰다는 그 해에 실험용 로터리 엔진을 생산했지만, NSU는 1964년 스포티한 NSU 스파이더를 출시하며 최초로 로터리 엔진 자동차를 판매했다. 마쓰다는 같은 해 도쿄 모터쇼에서 2로터 및 4로터 로터리 엔진을 전시하며 맞섰다.^[11] 1967년, NSU는 로터리 엔진을 탑재한 고급차 Ro 80의 생산을 시작했다.^[137]

하지만 마쓰다와 커티스-라이트와는 달리 NSU는 로터의 정점 실(apex seal)을 신뢰할 수 있게 생산하지 못했다. NSU는 정점 실 마모, 부족한 샤프트 윤활, 낮은 연비 문제로 인해 엔진 고장이 잦았고, 이 문제는 1972년까지 해결되지 않아 많은 보증 비용이 발생하며 NSU의 추가적인 로터리 엔진 개발을 제한했다. 이처럼 조기에 출시된 새로운 로터리 엔진은 모든 제조사의 평판에 악영향을 미쳤고, 1970년대 후반 NSU가 생산한 마지막 엔진에서 이러한 문제가 해결되었음에도 불구하고 판매량은 회복되지 않았다.^[11]

2. 3. 오일 쇼크와 그 이후

1973년 오일 쇼크로 원유 가격이 급등하면서, 연비가 좋지 않은 로터리 엔진은 불리한 상황에 놓였다.^[247] NSU와 제휴했던 여러 회사들은 로터리 엔진 개발을 포기하고 생산을 중단했지만, 마쓰다는 유일하게 로터리 엔진 생산을 지속했다.^[247] 시간이 지나면서 로터리 엔진을 채택하는 차종은 줄어들었고, 1996년 유노스 코스모 생산 종료 이후에는 RX-7만이 유일하게 로터리 엔진을 탑재했다.

2003년, 마쓰다는 RX-7의 후속 모델인 RX-8을 출시하며 '레네시스' 로터리 엔진을 선보였다. 이 엔진은 배기 포트를 기존의 페리페럴 포트에서 사이드 포트로 변경하여 흡배기 오버랩을 없애 연비를 향상시켰다.^[247] 그러나 배기 포트 변경으로 인해 사이드 실 마모나 그을음 부착과 같은 새로운 문제도 발생했다.

2012년 6월, RX-8 생산이 중단되면서^[247] 로터리 엔진을 탑재한 양산차는 마쓰다 라인업에서 사라졌다. 그러나 마쓰다는 레인지 익스텐더(전기자동차의 발전용)나 수소 로터리 엔진으로 로터리 엔진을 활용할 계획을 발표했다.^[248]^[249]^[250]^[210] 2013년 12월에는 데미오 EV에 로터리 엔진을 탑재한 레인지 익스텐더 시스템 시제차를 공개하기도 했다.^[251]

2023년, 마쓰다는 MX-30에 발전용 로터리 엔진을 탑재한 플러그인 하이브리드 모델 "MX-30 Rotary-EV"를 발표하고, 같은 해 9월 14일부터 일본 내에서 예약 접수를 시작했다. 이는 RX-8 생산 종료 이후 11년 만에 로터리 엔진을 탑재한 마쓰다 양산차가 부활한 것이다.^[252]

3. 구조

반켈 엔진은 회전 피스톤 엔진의 한 종류로, 크게 두 가지 주요 형태로 나뉜다. 하나는 펠릭스 반켈이 설계한 '''''Drehkolbenmotor'''''(DKM, "회전 피스톤 엔진")이고, 다른 하나는 한스-디터 파슈케^[2]가 설계한 '''''Kreiskolbenmotor'''''(KKM, "원형 피스톤 엔진")이다. 이 중 KKM 방식만이 상용화되었기 때문에, 현재 양산되는 모든 반켈 엔진은 KKM 유형이다.

'''DKM 엔진''': 두 개의 로터가 있는데, 하나는 내부의 트로코이드형 로터이고 다른 하나는 외부 원형 모양과 내부 8자 모양을 가진 외부 로터이다. 중앙 축은 고정되어 있고, 토크는 내부 로터에 기어로 연결된 외부 로터에서 나온다.^[3]

'''KKM 엔진''': 외부 로터가 고정된 하우징의 일부이다 (따라서 움직이는 부분이 아니다). 내부 축은 내부 로터가 회전하는 편심 로브가 있는 움직이는 부분이다. 로터는 중심을 중심으로 회전하고 편심 축의 축을 중심으로 훌라후프처럼 회전하며, 편심 축의 세 바퀴 회전마다 로터가 한 바퀴 완전히 회전한다. KKM 엔진에서는 편심 축에서 토크를 뽑아낸다.^[4] 이 방식은 기존 동력 전달계에 적용하기가 훨씬 간단하다.^[5]

반켈 엔진은 회전하는 편심 동력 출력축을 가지고 있으며, 회전 피스톤(로터)은 편심부 위에서 훌라후프처럼 회전한다. 2:3형 회전식 엔진, 즉 하우징의 내부가 2엽의 타원형 외주선(내주선과 동등)과 유사하다.^[25] 반대로, 회전 피스톤은 3개의 꼭짓점을 가진 트로코이드 형상(롤로 삼각형과 유사)을 가지고 있다.^[26] 따라서 왕켈 엔진의 로터는 끊임없이 3개의 움직이는 작동실을 형성한다.^[26] 로터 꼭짓점에 있는 밀봉 장치가 하우징 주변부에 밀착되어 밀봉된다.^[30] 로터는 외부 실린더가 아닌 기어와 편심 출력축에 의해 회전하며, 외부 엔진 하우징과 접촉하지 않는다. 팽창된 가스 압력의 힘이 로터에 작용하여 출력축의 편심 부분 중앙에 압력을 가한다.

모든 실용적인 반켈 엔진은 4행정 엔진이다. 이론적으로 2행정 엔진도 가능하지만, 흡입 가스와 배기 가스를 제대로 분리할 수 없어 실용적이지 않다.^[16] 오토 사이클과 유사하게 작동하며, 압축 점화를 사용하는 디젤 엔진은 실용적인 반켈 엔진에는 사용할 수 없다.^[27] 따라서 반켈 엔진은 일반적으로 고전압 점화 시스템을 갖추고 있다.^[28]

삼각형 로터의 한 면은 로터 한 바퀴 회전(출력축 3회전과 동일)마다 흡입, 압축, 팽창, 배기의 4단계 오토 사이클을 완료한다.^[29] 고정된 꼭짓점 사이의 로터 형상은 연소실의 부피를 최소화하고 압축비를 최대화하기 위한 것이다.^[30]^[31] 로터는 3면을 가지고 있으므로, 로터 한 바퀴 회전당 3회의 동력 펄스가 발생한다.

왕켈 엔진은 왕복 피스톤 엔진에 비해 불규칙성이 훨씬 낮아 부드럽게 작동한다. 이는 관성 모멘트가 낮고 더 균일한 토크 전달로 인해 과도한 토크 영역이 적기 때문이다. 예를 들어, 2로터 왕켈 엔진은 4기통 피스톤 엔진보다 두 배 이상 부드럽게 작동한다.^[32] 편심 출력축은 왕복 피스톤 엔진의 크랭크축과 같은 응력 관련 윤곽선이 없다. 따라서 최대 회전 속도는 주로 동기화 기어의 치합 하중에 의해 제한된다.^[33] 7,000 또는 8,000rpm 이상의 장시간 작동에는 경화 강철 기어가 사용된다. 자동차용 왕켈 엔진은 유사한 출력의 왕복 피스톤 엔진보다 훨씬 높은 출력축 속도로 작동하지 않는다. 자동차 경주용은 최대 10,000rpm의 속도로 작동하지만, 실린더당 배기량이 상대적으로 작은 4행정 왕복 피스톤 엔진도 마찬가지이다. 항공기에서는 최대 6500 또는 7500rpm으로 보수적으로 사용된다.

3. 1. 구성 요소

회전식 엔진은 왕복 엔진과 달리 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축이 없고, 로터, 하우징, 편심축 등으로 구성된다.^[215] 연료 공급계, 흡배기계, 윤활계, 냉각계, 전기계 등은 왕복 엔진과 유사하나, 로터 자체가 밸브 기능을 하므로 밸브 기구는 필요하지 않다.

로터: 피스톤과 커넥팅 로드 역할을 하며, 트로코이드 곡선에 내접하는 3엽의 내포락선으로 구성된 루로의 삼각형 모양이다. 중앙에 로터 베어링을 통해 편심축이 끼워지는 둥근 구멍이 있고, 가장자리에는 사이드 하우징의 기어부와 맞물리는 내치형 기어(인터널 기어)가 있다. "주먹밥"이라고도 불린다.
실: 피스톤 링 역할을 하며, 로터에 장착된다.
애펙스 실: 로터의 각 꼭짓점에 장착되어 인접 작동실과의 기밀을 유지하며, 페리페럴 포트에서는 흡배기 밸브 역할도 한다.
사이드 실: 로터 측면과 사이드 하우징 사이의 기밀을 유지한다.
코너 실: 애펙스 실과 사이드 실 연결 부분의 기밀을 유지한다.
오일 실: 오일 링 역할을 하며, 작동실로의 윤활유 과다 유입을 방지한다.
편심 축: 크랭크축 역할을 하며, 엔진의 출력축이다. 로터가 장착되는 위치가 중심에서 벗어나 두꺼워진 편심축이다.
하우징: 실린더와 실린더 헤드 역할을 하며, 점화 플러그 장착부와 흡배기 포트가 있다.
로터 하우징: 내측면이 2노드의 페리트로코이드 곡선인 누에고치 모양이며, 내부에서 로터와 편심축의 편심부가 회전한다. 로터 및 사이드 하우징과 함께 연소실을 구성한다. 흡배기 포트쪽과 마주보는 잘록한 부분에 점화 플러그가 장착되며, 대개 트윈 플러그 방식이고, 3플러그 방식도 있다.
사이드 하우징: 로터 하우징의 측면을 막는다. 편심축의 회전축이 통과하는 부분이 있고, 로터와 접하는 면에는 외치형 스테이셔너리 기어가 돌출 고정되어 로터의 내치와 맞물린다. 로터 기어와 스테이셔너리 기어의 치수비는 3:2이다.

회전식 엔진의 작동
흡입→압축→팽창→배기의 오토 사이클이 3세트 동시에 진행
(흡배기 모두 페리페럴 포트의 예)

흡배기 포트는 위치와 형상에 따라 다음과 같이 분류된다.
기본적인 포트

사이드 포트: 사이드 하우징에 설치된 포트. 흡배기 방향과 포트 입구 방향이 90도로 꺾여 효율이 떨어지고, 배기 포트의 경우 열이 쌓여 그을음이 발생하기 쉽다. 그러나 포트 위치와 형상의 자유도가 높고, 오버랩을 작게 억제하여 저회전에서 안정적인 회전과 토크를 확보하기 쉽다. 흡기 포트로는 마쓰다 시판차용 엔진에 주로 채용되고, 레네시스(RENESIS) 13B-MSP 엔진에서는 배기 포트도 사이드 포트로 하여 제로 오버랩을 실현했다.
페리페럴 포트: 로터 하우징의 트로코이드 면에 설치된 포트. 고회전 흡배기 효율이 우수하지만, 로터 정점이 포트를 통과할 때 인접 작동실과 연결되어 흡배기 포트 오버랩을 작게 할 수 없어 혼합이 발생하기 쉽다. 배출가스 값과 연비 악화를 초래한다. 13B-MSP를 제외한 대부분의 엔진에서 배기 포트에 채용되고, 흡기 포트로는 경주용 엔진이나 NSU 엔진 등에 채용되었다.

