2ストローク機関
2ストローク機関（ツーストロークきかん）は、2行程で1周期とするレシプロエンジンの名称。2サイクル機関・2行程機関とも呼ばれ、また、2ストとも略される。
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[編集] 概要
[編集] 定義
2ストロークエンジンは1往復（行程換算2回 (=2stroke)）で1周期を完結するエンジンで、ピストン1往復（クランクシャフト1回転）ごとに燃料を点火する。
2ストローク／1サイクルエンジンのことであり、一般に「2サイクルエンジン」と呼ばれることが多いが、「サイクル」はどのエンジンでも一定であり、分類すべき比較量を表せないので、「2ストロークサイクル」と呼ぶことが正しい。英語でもTwo-stroke engineと呼ばれる。一般的にはガソリンエンジン、すなわちデイ式2ストロークエンジンを指す事がほとんど。
往復式内燃機関の類型は一般的なものから、4ストローク、2ストロークに大別できる。（一般的ではないが6ストローク機関もある）
[編集] 2ストローク・ガソリンエンジンの行程
行程は以下の通りである。
- 上昇行程: ピストンが上昇する間に新気の吸入と混合気の圧縮を行う。
- 下降行程: 混合気の爆発によりピストンが下降し、その後半で排気を行う。
ここまでの行程で動力伝達軸であるクランクシャフトは1回転する。
[編集] 歴史
[編集] ルノアール・エンジン
最初の2ストローク・エンジンは、1858年に開発されたガス燃料のルノアール・エンジンである。考案者はベルギー生まれのフランスの技術者ジャン＝ジョゼフ・エティエンヌ・ルノアール (Jean Joseph Étienne Lenoir) で、石炭ベースの照明用ガス ("Illuminating gas") を使い、電気点火装置 (double-acting electric spark-ignition) を用いて製作した。この発明は、1860年にフランスで特許を取得している。
小工場での定置動力等には蒸気機関より軽便・簡易なためある程度普及したが、後世の4ストローク・エンジンのような予備圧縮がなされないため、熱効率は著しく低かった。ルノアールは「圧力が高いと危険ではないか」と危惧していたからである。
このエンジンは実用型内燃機関の先駆となり、以後1860年代から1880年代にかけて各種の内燃機関開発を進展させる端緒となった。
[編集] クラーク式2ストロークエンジン
2ストロークのガソリンエンジンは、1878年に、スコットランド生まれのデュガルド・クラーク (Dugald Clark) が最初に製造し、1881年に英国特許を取得した。
既にこの時代には、圧縮行程を含む4ストロークのオットーサイクル・エンジンが実用化されており、燃料ガスの圧縮によって熱効率が高まることが認識されていた。
クラークのエンジンは、エンジン本体外部に独立したシリンダー式の圧縮装置・掃気装置を装備して4ストローク・エンジンの圧縮行程に代えたものであり、4ストロークエンジンに比肩する性能を出すことができたが、4ストロークエンジン同様に専用のバルブを設ける必要があるなど、構造がやや複雑で、掃気機構のフリクションロスもあった。
エンジン本体の外部に圧縮・掃気装置を設ける手法は、のちにより構造簡略な回転式のスーパーチャージャーに置き換えられ、2ストローク、4ストロークの別なく利用されることになる。特に2ストローク・ディーゼルエンジンのメカニズムは、燃料供給とその点火（ディーゼルエンジンでは着火）手段を除けば原理的にはクラークの手法を踏襲していると言ってよい。
[編集] デイ式2ストロークエンジン
現在よく知られている形のシンプルな2ストローク・ガソリンエンジンは、1889年にロンドン生まれのジョゼフ・デイ (Joseph Day) が発明した。
「省略できる部品は全て省略し、4ストロークエンジンでは完全に行われていた各行程を、効率を犠牲にして簡略にした」ことで実現された。バルブすら持たない簡略構造故に、簡易さが要求される小型2ストロークエンジンの完成形となった。
その作動メカニズムは以下のような要素で成立しており、極めてユニークなものである。
- シリンダーポート方式