응용적인 포트

크로스 포트/콤비네이션 포트: 저회전용 프라이머리(사이드 포트)와 고회전용 세컨더리(페리페럴 포트일 수도 있음) 흡기 포트를 조합한 것. 고회전 시 흡기계 내부 제어로 세컨더리 포트를 작동시켜 포트 타이밍 최적화 및 면적 확대를 꾀한다.
브리지 포트: 흡기 사이드 포트의 일종. 경주용 엔진이나 튜닝에서 출력 향상을 위해 사이드 포트를 확장했을 때, 실의 파손/탈락 방지를 위해 실 통과 위치에만 사이드 하우징 내벽을 남겨둔 것. 남겨진 내벽 부분이 다리처럼 보인다.
오기주얼리 포트: 보조 포트. 13B-MSP(6PI 사양)의 3번째 흡기 사이드 포트나 브리지 포트에서 분할된 포트 등으로, 주로 고회전 영역 흡입량 증대에 기여하여 출력 향상을 위해 추가된 포트이다.

3. 2. 작동 원리

흡입→압축→팽창→배기의 오토 사이클이 3세트 동시에 진행
(흡배기 모두 페리페럴 포트의 예)]]

방켈 엔진은 회전하는 편심 동력 출력축을 가지고 있으며, 회전 피스톤이 후프처럼 축의 편심부 위에서 회전한다. 로터는 외부 실린더에 의해 유도되는 것이 아니라 기어와 편심 출력축에 의해 유도되는 회전 운동을 한다. 로터는 외부 엔진 하우징과 접촉하지 않는다. 팽창된 가스 압력의 힘이 로터에 작용하여 출력축의 편심 부분 중앙에 압력을 가한다.^[30]

모든 실용적인 방켈 엔진은 4행정 엔진이다. 이론적으로 2행정 엔진도 가능하지만, 흡입 가스와 배기 가스를 제대로 분리할 수 없기 때문에 실용적이지 않다.^[16] 작동 원리는 오토 사이클과 유사하며, 압축 점화를 사용하는 디젤 사이클은 실용적인 방켈 엔진에는 사용할 수 없다.^[27] 따라서 방켈 엔진은 일반적으로 고전압 점화 시스템을 갖추고 있다.^[28]

방켈 엔진에서 삼각형 로터의 한 면은 로터 한 바퀴 회전(출력축 3회전과 동일, 그림 8 참조)마다 흡입, 압축, 팽창, 배기의 4단계 오토 사이클을 완료한다.^[29] 고정된 꼭짓점 사이의 로터 형상은 기하학적 연소실의 부피를 최소화하고 압축비를 최대화하기 위한 것이다.^[30]^[31] 로터는 3면을 가지고 있으므로, 로터 한 바퀴 회전당 3회의 동력 펄스가 발생한다.

편심축의 편심부가 로터의 구멍에 통과되어 있으며, 편심축의 회전에 따라 그 축 중심 주위를 로터가 공전하지만, 이 둘 사이에서는 자유롭게 회전할 수 있도록 되어 있다. 로터가 자전 1회전하는 동안 3회 공전, 즉 편심축이 3회전하도록 사이드 하우징의 정지 기어와 로터의 내부 기어의 맞물림에 의해 제어된다. 참고로, 편심축의 편심량과 로터 중심에서 정점까지의 거리는, 상기 동작 시 로터의 각 꼭지점이 로터 하우징의 트로코이드 면을 따라가도록 설정되어 있다.

로터와 로터 하우징 사이의 작동실 용적은 로터의 1회 자전 중에 2회씩 팽창과 수축이 발생하지만, 이 사이에 4행정 엔진이 크랭크샤프트 2회전으로 하는 것과 같은 공정(오토 사이클)을 1사이클 실행한다. 이 사이클이 로터의 3개의 변 위에서 위상을 어긋나게 각각 진행되므로, 로터의 자전 1회, 즉 공전 3회 동안 3회의 연소·팽창 과정이 있다. 로터의 자전 운동이 아닌 공전 운동이 편심축을 회전시켜 출력이 된다.

3. 3. 흡배기 포트

흡배기 포트는 하우징에 설치되며, 그 위치와 형상에 따라 다음과 같이 분류된다.

'''기본적인 포트'''

'''사이드 포트:''' 사이드 하우징에 설치된 포트이다. 로터의 회전에 따라 가스를 흡입하고 배출하는 방향과 포트 입구의 방향이 90도로 꺾여 저항이 증가하고 효율이 떨어진다. 배기 포트에 사용하면 꺾이는 각도 주변에 열이 쌓여 그을음이 발생하기 쉽다. 반면, 포트 위치와 형상의 자유도가 높고, 오버랩(하나의 작동실에 흡기, 배기 포트가 동시에 열려 있는 시간)을 작게 조절할 수 있어 저회전에서 안정적인 회전과 토크를 확보하기 쉽다. 하지만 바깥쪽 위치에서 로터 회전 방향으로 포트를 확장하면(레시프로 엔진의 밸브 캠 작용각 확대에 해당) 로터의 정점이 포트 위를 통과할 때 인접한 작동실끼리 연결될 수 있다. 흡기 포트로는 마쓰다의 대부분 시판차 엔진에 채택되었다. 레네시스(RENESIS) 13B-MSP 엔진에서는 배기 포트도 사이드 포트로 만들어 제로 오버랩을 실현했다.
'''페리페럴 포트:''' 로터 하우징의 트로코이드 면에 설치된 포트이다. (오른쪽 상단 그림 참고) 고회전에서 흡배기 효율이 뛰어나지만, 로터의 정점이 포트를 통과할 때 인접 작동실과 연결되어 흡배기 포트의 오버랩을 작게 할 수 없고, 흡배기 사이 혼합이 발생하기 쉽다. 결과적으로 배출 가스 값과 연비가 나빠진다. 13B-MSP를 제외한 대부분의 엔진에서 배기 포트로, 흡기 포트에서는 주로 경주용 엔진 및 NSU 엔진 등에 채택되었다.

'''응용적인 포트'''

'''크로스 포트/콤비네이션 포트:''' 저회전용 프라이머리(사이드 포트)와 고회전용 세컨더리(페리페럴 포트인 경우도 있음)의 2개 흡기 포트를 조합한 것이다. 고회전 시 흡기계 내부 제어로 세컨더리 포트를 작동시켜 포트 타이밍을 최적화하고 포트 면적을 확대한다.
'''브리지 포트:''' 흡기 사이드 포트의 일종으로, 경주용 엔진이나 튜닝에서 출력 향상을 위해 사이드 포트를 하우징 바깥쪽으로 확장했을 때(레시프로 엔진의 밸브 직경이나 밸브 리프트 증가에 해당), 에이펙스 실이나 사이드 실의 파손, 탈락을 방지하기 위해 실 통과 위치에만 사이드 하우징 내벽을 남겨둔 것이다. 남겨진 내벽 부분이 포트에 걸린 다리처럼 보여 브리지 포트라고 불린다.
'''오기주얼리 포트:''' Auxiliary port, 즉 보조 포트이다. 13B-MSP(6PI 사양)가 채용한 3번째 흡기 사이드 포트나 위 브리지 포트에서 분할된 포트 한쪽 등을 말하며, 주로 고회전 영역에서 흡입량 증대에 기여하여 출력 향상을 위해 추가된 포트이다. 브리지 포트 한쪽을 로터 하우징의 트로코이드 면까지 넓혀 반쯤 페리페럴 포트로 만든 경주용 엔진도 있으며, 이런 포트를 오기주얼리 포트라고 부르기도 한다.

4. 장점 및 단점

방켈 엔진은 회전하는 편심 동력 출력축을 가지고 있으며, 회전 피스톤은 축의 편심부 위에서 회전한다. 2:3형 회전식 엔진으로, 하우징 내부가 2엽의 타원형 외주선(내주선과 동등)과 유사하고,^[25] 회전 피스톤은 3개의 꼭짓점을 가진 트로코이드 형상(롤로 삼각형과 유사)을 가지고 있어, 로터는 3개의 움직이는 작동실을 형성한다.^[26] 로터 꼭짓점의 밀봉 장치는 하우징 주변부에 밀착되어 밀봉되며,^[30] 로터는 외부 실린더가 아닌 기어와 편심 출력축에 의해 회전하며 외부 엔진 하우징과 접촉하지 않는다. 팽창된 가스 압력은 로터에 작용하여 출력축 편심 부분 중앙에 압력을 가한다.

모든 실용적인 왕켈 엔진은 4행정 엔진으로, 오토 사이클과 유사하게 작동하며, 압축 점화를 사용하는 디젤 사이클은 실용적이지 않다.^[27] 따라서 일반적으로 고전압 점화 시스템을 갖추고 있다.^[28]

삼각형 로터의 한 면은 로터 한 바퀴 회전(출력축 3회전)마다 흡입, 압축, 팽창, 배기의 4단계 오토 사이클을 완료한다.^[29] 고정된 꼭짓점 사이의 로터 형상은 기하학적 연소실의 부피를 최소화하고 압축비를 최대화한다.^[30]^[31] 로터는 3면을 가지고 있어, 로터 한 바퀴 회전당 3회의 동력 펄스가 발생한다.

왕켈 엔진은 왕복 피스톤 엔진에 비해 불규칙성이 훨씬 낮아 부드럽게 작동하는데, 이는 낮은 관성 모멘트와 균일한 토크 전달로 인해 과도한 토크 영역이 적기 때문이다. 2로터 왕켈 엔진은 4기통 피스톤 엔진보다 두 배 이상 부드럽게 작동한다.^[32] 편심 출력축은 왕복 피스톤 엔진의 크랭크축과 같은 응력 관련 윤곽선이 없어, 최대 회전 속도는 주로 동기화 기어의 치합 하중에 의해 제한된다.^[33] 7,000 또는 8,000rpm 이상의 장시간 작동에는 경화 강철 기어가 사용된다. 자동차용은 유사한 출력의 왕복 피스톤 엔진보다 훨씬 높은 출력축 속도로 작동하지 않으며, 경주용은 최대 10,000rpm, 항공기는 최대 6500 또는 7500rpm으로 사용된다.

시간이 지남에 따라 뱅켈 엔진의 총 배기량을 평가하는 데 여러 가지 방법이 사용되었으며,^[40] 유럽에서는 엔진 배기량에 따라 차량 세금이 부과되었다.^[41] 각 로터에 대해 고려되는 실린더 수를 $y$ , 로터의 수를 $i$ 라 하면 총 배기량은 다음과 같다.

: $V_h=y \cdot V_k \cdot i.$

$p_{me}$ 가 평균 유효 압력이고, $N$ 이 축의 회전 속도이며, $n_c$ 가 순환을 완료하는 데 필요한 축 회전 수( $N/n_c$ 는 열역학적 순환의 주파수)이면 총 출력은 다음과 같다.

: $P = p_{me} \cdot V_h \cdot {N \over n_c} = p_{me} \cdot y \cdot V_k \cdot i \cdot {N \over n_c}.$

NSU는 전 세계 여러 회사에 완켈 엔진 설계 라이선스를 허가했으며, 많은 회사가 지속적인 개선을 실시했다. 1973년 "Rotationskolben-Verbrennungsmotoren"에서 독일 엔지니어 볼프-디터 벤징거는 라이선스 취득 회사를 연대순으로 설명했으며, 존 B. 헤지에 의해 확인되었다.^[54]^[55]^[56]

NSU 라이선스 취득 회사 (1958년 ~ 1973년)
회사명	라이선스 취득 연도	엔진 유형 및 출력
커티스-라이트	1958년	공랭식 및 수랭식 엔진, 100PS;^[57] 1984년 디어에 라이선스 판매^[58]
피히텔 & 자흐스	1960년	산업용 및 선박용 엔진, 0.5PS
얀마	1961년	최대 100PS의 선박용 엔진 및 최대 300PS의 경유 엔진
도요 고교 (마쓰다)	1961년	최대 200PS의 자동차 엔진
퍼킨스 엔진	1961년	1972년 이전까지 최대 250PS의 모든 유형의 엔진
클뢰크너-훔볼트-도이츠	1961년	경유 엔진; 1972년 개발 종료
다임러 벤츠	1961년	1976년까지 50PS부터 350PS까지의 모든 유형의 엔진
MAN	1961년	경유 엔진; 1972년 개발 종료
크룹	1961년	경유 엔진; 1972년 개발 종료
라인슈탈-하노마그	1963년	40PS의 가솔린 엔진; 1972년 다임러-벤츠와 합병
알파 로메오	1964년	50PS의 자동차 엔진
롤스로이스	1965년	100PS의 경유 또는 다중 연료 엔진
VEB 아우토모빌바우	1965년	0.25PS 및 50PS의 자동차 엔진; 1972년 라이선스 포기
포르셰	1965년	50PS의 스포츠카 엔진
아웃보드 마린	1966년	50PS의 선박용 엔진
코모토르 (NSU 모토렌베르케 및 시트로엥)	1967년	40PS의 가솔린 엔진
그라우프너	1967년	0.1PS의 모형 엔진
사브켈	1969년	0.5PS의 산업용 가솔린 엔진
닛산	1970년	80PS의 자동차 엔진
제너럴 모터스	1970년	항공기 엔진을 제외한 모든 유형의 엔진, 최대 4로터 엔진
스즈키	1970년	20PS의 오토바이 엔진
토요타	1971년	75PS의 자동차 엔진
포드 독일 (포드 자동차 포함)	1971년	80PS의 자동차 엔진
BSA	1972년	35PS의 가솔린 엔진^[59]
야마하	1972년	20PS의 가솔린 엔진
가와사키 중공업	1972년	20PS의 가솔린 엔진
브런스윅 코퍼레이션	1972년	20PS의 엔진
잉거솔 랜드	1972년	350PS의 엔진
아메리칸 모터스	1973년	80PS의 가솔린 엔진

1961년, 소련 연구 기관 NATI, NAMI, VNIImotoprom은 완켈 엔진 개발을 시작했고, 1974년 아브토바즈 공장의 특수 설계국으로 이관되었다.^[60] 존 B. 헤지는 소련 자동차 제조업체에 라이선스가 발급되지 않았다고 주장한다.^[61]

배기량에 따라 자동차에 세금을 부과하는 각국 기관과 자동차 경주 규제 기관에서는 4행정 피스톤 엔진과의 비교를 위해 다양한 환산 계수를 사용한다. 그리스는 하나의 로터 면적에 해당하는 작동 챔버 용적에 로터의 개수를 곱하여 자동차 세금을 부과했다. 일본도 1.5의 환산 계수를 적용하여 마쓰다의 13B 엔진이 2리터 세금 한도 미만에 들도록 했다. FIA는 1.8의 환산 계수를 사용했지만, 벤싱어가 설명한 배기량 공식을 사용하여 2.0으로 증가시켰다. DMSB는 모터스포츠에서 1.5의 환산 계수를 적용한다.^[135]

4. 1. 장점

비슷한 출력을 비교했을 때, 냉각 장치를 포함하더라도 가볍고 크기가 작다. 엔진 탑재 위치의 자유도가 높아져, 미드십 레이아웃에 의존하지 않고도 균등한 전후 중량 배분으로 낮은 관성 모멘트를 가지는 스포츠카를 경량·소형으로 만들 수 있다. 또한, 탑재 자유도가 높다는 점은 전기자동차의 레인지 익스텐더에도 적합하다.^[118]
출력축 1회전당 연소 횟수가 2배가 되므로, 같은 총 배기량이라도 출력이 높다.
로터의 공전 운동을 수반하지만 편심량이 작아, 진동이 적고 소음(기계 소음)이 적다.
엔진 회전이 부드럽다. 각 행정이 270°(4행정 레시프로 엔진의 1.5배)로 길기 때문에, 다수 로터 간의 팽창 행정의 겹침이 4행정 레시프로 엔진보다 많고, 로터리 엔진의 토크 변동(실내압에 의한 토크의 파형)이 4행정 레시프로 엔진보다 작아진다. 이 때문에, 상기 연소 횟수 증가와 더불어, 2로터(4행정 엔진의 4기통에 상당)로도 6기통급, 3로터(4행정 엔진의 6기통에 상당)로 8~12기통급의 부드러움을 갖는다고 여겨진다.
밸브 기구가 없기 때문에 엔진 본체의 부품 수가 적고, 또한 밸브 구동에 따른 마찰 손실이 없다.^[119]
연소 온도가 낮기 때문에 노킹하기 어렵고, 연료의 옥탄가의 영향을 받기 어려우며, 어느 정도 불량한 연료에도 견딘다.^[27]^[84]^[85]
연소 온도가 낮기 때문에, 배기가스 중의 질소산화물(NO_x) 농도가 낮다.
구조상 저회전에는 적합하지 않으므로, 배기 에너지를 이용하는 터보차저보다 슈퍼차저와의 상성이 좋다고 여겨진다.

특히 위 장점 중 "저진동, 저소음"은 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 것이 아니라, 원래 회전 운동인 본 엔진의 구조에 기인하는 것이며, 초기에는 성능에서도 레시프로 엔진을 크게 앞질러 '''미래의 엔진'''으로 각광받았고, 전 세계 자동차 제조사가 개발을 하는 큰 이유가 되었다.

4. 2. 단점

방켈 엔진은 여러 단점을 가지고 있어 지속적인 연구 대상이지만, 현재 생산되는 방켈 엔진에는 다음과 같은 문제점들이 있다.^[128]

로터 밀봉 (Rotor sealing): 엔진 하우징은 각 부분마다 온도 차이가 크다. 재료의 열팽창 계수 차이로 인해 완벽하게 밀봉하기 어렵다. 에이펙스 씰(apex seal) 양쪽 모두 연료에 노출되고, 로터 윤활을 정밀하게 제어하기 어렵다. 회전식 엔진은 엔진 속도와 부하에 관계없이 과도하게 윤활되는 경향이 있어 오일 소모량이 많고 탄소 생성 및 오일 연소로 인한 배출 문제가 발생한다. 반면, 피스톤 엔진은 한 챔버에서 모든 기능을 수행하여 피스톤 링이 안정적인 온도에서 작동한다. 4행정 피스톤 엔진은 피스톤 한쪽 면만 연료에 노출되어 다른 쪽에서 오일이 실린더를 윤활할 수 있다. 피스톤 엔진 구성 요소는 실린더 압력과 출력이 증가함에 따라 링 밀봉과 오일 제어를 향상시키도록 설계할 수 있다. 하우징의 서로 다른 영역과 측면 및 중간 판 사이의 온도 차이 및 열 팽창 불균형 문제를 극복하기 위해 열파이프(heat pipe)를 사용하여 엔진의 고온 부분에서 저온 부분으로 열을 전달한다. "열파이프"는 고온 배기가스를 엔진의 차가운 부분으로 유도하여 효율과 성능을 저하시킨다. 소형 배기량, 과급 로터, 공랭식 하우징 방켈 엔진에서 최대 엔진 온도를 에서 로, 엔진의 고온 및 저온 영역 간의 최대 온도 차이를 159°C 에서 18°C로 줄이는 것으로 나타났다.^[129]

에이펙스 씰 들림 (Apex seal lifting): 원심력은 에이펙스 씰을 하우징 표면에 밀착시켜 밀봉한다. 경부하 작동 시 원심력과 가스 압력의 불균형으로 에이펙스 씰과 트로코이드 하우징 사이에 틈이 발생할 수 있다. 엔진 회전 속도가 낮거나 부하가 낮은 조건에서는 연소실의 가스 압력으로 인해 씰이 표면에서 떨어져 다음 챔버로 연소 가스가 누출될 수 있다. 마쓰다는 트로코이드 하우징 형태를 변경하여 씰이 하우징과 평평하게 유지되도록 하는 해결책을 개발했다. 지속적으로 높은 회전수로 방켈 엔진을 사용하면 에이펙스 씰 들림을 방지하여 발전과 같은 분야에 사용할 수 있다. 자동차에서는 이 엔진이 직렬 하이브리드에 적합하다.^[130] NSU는 에이펙스 씰 한쪽에 슬롯을 추가하여 가스 압력을 에이펙스 바닥으로 유도함으로써 이 문제를 해결했다.^[131]

2차원에서 방켈 엔진의 밀봉 시스템은 다기통 피스톤 엔진보다 단순해 보이지만, 3차원에서는 그렇지 않다. 로터 에이펙스 씰 외에도 로터는 챔버 끝에서도 밀봉되어야 한다.

왕복 엔진의 피스톤 링은 완벽한 밀봉이 아니다. 각 링에는 팽창을 위한 틈이 있다. 방켈 로터 정점의 밀봉은 메인 샤프트 케이스가 아니라 인접한 스트로크의 인접한 챔버 사이의 누출이기 때문에 덜 중요하다. 밀봉은 시간이 지나면서 개선되었지만, 주로 윤활 부족으로 인한 방켈 엔진의 효과가 떨어지는 밀봉은 효율 저하의 요인이다.^[132]

회전식 엔진 연소실의 후미 쪽에는 화염 전면을 뒤로 미는 압축 흐름(squeeze stream)이 발생한다. 기존의 1개 또는 2개의 점화 플러그 시스템과 균질 혼합물을 사용하면 이 압축 흐름으로 인해 중간 및 고속 엔진 속도 범위에서 화염이 연소실의 후미 쪽으로 전파되는 것을 방지한다.^[133] 가와사키는 미국 특허 US3848574에서 이 문제를 해결했다. 도요타는 선행 측에 글로우 플러그를 배치하고 흡기 덕트에 리드 밸브(Reed-Valve)를 사용하여 7%의 연비 개선을 달성했다. 2행정 엔진에서 금속 리드는 약 15000km 지속되지만, 탄소 섬유는 약 8000km 지속된다.^[75] 챔버 후미 쪽의 불완전한 연소는 방켈 엔진 배기 가스에 일산화탄소와 미연소 탄화수소가 더 많이 포함되는 이유 중 하나이다. 마쓰다 레네시스에 사용되는 사이드 포트 배기(side-port exhaust)는 포트 중복을 피하기 때문에 미연소 혼합물이 빠져나갈 수 없다. 마쓰다 26B는 3개의 점화 플러그 점화 시스템을 사용하여 이 문제를 해결하고 흡입 혼합물의 완전한 변환을 달성했다. 26B에서는 상부 후미 쪽의 늦은 점화 플러그가 압축 흐름이 시작되기 전에 점화된다.^[134]