- シリンダー側面に吸排気それぞれの専用孔（ポート）を開け、その閉塞・開放は上下に往復するピストンの側面を利用する。これによって、複雑なバルブ開閉機構がいっさい省略できた。
- クランクケース圧縮および燃料ガス掃気
- クランクシャフト回りのクランクケース部を密閉し、ピストンが上昇することでクランクケース内に生じる負圧を利用して、燃料ガスを導き入れる。そしてこのガスを、ピストンの下降によって予備圧縮する。これで独立した圧縮装置も、4ストロークエンジンのような圧縮行程も不要になったが、クランクケースの密閉性確保には限度があり、吸入負圧は4ストロークエンジンほど高くない。
- 燃焼室内の点火でピストンが押し下げられると、予備圧縮された新しい燃料ガスが掃気ポート経由で燃焼室に押し込まれ、排気ガスを排気ポートから押し出す。これで4ストロークエンジンにおける排気行程が不要になったが、まだ燃焼していない新しいガスの一部が排気ガスと共に排出されてしまう「吹き抜け」がどうしても生じ、その分は損失となる。
- 上記の手段で、4ストロークエンジンの行程を2行程省略して2ストロークエンジンを成立させることができたが、反面、圧縮効率の低下や「吹き抜け」による燃料の無駄が生じる弱点もあった。これらは簡略化の代償と言うべきものであった。
- 混合燃料潤滑
- 燃料にあらかじめ潤滑油を混合し、燃料を使用するだけで潤滑もなされるようにした。潤滑に関するオイルポンプなどのメカニズムを省略できるという大きなメリットがあるが、潤滑油も燃料と共に燃えてしまうので、潤滑油の消費が不経済になる欠点がある。1960年代には混合燃料を使わず、専用の配管を用いて潤滑油を潤滑箇所に圧送する手法も現れたが、潤滑油を燃やしてしまう根本に変わりはなかった[1]。
デイ式の2ストローク・エンジンは、小型の簡易なガソリンエンジンにおける決定的な方式となった。第一次世界大戦以降に広く用いられるようになり、特にDKWやザックス (Fichtel & Sachs) などのドイツのメーカーにおいてその使用が顕著だった。小型のものを中心としたオートバイはもとより、1930年代以降は小型自動車にも盛んに使用されたが、1960年代以降自動車用から廃れ始め、1990年代になると2輪車でも排出ガス規制の面から4ストロークエンジンにその地位を譲るようになる。現在、2ストロークのガソリンエンジンが多用されているのは、極めて小型のエンジンでなければシステムの成立しにくい機器類（小型発電機、草刈機やチェーンソーなどの可搬機器、可搬消防ポンプ、ラジコン模型用エンジンなど）が主である。
[編集] 2ストロークエンジンの特徴
- 4ストロークエンジンに比べて運動エネルギーの消費が少ない（ピストン1往復分消費が少ない）。反対に燃焼効率は悪い。
- 圧縮比が低く、爆発間隔も短いためストールしにくい。その分アクセルにすぐに追従する。
- 点火タイミングの管理度が低いため、アイドリング時の回転は不整で、吸排気の脈動も不整となる（充填効率や静粛性、快適性で劣る）。
- アイドリング状態から一気にアクセルを開くと、4ストロークに比べ、回転上昇が速い。
- 同排気量の4ストロークと比べた場合、同じ回転数では爆発回数が2倍のため、馬力、トルク共に2ストロークが大きい。
- ガソリンエンジンの場合、4ストロークエンジンに比べカムとポペットバルブを駆動する動弁機構が不要で、部品点数が少なく構造が単純となり、製造コストが低く、軽量な点がメリットとなる。同様にオーバーホールもたやすい。ディーゼルエンジンや新世代のガソリンエンジンではカムシャフトとかさ状排気バルブを持つためこの限りではない。
- ガソリンエンジンでは、混合気の逆流を防ぐための弁（ロータリーバルブ、リードバルブ）が設けられているものがある。この場合クランク室内で混合気を一次圧縮するため、クランク室は密閉構造であり、潤滑油の流入・流出経路を設けることができない。そのためクランク室内部は外部から潤滑油と燃料を混合供給し潤滑する。2ストロークエンジン用オイルはシリンダー、クランク周りの潤滑、冷却の後、燃焼排出される。燃焼を前提として合成されているため、これを前提としていない4ストロークエンジン用オイルを転用するとカーボン堆積などの不具合を招く。