배기량에 따라 자동차에 세금을 부과하는 각국의 기관과 자동차 경주의 규제 기관에서는 4행정 피스톤 엔진과의 비교를 위해 다양한 환산 계수를 사용한다. 예를 들어, 그리스는 하나의 로터 면적에 해당하는 작동 챔버 용적에 로터의 개수를 곱하여 자동차 세금을 부과하여 소유 비용을 낮췄다. 일본도 마찬가지였지만 1.5의 환산 계수를 적용하여 마쓰다의 13B 엔진이 2리터 세금 한도 미만에 들도록 했다. FIA는 1.8의 환산 계수를 사용했지만, 나중에 벤싱어가 설명한 배기량 공식을 사용하여 2.0으로 증가시켰다. 그러나 DMSB는 모터스포츠에서 1.5의 환산 계수를 적용한다.^[135]

연소실이 편평하여 표면적이 크고, 로터의 회전에 따라 연소실이 이동하기 때문에 냉각 손실이 크다. 따라서 엔진 크기나 출력을 기준으로 비교하면 더 큰 냉각 장치가 필요하다.
저회전 영역에서 연소 안정성이 낮고, 열효율도 낮아 해당 영역에서의 토크와 응답성은 동일 출력의 레시프로 엔진에 비해 떨어지는 경향이 있다. 시내 주행 등 주로 저회전 영역에서 주행하는 경우 연비 및 운전성(주행성)에서 불리하다.
배기밸브가 없고 배기 포트가 급격히 열리기 때문에 배기 소음이 크고 배기 온도도 높다.
연소실이 편평하고 긴 형태이며, 트레일링 측(흡기 포트 쪽) 구석 부분이 완전 연소되기 어려워 배기 가스 중에 미연소 연료의 탄화수소(C_nH_m) 농도가 높다.
씰의 총 길이가 길어 마찰 손실이 크다.
각 씰에 작용하는 하중 방향 및 미끄럼 속도가 항상 변동하고, 모서리가 있는 부분도 슬라이딩 씰로 밀폐해야 하기 때문에 씰링의 확실성과 내구성을 확보하기 어렵다.
로터 하우징의 트로코이드 면과 로터 상의 아펙스 씰 사이의 윤활을 위해 작동실 내로 오일을 공급해야 하며, 오일 소비량이 많아진다.
로터 제조 공차에 맞춰 크기가 다른 씰을 여러 개 준비해야 하며, 씰 선택과 조립에도 숙련공의 기술이 필요(수작업)하기 때문에 라인 생산에 적합하지 않다.
아펙스 씰 등 특수 부품으로 구성되기 때문에 일반적인 레시프로 엔진과는 다른 정비 지식이 필요하다.

5. 기술적 과제와 해결 노력

뱅켈 엔진은 고정된 위치에서 4행정이 발생하여 불균일한 열팽창에 영향을 받는다. 이는 사용 재료에 큰 영향을 주지만, 뱅켈 엔진의 단순한 구조 덕분에 세라믹과 같은 대체 재료를 사용하기 쉽다.^[79] 알루미늄 하우징의 경우 연소실 영역에는 몰리브덴 층을, 다른 곳에는 강철 층을 분사하는 것이 일반적이다. 주철 하우징은 유도 브레이징으로 연소열 응력에 견딜 수 있게 한다.^[79]

뱅켈 하우징에는 A-132, 인코넬 625, 356 합금 등이 사용되며, 하우징 작동 표면 도금에는 니카실 등 여러 재료가 사용되었다. 시트로엥, 다임러-벤츠 등이 관련 특허를 출원했다. 에이펙스 실 재료는 탄소 합금에서 강철, 페라이트계 스테인리스 등으로 발전했다.^[80] 최적의 수명을 위해 하우징 도금과 에이펙스 및 사이드 실 재료의 조합은 실험적으로 결정되었다. 샤프트에는 마레이징강과 같이 변형이 적은 강철 합금이 선호된다.

초기 뱅켈 엔진은 납 첨가 휘발유를 사용하여 씰과 하우징 마모를 줄였다. 초기 엔진은 휘발유 윤활 특성을 고려해 오일 공급량을 계산했다. 납 첨가 휘발유가 단계적으로 폐지되면서 뱅켈 엔진은 휘발유에 더 많은 오일을 혼합해야 했다.

5. 1. 떨림 자국 (Chatter Mark)

로터 하우징 내벽에 발생하는 파상 마모 현상인 '떨림 자국(차터 마크)'은 초기 회전식 엔진의 주요 문제였다. 이는 로터 하우징 내벽이 이상 마모되는 현상으로, 애펙스 씰의 공진이 원인으로 밝혀졌다.^[245] 애펙스 씰과 로터 하우징은 피스톤 스피드보다 빠른 속도로 접촉하기 때문에, 강도와 내마모성이 요구되었다. 여러 재료를 시험한 결과, 일본 카본과의 공동 개발을 통해 알루미늄 합금과 카본 복합 소재를 개발하여 사용하게 되었다.^[245] 이 소재는 강도 문제를 해결하고 떨림 자국 발생을 억제했다. 또한, 로터 하우징 내면에는 경질 크롬 도금을 실시하여 내마모성을 향상시켰다.^[245]

5. 2. 씰링 문제

회전식 엔진은 로터와 하우징 사이, 그리고 하우징을 구성하는 여러 부품 사이에서 씰링 손실이 발생하기 쉬웠다. 초기 모델에서는 탄소 입자가 씰과 케이싱 사이에 끼어 엔진이 멈추는 문제도 발생하여,^[11] 부분적인 재조립이 필요했다. 초기 마쓰다 엔진은 80467km 주행 후 재조립이 필요한 경우가 많았다. 하우징 내부의 불균일한 열 분포는 변형을 일으켜 씰링과 압축 손실을 유발했고, 이는 에이펙스 씰과 로터 하우징 사이의 불균일한 마모를 야기하여 고마일리지 엔진에서 두드러지게 나타났다.^[11] 엔진이 작동 온도에 도달하기 전에 무리하게 작동시키면 문제가 더욱 악화되었다.

하지만 마쓰다는 지속적인 연구 개발을 통해 이러한 문제들을 해결했다. 현재 엔진에는 씰링 관련 부품이 거의 100개에 달한다.^[11]

뱅켈 엔진 개발 초기에는 납 첨가 가솔린 연료가 주로 사용되었는데, 납은 고체 윤활제 역할을 하여 씰과 하우징의 마모를 줄였다. 초기 엔진은 휘발유의 윤활 특성을 고려하여 오일 공급량을 계산했다. 납 첨가 휘발유가 단계적으로 폐지되면서, 뱅켈 엔진은 엔진 부품에 윤활을 제공하기 위해 휘발유에 더 많은 오일을 혼합해야 했다.

마쓰다는 씰 재료와 구조를 개선하여 씰링 문제를 해결했다. 초기에는 알루미늄 함침 탄소 에이펙스 씰을 사용했고, 이후에는 더욱 적합한 재료를 도입하여 씰과 하우징 코팅의 호환성을 높였다.^[69]

5. 3. 열역학적 단점

회전식 엔진은 넓은 표면적과 불량한 연소실 형상으로 인해 열효율이 낮고 연료 소비량이 많다.^[124] 완켈 엔진의 일반적인 최대 효율은 약 30% 정도이다.^[125]

연소실이 길고 얇으며 움직이기 때문에 연료 연소가 느리다. 화염 전파는 거의 로터의 회전 방향으로만 일어나며, 이는 연료와 공기 혼합물의 급랭각을 악화시켜 고속 회전 시 미연탄화수소의 주요 원인이 된다. 연소실의 후미 쪽에서는 자연적으로 "압착 흐름"이 발생하여 화염이 연소실 후미에 도달하는 것을 방지하며, 연료와 공기 혼합물의 급랭각 현상을 악화시킨다. 연료를 연소실 전면부에 분사하는 직접 분사 방식을 사용하면 배기가스 내 미연 연료량을 최소화할 수 있다.^[126]^[127]

마쓰다는 레네시스 엔진에서 배기 포트를 연소실 측면으로 이동시켜 흡기 및 배기 포트 개방 간의 중복을 제거하는 동시에 배기 포트 면적을 늘렸다. 이 설계는 저속 및 경부하 범위에서 연소 안정성을 개선했다. 측면 배기 포트 로터리 엔진의 HC 배출량은 주변 배기 포트 뱅켈 엔진보다 35~50% 적다.^[97]

직접 분사 성층 연소 엔진 기술,^[87]^[88] 레이저 점화 기술^[103] 등 새로운 기술 도입을 통해 효율 개선 노력이 이루어지고 있다.

5. 4. 기타 기술적 과제

방켈 엔진은 여러 기술적 과제를 안고 있으며, 이는 지속적인 연구 대상이다. 주요 과제는 다음과 같다:^[128]

로터 씰링(Rotor sealing): 엔진 하우징 내 온도 차이가 커서 완벽한 밀봉이 어렵다. 에이펙스 씰(apex seal) 양쪽이 연료에 노출되고, 로터 윤활 제어가 어려워 오일 소모량이 많고 탄소 생성 및 배출 문제가 발생한다. 열 파이프(heat pipe)를 사용하여 고온부의 열을 저온부로 전달하여 온도 차이를 줄이는 연구가 진행되었다. 소형 배기량, 과급 로터, 공랭식 하우징 방켈 엔진에서 최대 엔진 온도를 129°C로, 엔진의 고온 및 저온 영역 간의 최대 온도 차이를 18°C로 줄이는 것으로 나타났다.^[129]

에이펙스 씰 리프팅(Apex seal lifting): 경부하 작동 시 원심력과 가스 압력 불균형으로 에이펙스 씰과 하우징 사이에 틈이 발생하여 연소 가스가 누출될 수 있다. 마쓰다는 트로코이드 하우징 형태를 변경하여 이 문제를 해결하려 했다.^[130] NSU는 에이펙스 씰 한쪽에 슬롯을 추가하여 가스 압력을 에이펙스 바닥으로 유도함으로써 이 문제를 해결했다.^[131]

불완전 연소: 연소실 후미 쪽의 압축 흐름(squeeze stream)이 화염 전파를 방해하여 일산화탄소와 미연소 탄화수소 배출량이 증가한다. 마쓰다 26B는 3개 점화 플러그 시스템을 사용하여 이 문제를 해결했다.^[134]

기타 문제점:
저속 회전 시 흡기 관성 부족으로 연비 악화 및 토크 부족 발생.
잦은 정비 필요.
엔진 오일 소모량이 빠름.
레시프로 엔진 대비 낮은 내구성(정비 시 신뢰성은 유사).