- 完全燃焼せず、未燃焼ガスの吹き抜けが起こるためCOとHCが多く、エンジンオイルを燃料と一緒に燃焼させるため、排気ガス中に有害物質が多い。同じ理由で、4ストロークエンジン比で燃費が劣る。
- エンジン音が高く静粛性に乏しい（リードバルブによる高周波音や、排気チャンバーの反響音）。
- ガソリンエンジンの場合、排気管の途中にエキスパンションチャンバーと呼ばれる部屋を設ける場合が多い。チャンバーのエンジン側は徐々に断面積を拡大するディフューザーとして排気流速を高める効果がある。またチャンバー後端の絞り込みにより発生する排気圧力波の反射を利用し、排気管内のガスの一部をシリンダー内に押し戻し、未燃焼ガスの流出を減らし、充填効率を高めることができる。排気脈動は回転数や負荷、排気温度などの条件により大きく変化するが、チャンバーの形状によってエンジン特性を決める、または変えることができる。チャンバーは各気筒ごとに一本ずつが望ましい。自動車・二輪車用エンジンは幅広い回転域を使用するが、チャンバーの形状は走行中は変えることが出来ないため、必然的に特定の回転域で充填効率が高まり、高トルクが得られる。この回転域を「パワーバンド」と称する[2]。模型用エンジンにおいてはこの状態を称して「パイプインした」という。この特性を2ストロークエンジンの醍醐味として愛好する者も多い。
WGPでは、1995年頃から着火タイミングの同爆化が採用され、大出力エンジンでの狭くシビア（ピーキー）であったパワーバンドをより扱いやすくした経緯がある。
- ガソリンエンジンの場合、ピストンをはじめ、各ピンやジャーナル部に潤滑油を圧送するポンプを持たないものが多く、それらは高速道路の長い下り坂などで、高回転時にスロットルの全閉時間が長くなると潤滑ができなくなり、焼き付きを起こすことがある。そのためにワンウェイクラッチを用いたフリーホイール機構が考案された。フリーホイールは駆動輪からの力を伝えないため、エンジンブレーキは使えない。
[編集] 2ストロークエンジンをとりまく近況
1970年代まではヨーロッパの小型車や日本の軽自動車を中心に2ストロークエンジンが数多く存在したが、排出ガスの規制強化を機に大幅に減少した。本格的な4輪自動車では、1990年代初頭にトラバントが製造終了されたことでほぼ絶滅したと言える。それ以降も東南アジアでは三輪タクシーなどには採用例があるが、欧州車、日本車共に、2007年現在、2ストロークエンジン搭載の四輪車は製造されていない。
二輪車においては、1980年以前には大排気量車にも搭載されていた。2000年ごろまでは主に250cc以下で採用されていたが、環境問題から4ストロークエンジンへの移行が進み、日本では平成18年度自動車排出ガス規制の全面施行により、競技用車両以外の全ての2ストロークエンジン搭載車が消滅した。各国の他メーカーも概ね同様の状況にあり、4ストロークエンジンへの切り替えが世界的に進んでいる。主流はヨーロッパでモペッド向けに使用される例など、限定的なものである。
また、動力船（船外機や水上オートバイ）でも、2輪車と同様な利点から2ストロークエンジンが主流であったが、近年は環境・騒音規制に対応する必要もあり、4ストロークエンジン（ヤマハMJ-160FXなど）や環境対応型の2ストロークエンジン（直噴式（ボンバルディアSEADOO 3D-DIなど）又は電子制御式燃料噴射装置と触媒の併用式（ヤマハ MJ-GP1300R））への転換が進んでいる。日本国内でも、琵琶湖では「滋賀県琵琶湖のレジャー利用の適正化に関する条例」（琵琶湖ルール）により、従来型2ストロークエンジンの使用が禁止（経過措置あり）されるなどの取り組みがなされており、従来型2ストロークエンジンの使用は減少していくものと思われる。
欧米ではチェーンソーや芝刈り機/刈払機のエンジンにも排出ガス規制が及ぶようになり、燃焼の制御が困難な従来型2ストロークエンジンの使用機会は少なくなってきている。
2ストローク特有の出力重量比の利点を活かしつつ、環境規制に適合させる為、筒内直噴エンジンの研究が進められている。 また、2ストロークエンジンの搭載車の比率の高い東南アジアに於いては非営利法人による改造キットの供給が検討中である[3]。世界保健機関 (WHO) は東南アジアと太平洋地域において大気汚染によって毎年、537,000人が死亡していると報告している。1億台に及ぶ2ストロークエンジンのタクシーとオートバイが要因である[4][5]。
- 2011年、アプリリア (aprilia SR50 Purejet) が、空気混合燃料直噴射する、2サイクルエンジンの二輪車が販売されている。採用された燃料噴射システムは、オービタル社、（オーストラリア、Orbital FlexDI (air-assisted direct injection)）
[編集] ガソリン式
ガソリンを燃料とするものは、小出力の小型機器に用いられる。
2ストロークガソリン機関では、ガソリンと空気の混合気を吸気し、これを掃気にも用いなければならないので、クランクケース内で一時圧縮を行う必要がある。すなわち、燃焼室側が圧縮行程の時、同時にピストン上昇による負圧を利用して吸気を行う。この吸気は燃焼室側が膨張行程でピストンが下降する際に同時に圧縮され（一時圧縮）、下死点付近で開いた掃気ポートより噴き出して膨張行程を終えた残留排ガスを排気ポートから追い出す（掃気）と同時に新気でシリンダ内を充填する。
掃気時にはシリンダ内の残留ガス（排気）と新気の混合が避けられず、残留ガスを全て排気しようとすると、混合した新気（未燃ガス・生ガスとオイル）の一部も一緒に排出されてしまう。
構造が簡単で軽量なわりに大きな出力が得られるが、掃気効率が悪く排気ガスに含まれる生ガスが多く、エンジンオイルと燃料を一緒に燃焼させることから、排気ガスに混ざるオイルの量も4ストローク機関に比べて多くなりがちである。
- スズキの軽自動車アルトは、トルクコンバータ式2速ATの運転性確保のためAUTOMATICのみ1981年まで、また、ジムニーは、雪道や不整地での運転性を確保するため1987年まで、それぞれ2ストロークエンジン車が併売されていた。
このSJ30系ジムニーはマイクロカーを除くと日本最後の2ストロークエンジン車となった。マイクロカーにおいても光岡自動車が生産を終了している。 - その特性から二輪車に多用されていたが、2000年施行の平成10年度自動車排出ガス規制により二輪車も4ストロークに移行しており、汎用エンジンや海外の原動機付自転車でしか見られなくなりつつある。ロードレース世界選手権GP500も4ストロークに移行しMotoGPに名称が変更された。
- モーターショーにおいて、BMWやトヨタは何度か2ストロークエンジンを搭載した自動車（ときにはエンジンのみ）を参考出品車として公開している。
- ガソリンを燃料として、ディーゼルエンジンのように、シリンダーヘッドの燃焼室に、直接噴射する直噴システムが登場した。
これら新世代の2ストロークエンジンは、旧弊なクランクケース圧縮による掃気ではなく、ユニフロー掃気ディーゼルエンジンと同様に動弁機構とスーパーチャージャーを備えている。潤滑は4ストローク同様で潤滑油の燃焼は無く、燃料供給も筒内直噴を試行するなど、省燃費でクリーン、しかもパワフルなエンジンを目指している。
- ガソリンを燃料として、ディーゼルエンジンのように、シリンダーヘッドの燃焼室に、直接噴射する直噴システムが登場した。排気ガス対策のために、エンジンを改造する取り組みが行われている。
- 2ストローク自動二輪向けの改造キットを開発した。（フィリピンなど、対策、TV映像）
[編集] ガソリンを燃料とするものの潤滑
2ストロークガソリン機関では、その構造上クランクケース内に混合気を導入し一時圧縮を行う必要があるため、同じくクランクケース内にあるコンロッド大小端部やクランクシャフトの主ベアリングなどを、潤滑油をクランクケース内に保持したままで飛沫潤滑/給脂することができない（ガソリンで希釈されてしまう）。このため、
- ガソリンに一定比率（1:25 - 1:50ほど）で2ストローク用の潤滑油を混合し、潤滑させた後に燃焼させる。
- あらかじめ容器でガソリンと潤滑油を混合して用いる方式を混合給油、潤滑油を燃料とは別のタンクに貯蔵し、オイルポンプを通じてガソリンと混合させる方式を分離給油という。