이러한 문제점에도 불구하고, 방켈 엔진은 단순한 구조 덕분에 이국적인 합금 및 세라믹과 같은 대체 재료를 사용하기 쉽다는 장점이 있다.^[79]

6. 응용 분야

NSU는 전 세계 여러 회사에 다양한 형태의 완켈 엔진 설계에 대한 라이선스를 허가했으며, 많은 회사가 지속적인 개선을 실시했다. 1973년 독일 엔지니어 볼프-디터 벤징거는 자신의 저서에서 라이선스를 취득한 회사들을 연대순으로 설명했다.^[54]^[55]^[56]

회사명	내용
커티스-라이트	1958년부터 모든 유형의 엔진을 개발, 1984년 디어에 라이선스 판매.^[57]^[58]
피히텔 & 자흐스	1960년부터 산업용 및 선박용 엔진 개발.
얀마	1961년부터 선박용 엔진 및 경유 엔진 개발.
도요 고교 (마쓰다)	1961년부터 자동차 엔진 개발.
퍼킨스 엔진	1961년부터 1972년 이전까지 모든 유형의 엔진 개발.
클뢰크너-훔볼트-도이츠	경유 엔진 개발, 1972년 종료.
다임러 벤츠	1961년부터 1976년까지 모든 유형의 엔진 개발.
MAN	경유 엔진 개발, 1972년 종료.
크룹	경유 엔진 개발, 1972년 종료.
라인슈탈-하노마그	1963년부터 가솔린 엔진 개발, 1972년 다임러-벤츠와 합병.
알파 로메오	1964년부터 자동차 엔진 개발.
롤스로이스	1965년부터 경유 또는 다중 연료 엔진 개발.
VEB 아우토모빌바우	1965년부터 자동차 엔진 개발, 1972년 라이선스 포기.
포르셰	1965년부터 스포츠카 엔진 개발.
아웃보드 마린	1966년부터 선박용 엔진 개발.
코모토르 (NSU 모토렌베르케 및 시트로엥)	1967년부터 가솔린 엔진 개발.
그라우프너	1967년부터 모형 엔진 개발.
사브켈	1969년부터 산업용 가솔린 엔진 개발.
닛산	1970년부터 자동차 엔진 개발.
제너럴 모터스	1970년부터 항공기 엔진을 제외한 모든 유형의 엔진 개발.
스즈키	1970년부터 오토바이 엔진 개발.
토요타	1971년부터 자동차 엔진 개발.
포드 독일 (포드 자동차 포함)	1971년부터 자동차 엔진 개발.
BSA	1972년부터 가솔린 엔진 개발.^[59]
야마하	1972년부터 가솔린 엔진 개발.
가와사키 중공업	1972년부터 가솔린 엔진 개발.
브런스윅 코퍼레이션	1972년부터 엔진 개발.
잉거솔 랜드	1972년부터 엔진 개발.
아메리칸 모터스	1973년부터 가솔린 엔진 개발.

1961년, 소련 연구 기관들이 완켈 엔진 개발을 시작했고, 1974년 개발은 아브토바즈 공장의 특수 설계국으로 이관되었다.^[60] 다만, 존 B. 헤지는 소련 자동차 제조업체에 라이선스가 발급되지 않았다고 주장한다.^[61]

완켈 엔진은 다음과 같은 주요 장점을 가진다.^[118]

피스톤 엔진보다 훨씬 높은 출력 중량비.^[119]
동등한 출력의 피스톤 엔진보다 작은 공간에 설치 용이.^[119]
더 높은 엔진 속도 도달 가능.
거의 진동이 없이 작동.^[120]
노킹 현상이 적음.^[27]^[84]^[85]
부품 수가 적어 대량 생산 비용이 저렴.^[119]
연소 사이클의 약 3분의 2 동안 토크를 공급.^[120]
수소 연료 사용에 적합.

완켈 엔진은 동등한 출력의 피스톤 엔진보다 가볍고 간단하며, 움직이는 부품 수가 적다. 밸브와 밸브 트레인이 없고, 로터 하우징 벽에 간단한 포트가 있다. 로터는 출력축 베어링 위에서 회전하므로 컨넥팅로드와 크랭크축이 없다. 왕복 운동 질량 제거로 낮은 비균일 계수를 제공, 2로터 완켈 엔진은 4기통 왕복 피스톤 엔진보다 두 배 이상 부드럽게 작동한다.^[32]

4행정 실린더는 크랭크축 회전마다 동력 행정을 한 번만 생성하고, 세 번의 행정은 펌핑 손실이다. 완켈 엔진은 체적 효율이 더 높고,^[121] 동력 행정의 준 중첩으로 출력 증가에 빠르게 반응, 특히 높은 엔진 속도에서 필요할 때 빠르게 출력을 제공한다.

뜨거운 배기 밸브가 없어 연료 옥탄가 요구 사항이 낮다.^[124] 500 cm³ 작동 실린더 용적과 ε=9 압축을 가진 완켈 엔진은 91 RON 옥탄가 휘발유에서 잘 작동한다.^[27] 왕복 피스톤 엔진에서 노킹 방지를 위해 압축을 감소시켜야 한다면, 완켈 엔진에서는 필요하지 않을 수 있다.^[122]

인젝터 수가 적어 연료 분사 시스템이 저렴하다. 층상 연소 작동을 허용하는 분사 시스템은 엔진의 바람직하지 않은 부분에서 농후 혼합 영역을 줄여 연료 효율을 향상시킨다.^[123]

'''그림 33.''' 무인항공기(UAV)용 UEL UAV-741 뱅켈 엔진

마쓰다를 제외한 주요 자동차 제조사별 로터리 엔진 개발 현황
제조사	개발 현황 및 주요 내용
도요타	1971년 NSU와 기술 도입 계약 체결.^[218] 시제품은 595cm³ × 2로터, 120PS/6000rpm, 산화 촉매 사용. 1977년 배기가스 규제 충족.^[218] 2층 흡기 방식으로 희박연소를 시도했으나 연비 문제로 개발 중단.^[218]
닛산	1972년 도쿄 모터쇼에 로터리 엔진 탑재 서니 참고 출품. 2세대 실비아에 탑재 예정이었으나, 1973년 석유 파동으로 인해 연비 문제로 개발 중단.^[219]
메르세데스-벤츠	1960년대부터 연구 시작. 1970년 제네바 모터쇼에 4로터 로터리 엔진 탑재 콘셉트카 C111 발표. 내구성 문제로 시판되지 않음.
GM	1970년대 독자적인 로터리 엔진 개발 계획. 1973년 2로터/4로터 탑재 콜벳 발표. 1차 오일쇼크로 인해 시판되지 않음. 베가에 로터리 엔진 공급 예정이었으나, 최종적으로 레시프로 엔진 사용.
VAZ (라다)	국영 시대부터 2000년대 초까지 다양한 차종에 로터리 엔진 탑재 차량 양산. 독자 개발. 1로터부터 3로터까지 양산, 시제 엔진에는 4로터도 존재. 총 8개 차종에 탑재, 엔진 종류는 20종류에 달함.
GAZ	VAZ로부터 로터리 엔진을 공급받아 로터리 엔진 차량 제조. GAZ 24-10 "볼가", GAZ 31028 "볼가", GAZ 14 "차이카" 등에 탑재.

; 발전용 엔진 (Range Extender)

2010년 아우디(Audi)는 시리즈 하이브리드 전기차 프로토타입인 A1 e-tron을 공개했다. 여기에는 254cm³의 실린더 용적을 가진 뱅켈 엔진이 통합되어 5000 rpm에서 18kW를 생산, 발전기에 연결되어 배터리를 충전하고 모터에 전기를 공급했다.

2013년 11월, 마쓰다는 뱅켈 엔진을 주행거리 연장장치로 사용하는 시리즈 하이브리드 프로토타입 자동차인 Mazda2 EV를 발표했다.

; 오토바이

노턴 모터사이클스(Norton Motorcycles)는 DKW/허큘리스 W-2000 오토바이에 사용된 자흐스(Sachs) 공랭식 로터 뱅켈 엔진을 기반으로 오토바이용 뱅켈 로터리 엔진을 개발했다. 커맨더와 F1에 사용되었으며, 노턴은 자흐스의 공랭식을 개량하여 플레넘 챔버를 도입했다. 스즈키(Suzuki)도 RE-5를 제작, 엔진 수명 연장을 위해 페로TiC 합금 에이펙스 실과 NSU 로터를 사용했다.^[167]

1975년부터 1976년까지 스즈키는 RE5를 생산했다.^[172] 액냉식과 유냉식을 모두 사용하고, 다중 윤활 및 기화기 시스템을 갖춘 복잡한 설계였으나 무겁고 최대 출력이 낮아 판매량이 저조했다.^[172]

1974년, 허큘리스(Hercules)는 W-2000 완켈 엔진 모터사이클을 생산했지만, 생산량이 적어 1977년 생산이 중단되었다.^[171]

1980년대 초, BSA의 초기 작업을 바탕으로 노턴은 공랭식 트윈 로터 클래식을 생산했고, 이어서 수랭식 커맨더와 Interpol2(경찰용 버전)를 생산했다.^[168]

; 항공기

회전식 엔진은 가볍고 작으며 진동이 거의 없고 높은 출력 중량비를 가지고 있어 경량 항공기에 적합하다.

UEL AR801 완켈 엔진으로 구동되는 식스키 사이퍼 무인 항공기(UAV)

최초의 회전식 엔진 항공기는 1960년대 후반 실험적인 록히드 Q-Star에 사용되었으며, 슈바이처 글라이더였다.^[177] 커티스-라이트 RC2-60 완켈 회전식 엔진이 사용되었으며,^[178] 같은 모델이 세스나 카디널과 헬리콥터 등에도 사용되었다.^[118]^[179]^[180] 시트로엥은 1970년대에 Citroën RE-2|RE-2^프랑스어 헬리콥터를 개발했다.^[181]

회전식 엔진은 ARV Super2와 같은 자작 실험 항공기에 장착되었으며, 대부분 항공용으로 개조된 마쓰다 12A 및 13B 자동차 엔진을 사용했다.

글라이더 제조업체 슐라이허는 자체 발진 모델에 오스트로 엔진 AE50R 완켈을 사용한다.^[185]^[186]

슈라이허 ASH 26용 파워플랜트.
왼쪽 위에서 시계 반대 방향으로, 프로펠러 허브, 벨트 가이드가 있는 마스트, 라디에이터, 뢸켈 로터리 엔진, 머플러 커버.

다이아몬드 항공은 지멘스, EADS와 함께 설계한 DA36 E-Star 항공기에 직렬 하이브리드 동력계를 사용하는데, 40hp 오스트로 엔진 회전식 엔진과 발전기가 전기를 공급한다.

; 기타

뱅켈 엔진은 체인톱과 같이 사람이 엔진과 가까이 있는 휴대용 장치에 적합하다.^[191] 시동성이 우수하고 가벼워 휴대용 소방 펌프와 발전기의 동력원으로도 사용된다.^[192]

소형 뱅켈 엔진은 카트 경주용 카트, 개인용 수상 오토바이, 항공기 보조 동력 장치 등에 사용된다.^[193] 가와사키 중공업은 혼합 냉각 회전식 엔진(미국 특허 3991722)을 특허받았다. 일본 얀마와 독일 돌마-작스는 회전식 엔진 체인톱(SAE 논문 760642)과 선외기 엔진을 생산했고, 프랑스 울은 뱅켈 회전식 엔진 잔디깎이(Rotondor)를 제작했다.

; 모터보트

: 마쓰다 자동차용 엔진 기반 엔진이 모터보트에 사용된다.

; 선박용 선외기

: 얀마는 1969년 세계 최초 로터리 엔진 선박용 선외기 '''얀마 R220'''(22마력, 1로터)을 출시, 1972년 '''얀마 RM28''', 1974년 2로터 50마력 '''얀마 RM50'''으로 발전했으나, 석유 파동으로 1975년 판매 종료했다.^[234] 로터리 선외기는 4행정 엔진 대비 진동은 적었지만, 연비가 나빠 판매 종료 원인이 되었다.^[235]

;; 범용 엔진

: 소형 범용 엔진은 로터리 엔진 개발사에서 연구 초기 시제품으로 시험 제작된 사례가 많지만, 실제 판매는 적었다. 가장 큰 성공은 1965년 출시된 ZF삭스 '''삭스 KM48''' 엔진이다.

;; 체인톱

: 1970년대 얀마디젤(얀마홀딩스)이 체인톱용으로 개발했다. 당시 임업 노동자에게 체인톱 진동으로 인한 백랍병, 소음으로 인한 난청 등 산업재해가 빈발했다.^[240]

: 얀마는 선외기 실적을 기반으로 1975년 3월 세계 최초 로터리 엔진 탑재 체인톱 '''얀마 RH57'''(57cc)을 납품했지만, 크기가 크고 무거웠으며, 토크 부족으로 외면받아 보급되지 못했다.^[234]

: 얀마는 RH57을 개량, 소형화하여 1978년 '''얀마 RH600A'''(57cc), 1979년 가지치기 작업용 소형기 '''얀마 RH350'''(33cc)을 산림청에 납품했지만,^[240] 연비 문제 미해결로 같은 해 로터리 엔진 제조를 중단하고 연구 개발에서 철수했다.^[234]

캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스 MEMS 회전식 엔진 연구실은 로터 직경 1mm 미만, 용적 0.1cc 미만 뱅켈 회전식 발전기 개발 중이다.

단순 구조로 충분한 지식, 부품, 공구만 있다면 개인도 직접 엔진 분해, 조립이 가능하다.

외부 동력으로 작동하는 뱅켈 로터리 구조 공기압축기가 있다. 왕복식 대비 저진동, 저소음, 고효율이지만, 윤활유가 압축 공기에 혼입되기 쉽다.

반켈 로터리 구조를 내연기관용 슈퍼차저에 응용하려는 실험은 진행되었으나, 충분한 과급 효과를 얻으려면 로터리 엔진 2배 크기의 하우징이 필요하여 실용화되지 않았다.

유압 모터 중 유압 굴착기 구동륜 등에 사용되는 것은 뱅켈 로터리 구조가 많다.

독특한 것으로 시트벨트 프리텐셔너가 있다.^[263] 메르세데스-벤츠 일부 차종에 사용된다.^[264]

랭킨 사이클(Rankin cycle)로 작동하는 외연, 외열 뱅켈 로터리 엔진은 각종 플랜트(plant) 폐열을 기계 에너지나 발전기와 조합하여 전력으로 회수하는 데 사용된다.

6. 1. 자동차

NSU(1964년)와 마쓰다, 시트로엥 등에서 회전식 엔진을 탑재한 자동차를 생산했다. 마쓰다는 RX-7, RX-8 등 스포츠카에 회전식 엔진을 탑재하여 고유의 기술력을 과시했다. 2023년, 마쓰다는 MX-30 R-EV를 통해 발전용 회전식 엔진을 부활시켰다.^[136]

판매된 최초의 로터리 엔진 자동차는 1964년 NSU 로터리 스파이더였다. 마쓰다가 RX-8의 생산을 중단한 2012년까지 로터리 엔진은 자동차에 지속적으로 장착되었다.^[136]

마쓰다와 NSU는 1961년에 뱅켈 엔진 개발을 위한 연구 계약을 체결하고 최초의 뱅켈 엔진 자동차를 시장에 출시하기 위해 경쟁했다. 마쓰다는 그 해에 실험용 로터리 엔진을 생산했지만, NSU는 1964년 스포티한 NSU 스파이더를 출시하며 최초로 로터리 엔진 자동차를 판매했다. 1967년, NSU는 로터리 엔진을 탑재한 고급차 Ro 80의 생산을 시작했다.^[137] 하지만 마쓰다와 커티스-라이트와는 달리 NSU는 로터의 정점 실(apex seal)을 신뢰할 수 있게 생산하지 못했다. NSU는 정점 실 마모, 부족한 샤프트 윤활, 낮은 연비 문제로 인해 엔진 고장이 잦았고, 이 문제는 1972년까지 해결되지 않아 많은 보증 비용이 발생하며 NSU의 추가적인 로터리 엔진 개발을 제한했다.^[11]

1964년 NSU 로터리 스파이더, 로터리 엔진을 장착하여 판매된 최초의 자동차

수년간의 개발 끝에, 마쓰다의 첫 번째 로터리 엔진 자동차는 1967년 코스모 110S였다. 마쓰다는 버스와 픽업 트럭을 포함하여 몇몇 완켈(회사 용어로는 "로터리") 차량을 출시했다. 마쓰다는 나중에 대부분의 자동차 설계에서 로터리 엔진을 포기하고 스포츠카 라인에만 엔진을 계속 사용했다. 회사는 일반적으로 2로터 설계를 사용했다. 더욱 발전된 트윈-터보 3로터 엔진은 1990년 유노스 코스모 스포츠카에 장착되었다.

2003년 마쓰다는 레네시스 엔진을 RX-8에 장착하여 출시했다. 레네시스 엔진은 로터리 하우징 주변부에서 측면으로 배기구를 재배치하여 전반적인 배기구 크기를 키우고 공기 흐름을 개선했다.^[141] 레네시스는 개선된 연비, 신뢰성 및 이전 마쓰다 로터리 엔진보다 낮은 배출량으로 238hp의 출력을 낼 수 있었지만,^[142] 공칭 2.6L 배기량으로는 더욱 엄격해진 배출 기준을 충족하기에는 부족했다. 마쓰다는 2012년에 더욱 엄격해진 유로 5 배출 기준을 충족하지 못하면서 로터리 엔진 생산을 중단했다.^[143]

마쓰다는 2023년 3월 완켈 엔진 레인지 익스텐더를 장착한 MX-30 R-EV 하이브리드를 출시했다.^[136] 완켈 엔진은 바퀴와 직접 연결되지 않고 배터리를 충전하는 역할만 한다. 1로터 유닛이며, 830cm³ 엔진과 55kW의 정격 출력을 갖추고 있다. 이 엔진은 직분사, 배기가스 재순환, 그리고 3원 촉매 변환기와 매연 필터가 있는 배기가스 처리 시스템을 갖추고 있다. 이 엔진은 유로 6d-ISC-FCM 기준을 준수한다.^[144]^[145]

시트로엥은 많은 연구를 진행하여 M35와 GS 비로토르 자동차를 생산했다. 이러한 차량에는 시트로엥과 NSU의 합작회사인 코모토르(Comotor)에서 생산한 엔진이 사용되었다.

다임러-벤츠는 C111 콘셉트카에 뱅켈 엔진을 장착했다. C 111-II의 엔진은 자연흡기 방식이었고, 직분사 가솔린 엔진이었으며, 로터는 4개였다. 총 배기량은 4.8L였고, 압축비는 9.3:1이었다. 최대 토크는 5,000rpm에서 433Nm였고, 최대 출력은 6,000rpm에서 350PS였습니다.^[53]

아메리칸 모터스(AMC)는 회장인 로이 D. 채핀 주니어가 1년간의 협상 끝에 1973년 2월 승용차와 군용 차량 모두를 위한 로터리 엔진을 생산하고, 생산한 로터리 엔진을 다른 회사에 판매할 권리를 확보하는 계약에 서명했다.^[146]^[147] AMC 사장인 윌리엄 루네버그는 1980년까지 극적인 발전을 기대하지 않았지만, AMC의 엔지니어링 제품 그룹 부사장인 제럴드 C. 마이어스는 AMC가 자체 로터리 엔진을 개발하기 전에 커티스-라이트로부터 엔진을 구매해야 하며, 1984년까지 로터리 동력으로 완전히 전환될 것이라고 예측했다.^[148]

계획은 이 엔진을 AMC 페이서에 사용하는 것이었지만, 개발이 지연되었다.^[149]^[150] 아메리칸 모터스는 이 엔진을 중심으로 독특한 페이서를 설계했다. 1974년까지 AMC는 자체 엔진을 생산하는 대신 제너럴 모터스(GM)의 로터리 엔진을 구매하기로 결정했다.^[151] GM과 AMC 모두 이 새로운 엔진의 마케팅에 있어서 이 관계가 유익할 것이라고 확인했으며, AMC는 GM 로터리 엔진이 우수한 연비를 달성했다고 주장했다.^[152] 페이서가 시장에 출시되었을 때 GM의 엔진은 아직 생산에 이르지 못했다. 1973년 석유 위기는 로터리 엔진 사용에 차질을 빚은 요인 중 하나였다.

1973년 5월 연례 회의에서 제너럴 모터스(General Motors)는 쉐보레 베가(Chevrolet Vega)에 사용할 예정이었던 뱅켈 엔진(Wankel engine)을 공개했다.^[153] 그러나 1974년까지 GM 연구개발팀은 배출가스 규제 기준과 우수한 연비를 모두 충족하는 뱅켈 엔진을 생산하는 데 성공하지 못했고, 회사는 프로젝트 취소 결정을 내렸다. 이 결정으로 인해 연구개발팀은 연비 문제를 해결하고 약 852950.20km 이상의 수명을 가진 신뢰할 수 있는 엔진을 개발했다는 최근 연구 결과를 부분적으로만 발표했다. GM의 로터리 프로젝트 종료는 엔진을 구매할 예정이었던 AMC가 페이서(Pacer)의 구조를 변경하여 후륜 구동 방식의 AMC 직렬 6기통 엔진(AMC straight-6 engine)을 장착하도록 만들었다.^[154]

1974년, 소비에트 연방은 특수 엔진 설계국을 설립했고, 이 부서는 1978년에 VAZ-2101 차량에 장착된 VAZ-311 엔진을 설계했다.^[155] 1980년, 회사는 VAZ-2106 차량에 VAZ-411 트윈 로터 뱅켈 엔진을 약 200대 생산하여 공급하기 시작했다. 생산된 대부분은 보안 기관으로 납품되었다.^[156]^[157]

자동차용으로는 NSU 뱅켈(Wankel)형이 유일하게 실용화되었다. 이후 NSU에 이어 도요타 자동차(현 마쓰다)가 양산화했다. 시트로엥 등도 생산 모델에 탑재했지만, 1970년대 이후에도 자동차용으로 양산을 계속한 것은 자본주의권에서는 마쓰다뿐이다.

20개가 넘는 자동차 메이커가 NSU로부터 기본 특허를 도입하여 개발을 진행했지만, 실용화를 위한 개발은 마쓰다가 선행하여 주변 특허를 확보했기 때문에, 1974년 시점에서는 이미 마쓰다의 주변 특허를 피할 수 없는 상황이었다고 한다.^[217]

마쓰다를 제외한 주요 자동차 제조사별 로터리 엔진 개발 현황
제조사	개발 현황 및 주요 내용
도요타	1971년 NSU와 기술 도입 계약 체결.^[218] 시제품은 595cm³ × 2로터, 120PS/6000rpm, 산화 촉매 사용. 1977년 배기가스 규제 충족.^[218] 2층 흡기 방식으로 희박연소(希薄燃焼)를 시도했으나 연비 문제로 개발 중단.^[218]
닛산	1972년 도쿄 모터쇼에 로터리 엔진 탑재 서니 참고 출품. 2세대 실비아에 탑재 예정이었으나, 1973년 석유 파동으로 인해 연비 문제로 개발 중단.^[219]
메르세데스-벤츠	1960년대부터 연구 시작. 1970년 제네바 모터쇼에 4로터 로터리 엔진 탑재 콘셉트카 C111 발표. 내구성 문제로 시판되지 않음.
GM	1970년대 독자적인 로터리 엔진 개발 계획. 1973년 2로터/4로터 탑재 콜벳 발표. 1차 오일쇼크로 인해 시판되지 않음. 베가에 로터리 엔진 공급 예정이었으나, 최종적으로 레시프로 엔진 사용.
VAZ (라다)	국영 시대부터 2000년대 초까지 다양한 차종에 로터리 엔진 탑재 차량 양산. 독자 개발. 1로터부터 3로터까지 양산, 시제 엔진에는 4로터도 존재. 총 8개 차종에 탑재, 엔진 종류는 20종류에 달함.
GAZ	VAZ로부터 로터리 엔진을 공급받아 로터리 엔진 차량 제조. GAZ 24-10 "볼가", GAZ 31028 "볼가", GAZ 14 "차이카" 등에 탑재.

6. 2. 발전용 엔진 (Range Extender)

2010년 아우디(Audi)는 시리즈 하이브리드 전기차 프로토타입인 A1 e-tron을 공개했다. 여기에는 254cm³의 실린더 용적 V_k를 가진 뱅켈 엔진이 통합되어 5000 rpm에서 18kW를 생산할 수 있었다. 이는 전기 발전기에 연결되어 필요에 따라 자동차 배터리를 충전하고 전기 구동 모터에 직접 전기를 공급했다. 이 패키지는 70kg의 질량을 가지고 15kW의 전력을 생산할 수 있었다.^[163]

2013년 11월, 마쓰다는 자동차 언론에 뱅켈 엔진을 주행거리 연장장치로 사용하는 시리즈 하이브리드 프로토타입 자동차인 Mazda2 EV를 발표했다. 후면 수하물 바닥 아래에 위치한 발전기 엔진은 거의 들리지 않는 작은 단일 로터 330cm³ 유닛으로 4,500 rpm에서 30hp을 생성하고 20kW의 연속 전력 출력을 유지한다.^[164]^[165]^[166]

2023년 3월, 마쓰다는 뱅켈 엔진 주행거리 연장장치가 장착된 MX-30 R-EV를 출시했다.^[136] 이 자동차의 뱅켈 엔진은 830cm³의 실린더 용적 V_k, 11.9의 압축비 및 55kW의 정격 출력을 가진 자연 흡기 단일 로터 유닛이다. 직분사, 배기가스 재순환, 그리고 TWC와 매연 필터가 있는 배기가스 처리 시스템을 갖추고 있다. ''아우토 모토 운트 슈포르트(auto motor und sport)''에 따르면, 이 엔진은 유로 6d-ISC-FCM 규정을 준수한다.^[144]^[145]

6. 3. 오토바이

노턴 모터사이클스(Norton Motorcycles)는 DKW/허큘리스 W-2000 오토바이에 사용된 자흐스(Sachs) 공랭식 로터 뱅켈 엔진을 기반으로 오토바이용 뱅켈 로터리 엔진을 개발했다. 이 2로터 엔진은 커맨더와 F1에 사용되었다. 노턴은 자흐스의 공랭식을 개량하여 플레넘 챔버를 도입했다. 스즈키(Suzuki)도 뱅켈 엔진을 사용한 양산 오토바이인 RE-5를 제작했는데, 엔진 수명 연장을 위해 페로TiC 합금 에이펙스 실과 NSU 로터를 사용했다.^[167]

1975년부터 1976년까지 스즈키는 단일 로터 뱅켈 엔진 오토바이인 RE5를 생산했다.^[172] 이 오토바이는 액냉식과 유냉식을 모두 사용하고, 다중 윤활 및 기화기 시스템을 갖춘 복잡한 설계였다. 잘 작동하고 부드러웠지만 무겁고 최대 출력이 낮아 판매량이 저조했다.^[172] 조작성이 좋다는 평가를 받았지만, 결과적으로 무겁고, 지나치게 복잡하며, 제조 비용이 많이 들었고, 출력도 부족했다.

1974년, 허큘리스(Hercules)는 W-2000 완켈 엔진 모터사이클을 생산했지만, 생산량이 적어 수익성이 없었고, 1977년 생산이 중단되었다.^[171]

1980년대 초, BSA의 초기 작업을 바탕으로 노턴은 공랭식 트윈 로터 클래식을 생산했고, 이어서 수랭식 커맨더와 Interpol2(경찰용 버전)를 생산했다.^[168] 이후 노턴 뱅켈 오토바이에는 노턴 F1, F1 스포츠, RC588, 노턴 RCW588, 그리고 NRS588이 포함되었다.

레이싱에서의 성공에도 불구하고,^[170] 1992년 이후 일반인에게 도로 주행용으로 판매되는 뱅켈 엔진 오토바이는 생산되지 않았다.

6. 4. 항공기

회전식 엔진은 가볍고 작으며 진동이 거의 없고 높은 출력 중량비를 가지고 있어 경량 항공기에 적합하다. 회전식 엔진은 하강 중 "충격 냉각"에 영향을 받지 않고, 고출력에서 냉각을 위해 농후 혼합기가 필요하지 않으며, 왕복 운동 부품이 없어 엔진이 설계된 최대 속도보다 높은 속도로 회전할 때 손상 위험이 적다는 장점이 있다.^[176]

최초의 회전식 엔진 항공기는 1960년대 후반 실험적인 록히드 Q-Star에 사용되었으며, 이는 동력이 부착된 슈바이처 글라이더였다.^[177] 커티스-라이트 RC2-60 완켈 회전식 엔진이 사용되었으며,^[178] 같은 모델이 세스나 카디널과 헬리콥터 등에도 사용되었다.^[118]^[179]^[180] 시트로엥은 1970년대에 회전식 엔진으로 구동되는 Citroën RE-2|RE-2^프랑스어 헬리콥터를 개발했다.^[181]

회전식 엔진은 ARV Super2와 같은 자작 실험 항공기에 장착되었으며, 대부분 항공용으로 개조된 마쓰다 12A 및 13B 자동차 엔진을 사용했다. 이는 기존 피스톤 엔진보다 매우 저렴한 비용으로 100~300hp의 엔진을 제공한다.^[184]

글라이더 제조업체 슐라이허는 자체 발진 모델 ASK-21 Mi, ASH-26E,^[187] ASH-25 M/Mi, ASH-30 Mi, ASH-31 Mi, ASW-22 BLE, ASG-32 Mi에 오스트로 엔진 AE50R 완켈을 사용한다.^[185]^[186]

다이아몬드 항공은 지멘스, EADS와 함께 설계한 DA36 E-Star 항공기에 직렬 하이브리드 동력계를 사용하는데, 40hp 오스트로 엔진 회전식 엔진과 발전기가 전기를 공급한다. 이 기술은 항공기 무게를 줄이고 연료 소비량과 배출량을 최대 25%까지 줄이는 것을 목표로 한다.^[189]^[190]

IHI에어로스페이스는 2022년에 배기량 600cc의 트윈 로터리 엔진과 전기 모터를 결합한 하이브리드 추진 방식의 멀티콥터형 드론 시제품을 공개했다.^[232]

6. 5. 기타

뱅켈 엔진은 체인톱과 같이 사람이 엔진과 가까이 있는 휴대용 장치에 적합하다.^[191] 시동성이 우수하고 가벼워 휴대용 소방 펌프와 발전기의 동력원으로도 사용된다.^[192]

소형 뱅켈 엔진은 카트 경주용 카트, 개인용 수상 오토바이, 항공기 보조 동력 장치 등에 사용된다.^[193] 가와사키 중공업은 혼합 냉각 회전식 엔진(미국 특허 3991722)을 특허받았다. 일본 얀마와 독일 돌마-작스는 회전식 엔진 체인톱(SAE 논문 760642)과 선외기 엔진을 생산했고, 프랑스 울은 뱅켈 회전식 엔진 잔디깎이(Rotondor)를 제작했다. 로터는 생산 비용 절감을 위해 수평으로 배치되었고, 아래쪽에는 씰이 없었다.

회전식 엔진의 단순함은 소형, 초소형, 마이크로미니 엔진 설계에 적합하다. 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스 미세전자기계시스템(MEMS) 회전식 엔진 연구실은 직경 1mm, 배기량 0.1cc 미만 회전식 엔진 개발을 연구했다. 실리콘을 재료로, 압축 공기를 동력원으로 사용한다. 목표는 100mW 전력 공급 내연 기관 개발이며, 엔진은 발전기 로터 역할을 하고 자석은 로터에 내장된다.^[194]^[195] 이 연구는 DARPA 계약 종료와 함께 중단되었다.

1976년 ''Road & Track''은 잉거솔랜드가 챔버 용적 Vk 25dm³(1521 세제곱인치), 로터당 정격 출력 500마력(373kW)인 뱅켈 엔진을 개발할 것이라고 보도했다.^[196] 13대 엔진이 제작되었지만 더 큰 배기량으로 제작되었고, 총 90,000시간 이상 작동했다. 엔진은 챔버 용적 Vk 41dm³(2500 세제곱인치), 로터당 출력 550마력(410kW)이었다. 단일 및 이중 로터 엔진(각각 550마력/410kW, 1100마력/820kW)이 제작되었고, 천연가스를 연료로 사용했으며, 엔진 속도는 상대적으로 낮았다.^[197]

존디어는 1984년 2월 커티스-라이트 회전식 부문을 인수하여 대형 다중 연료 프로토타입을 제작, 일부는 대형 차량용 11리터 로터를 사용했다.^[200]^[198]^[199] 성층 연소 개념을 사용하려 했으며,^[200] 이 기술은 1991년 RPI로 이전되었다.^[201]^[202]

일본 얀마는 체인톱과 선외기 엔진용 소형 과급 회전식 엔진을 생산했다.^[203] LDR(연소실 선단 로터 오목부) 엔진은 배기 가스 배출 프로필이 우수하고, 리드 밸브 제어 흡기구가 부하 및 저속 성능을 향상시킨다.^[204]

1971~1972년 아크틱 캣은 독일 작스 KM 914 303cc 및 KC-24 294cc 뱅켈 엔진 구동 스노모빌을 생산했다. 1970년대 초 아웃보드 마린 코퍼레이션은 존슨 등 브랜드로 35/45마력 OMC 엔진 구동 스노모빌을 판매했다. 독일 엑스로는 294cc 챔버 과급 로터, 수냉 하우징 카트 엔진을 생산, 판매한다. 뱅켈 AG, 큐브와노, 로트론, 프리시전 테크놀로지 등이 있다.

내연기관 외에 가스 압축기, 내연기관용 과급기에도 왕켈 설계가 사용되지만, 신뢰성 장점은 여전하나 크기, 무게 면에서 4행정 기관 대비 장점은 무의미하다. 왕켈 엔진에 왕켈 과급기 사용 시 과급기 크기가 엔진의 두 배이다.

왕켈 설계는 메르세데스-벤츠^[206], 폭스바겐^[207] 차량 안전벨트 프리텐셔너 시스템^[205]에 사용된다. 감속 센서가 충돌 감지 시 작은 폭발 카트리지가 전기 작동, 발생 가스가 소형 왕켈 엔진으로 유입, 회전하여 안전벨트 느슨함을 조여 운전자, 탑승자를 좌석에 고정시킨다.^[208]

IHI에어로스페이스는 2022년 배기량 600cc 트윈 로터리 엔진, 전기 모터 결합 하이브리드 추진 멀티콥터형 드론 시제품을 공개했다.^[232] 모형 비행기용 초소형 로터리 엔진이 시판 중이다. 오가와세이키(小川精機)는 행정용적 4.97cc 49-PI를 제조, 판매했다. 실용 회전수 2,500~18,000rpm, 출력 1.1마력/17,000rpm이다. 초기 사이드 포트 흡기였으나, 49-PI Type II는 페리페럴 포트 흡기로 변경되었다. 닛토코사쿠쇼(日東工作所) 제품, 행정용적 11.97cc NR-12H, NR-12P가 구입 가능하다.

; 모터보트

: 마쓰다 자동차용 엔진 기반 엔진이 모터보트에 사용된다. 2011년 타이슨 가르빈이 파워보트용 4로터 엔진 3개 병렬 배치, 총 배기량 15,724cc 12로터 엔진을 개발했다.^[233]

; 선박용 선외기

: 얀마는 1969년 세계 최초 로터리 엔진 선박용 선외기 22마력 1로터 '''얀마 R220''' 출시, 1972년 28마력 '''얀마 RM28''', 1974년 2로터 50마력 '''얀마 RM50'''으로 발전했으나, 석유 파동으로 1975년 판매 종료했다.^[234] 얀마 로터리 엔진 부문은 후술 체인톱에 활로를 찾는다.^[234] 로터리 선외기는 4행정 엔진 대비 진동은 적었지만, 연비가 나빠 판매 종료 원인이 되었다.^[235]

;; 범용 엔진

: 소형 범용 엔진은 로터리 엔진 개발사에서 연구 초기 시제품으로 시험 제작된 사례가 많지만, 실제 판매는 적었다. 가장 큰 성공은 1965년 출시 ZF삭스 '''삭스 KM48''' 엔진이다. KM48은 정치 기기, 모터보트, 오토바이, 소형 농업 기계 등 탑재도 고려한 설계이며, 앞서 언급된 로터리 엔진 탑재 오토바이 일부는 기술자가 이 엔진 탑재를 진지하게 검토해 탄생했다. 삭스는 KM48 경량화 모터 글라이더용 '''삭스 K8B'''도 판매했지만, KM48, K8B 모두 1975년 석유 파동 이후 판매 종료되었다.^[236]

: 얀마는 1962년 4월 4.5마력 엔진 시제품 제작, 공랭식 디젤 범용 엔진이 1959년 판매 개시되어 로터리는 연구용으로만 시판하지 않았다.^[237] 얀마 일반용 레시프로 소형 가솔린 엔진 시판은 1971년이다.^[238]

: 스즈키는 1971년 로터리 엔진 연구 부문 도쿄 연구소 설립, RE-5 전 단계 범용 엔진 연구 개발 착수했다. 전 스즈키 직원 나카노 히로유키에 따르면, 1974년 시점 강제 공랭 1로터 '''스즈키 T0013'''(66.7cc), 감속기 부착 사양 '''스즈키 T0015'''(93.2cc)가 완성되었지만, 여러 사정으로 출시되지 않았다. 나카노는 T0013 개발 중 "엔진 정지 후 수 시간 방치 후 재시동 시 전개 출력 대폭 저하, 엔진 계속 작동해도 회복에 수 시간 소요" 현상, 출력 특성 그래프 형상에서 스즈키 기술자 간 '''톱니 현상'''으로 불리며 두려워했다고 한다. 톱니 현상은 안정된 출력 특성이 요구되는 범용 엔진에 치명적이라, 도쿄 연구소 기술자들은 원인 규명 노력, 전개 출력 저하 시간 20분 단축했지만, 최종 원인 규명은 못했다.^[239]

;; 체인톱

: 1970년대 얀마디젤(얀마홀딩스)이 체인톱용으로 개발했다. 당시 임업 노동자에게 체인톱 진동으로 극도 혈행 불량(백랍병), 소음으로 인한 난청 등 산업재해가 빈발했다.^[240] 1966년 나고야대학 의학부 야마다 신야 등 연구 그룹이 체인톱과 진동 장애 관련성 증명, 진동 장애는 공식 직업병으로 인정되었다.^[240] 야마다는 나고야 영림국(중부산림관리청)과 공동 진동 적은 체인톱 연구 개발, 산림청도 후지중공업(SUBARU), 공립에코(야마비코) 등 국산 각사 저진동 체인톱 개발 지시,^[240] 얀마가 도달한 것이 로터리 엔진이었다.^[234]

: 얀마는 선외기 실적 기반 1975년 3월 세계 최초 로터리 엔진 탑재 체인톱 '''얀마 RH57'''(57cc) 납품, 휴대 불편할 정도 대형, 토크 부족으로 외면받아 보급되지 못했다.^[234] RH57 총중량 10.15kg(본체 7.9kg)이었지만,^[241] 같은 시기 "노란색 맥컬러" 별명 일본 임업 종사자 지지받던 미국 맥컬러 2-10(54cc)는^[241] 본체 중량 7.1kg,^[242] 대형기 맥컬러 슈퍼 프로 80(80cc)^[240]도 본체 중량 6.86kg이었다.^[243]

: 얀마는 RH57 개량, 소형화 진행, 1978년 RH57 개량형 '''얀마 RH600A'''(57cc), 1979년 가지치기 작업용 소형기 '''얀마 RH350'''(33cc) 산림청 납입했지만,^[240] 주로 연비 문제 미해결로 같은 해 로터리 엔진 제조 중단, 연구 개발 철수했다.^[234]

캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스 MEMS 회전식 엔진 연구실은 로터 직경 1mm 미만, 용적 0.1cc 미만 뱅켈 회전식 발전기 개발 중이다. 로터 내장 자석으로 발전하지만, 현재 외부 압축 공기 이용 작동 단계이다. 목표는 100mW(밀리와트) 공급 내연기관 개발이다.

단순 구조로 충분한 지식, 부품, 공구만 있다면 개인 직접 엔진 분해, 조립 가능하다. 2로터 이상 로터리 엔진은 좌우, 중앙 하우징에 로터 직렬 배치 구조, 편심축(eccentric shaft) 새로 제작 시 개인도 시판 엔진 부품 조합, 1로터 또는 4로터 이상 엔진 제작 가능하다. 1로터 엔진은 일본 RE 아미야(RE雨宮) 마쓰다 샹테(マツダ・シャンテ) 개조용 제작 유명, 해외는 2013년 현재 자동차용 뉴질랜드 엔진 제작자 시제작 '''6로터'''^[262] 발표되었다.

외부 동력 작동 뱅켈 로터리 구조 공기압축기다. 왕복식 대비 저진동, 저소음, 고효율이지만, 윤활유가 압축 공기에 혼입되기 쉽다.

반켈 로터리 구조를 내연기관용 슈퍼차저에 응용했다. 실험은 진행되었으나, 충분 과급 효과 얻으려면 로터리 엔진 2배 크기 하우징 필요, 실용화되지 않았다.

유압 모터 중 유압 굴착기 구동륜 등에 사용되는 것은 뱅켈 로터리 구조가 많다.

독특한 것으로 시트벨트 프리텐셔너가 있다.^[263] 메르세데스-벤츠 일부 차종에 사용된다.^[264] 이들 자동차는 충격 감지 시 전기적 소형 가스 발생기 점화 작동, 감압 가스 소형 뱅켈 로터리 모터 공급, 시트벨트를 감는다.^[265]

랭킨 사이클(Rankin cycle) 작동 외연, 외열 뱅켈 로터리 엔진. 각종 플랜트(plant) 폐열을 기계 에너지, 발전기와 조합하여 전력으로 회수하는 데 사용된다.

끓는점 낮은 암모니아, 에탄올 작동 유체로, 종래 활용되지 않던(버려지던) 40℃~150℃ 정도 폐열에서도 동력 얻을 수 있다.^[266]

7. 모터스포츠

마쓰다 12A 엔진으로 구동되는 시그마 MC74는 1974년 르망 24시 레이스에서 서유럽이나 미국 이외의 지역에서 온 팀으로는 처음이자 유일하게 24시간을 완주한 차량이었다. 테라다 요지로가 MC74의 드라이버였다. 마쓰다는 서유럽이나 미국 이외의 지역에서 온 팀 중 르망에서 처음으로 우승한 팀이었다. 또한, 1991년 4로터 787B (배기량 5.24L, FIA 규정상 4.708L)로 르망에서 우승한 유일한 피스톤 엔진이 아닌 차량이기도 하였다. C2 클래스의 모든 참가자들은 동일한 양의 연료를 사용했다. 유일한 예외는 규제를 받지 않는 C1 카테고리 1이었다. 이 카테고리는 자연흡기 엔진만 허용했다. 마쓰다는 자연흡기 방식으로 분류되어 830kg의 무게로 시작했는데, 이는 과급기를 장착한 경쟁 차량보다 170kg 가벼웠다.^[159] 1991년 그룹 C1 카테고리 1 규정에 따른 차량은 787B보다 80kg 더 가벼울 수 있었다.^[160] 또한, 그룹 C1 카테고리 1은 3.5리터 자연흡기 엔진만 허용했으며 연료량 제한이 없었다.^[161]

회전식 엔진은 구성 부품이 적고, 특히 조립과 조정에 많은 시간이 필요한 밸브 기구가 없으며, 오일 클리어런스 관리 부위가 적어 오버홀 시간을 단축할 수 있어 레이스에 매우 적합하다. 저렴한 비용으로 고성능을 얻을 수 있다는 점에서 많은 개인 참가자들의 지지를 받아 1970년대 이후 일본 모터스포츠계를 지탱해 왔다.

코스모 스포츠의 르망 24시간 레이스 84시간 참가로 시작된 회전식 엔진의 모터스포츠 활동은 그 후 일본 국내에서도 1971년 사바나에 의한 닛산 스카이라인 GT-R의 연승 기록 저지와 그 후의 후지 그랑프리에서 마쓰다 RE 탑재차의 활약 등이 있었다. 르망 24시간 레이스에도 계속 참가하여 1991년에는 787B가 일본차 최초로 종합 우승을 차지하는 등 국내외에서 폭넓게 활약했다.

그 후 1992년에 마쓰다는 레이스 활동 자체에서 철수했다. 마쓰다 스피드는 회전식 엔진으로 내구 레이스를 계속했지만 1999년에 해산하여 웍스 레벨의 지원은 기대할 수 없는 상황이 되었다. 그러한 가운데 RE 아마미야는 자연흡기 사양의 20B형 엔진을 탑재한 FD형 RX-7으로 SUPER GT에 참가하여 GT300 클래스의 타이틀을 획득했다.

북미에서는 현지 마쓰다 법인에 의한 모터스포츠 활동이 행해져 2000년대 말까지 IMSA의 양산차·GT 클래스에서 승리를 계속 쌓아왔다. 또한 북미에서 마쓰다가 관련되어 있던 미들 포뮬러인 포뮬러 마쓰다와 프로 마쓰다 챔피언십에서 회전식 엔진이 사용되었다.

회전식 엔진은 채용 팀이 적은 반면 성능 균형이 어렵기 때문에 탑재 자체를 금지하는 카테고리도 많고, 세계 내구 선수권 대회(WEC)에서도 인가되지 않았다. 따라서 2010년대 이후 톱 카테고리에서 회전식 엔진이 금지되지 않은 것은 세계 랠리크로스 선수권 대회의 투어링카 클래스나 WRC3과 같은 아마추어 지향의 양산차 클래스만이었다.

그러나 2020-2021 시즌에 LMP1을 대체하여 도입된 WEC의 하이퍼카 규정부터 회전식 엔진 탑재 차량이 참가 가능하게 되었다. 마쓰다가 787B로 르망을 제패한 1991년 이후 처음 있는 일이며, 마쓰다도 참가에 대한 관심을 보이고 있다는 보도가 있었다.^[261]

참조

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