- 以前は全ての2ストロークエンジンが混合給油であったが、回転数や負荷の変化に細かく対応できないため、かじりや焼き付き、未燃焼ガソリンなどの燃料が電極に付きリークしてしまう点火プラグかぶり等が避けられず、ダイハツの「オイルマチック」、スズキの「CCIS」など、回転数、アクセル開度、負荷の程度により混合比が自動可変し、クランクまわりのベアリングにも、オイルを圧送する方式が主流となった。現在では構造が簡単なチェーンソーなどの汎用エンジン以外、オートバイ、自動車、船外機などは分離給油となっている（ホームセンターなどでは、チェーンソー、刈払機用に、あらかじめ潤滑油が混合された缶入りガソリンが売られている）。
- 排気中に燃え残りの潤滑油分が多く、排気ポートやマフラー周辺が汚れるほか、排気ガスもクリーンなものにはなりにくい。このため、水上オートバイや船外機などの水中排気の小型船舶に用いるエンジンオイルには、生分解性に優れた植物エステル系オイルが用いられている。
- 潤滑油混じりの独特の排気臭を和らげるため、1980年代にはスクーター向けにイチゴやキンモクセイの香りがするエンジンオイルが市販されていたが、2006年現在でも出光興産からオレンジの香りがする「ゼプロオレンジ2」が発売されている。
- ヤマハ発動機の純正2ストロークエンジンオイルが黒く濁っているのは、二硫化モリブデンを潤滑剤として配合しているためである。
[編集] 2ストロークディーゼル機関
ディーゼル機関ではガソリン機関のように火炎伝搬の限界によるボアの限界が無い為、大排気量化に有利である。また、ガソリン機関に比べ、熱効率が高く、多種類の燃料を使用する事が可能である。複合化することにより熱効率は40%を越え、燃焼行程を経ない為にカルノー効率に支配されない燃料電池をも上回る。
[編集] 軽油を燃料とするもの
ディーゼルエンジンでは小型から大型の機関が、自動車、軍用車両、鉄道車両、建設機械、航空機、船舶、コジェネレーション用として存在する。
[編集] 対向ピストン式
[編集] ユンカース ユモ
1926年、ドイツの「ユンカース」と「クルップ」2社の協力により、上部のピストンとクランクシャフトをサイドロッドと呼ばれるコネクティングロッド（コンロッド）でつなぐ上下対向ピストン式エンジン (Opposed piston engine) が開発され、画期的な2ストロークディーゼルエンジンが誕生した。ダブルアクティングとも呼ばれる。
シリンダーヘッドが存在しないこのエンジンは、燃料供給は必然的に直接噴射となり、世界初の無気直噴エンジンとなった（無気とはエアインジェクション無しで、圧縮行程のシリンダー内に高圧で燃料のみを噴射し、霧化する方式）。
上下対向式はその後、ギア連結の上下2クランクシャフト方式へと進化、さらなる高回転化が可能となり、航空機に搭載された。
6気筒、12ピストン、排気量16.6リットルのユンカース ユモ 205 (Jumo 205) は熟成を重ね、後継のユモ 207では最大出力1,000ps (745.7kw) /3,000rpm、過給器付きユモ 205では1,300PSにも達した。
[編集] 日本デイゼル・ND型
日本では1936年に「日本デイゼル」がユンカース / クルップの特許を取得して、サイドロッド駆動の上下対向式エンジンの生産を開始、会社名を採ってND型と名付けられた。これが日本初の自動車用2ストロークディーゼルエンジンとなる。
日本デイゼルはその後「鐘淵デイゼル」へ社名を変え、製品名もKD型へと変えられた。KD型は、単気筒から直列4気筒までのモジュラー設計で、気筒数を表す数字を付けられたKD1型 (1362cc) からKD4型 (5448cc) と、KD4のボアアップ版のKD5型（4気筒 7540cc）をラインナップしていた。
第二次世界大戦終戦直後の民生産業（鐘淵デイゼルから1946年改称）製KDエンジンは、1940年代後期の日本製高速ディーゼルとしては最強の部類に属したが、反面「背が高い、騒音が高い、（燃費・オイル消費や構造の複雑さから）維持費が高い」という意味で「三高（さんだか）エンジン」と呼ばれる難物でもあった。サイドロッド式は最高回転数が1,500rpm程と低く、1951年発表の改良KD3型（3気筒 4086cc）では、120PS (88.3kw) /1,800rpmまで高められたが、それ以上の高回転化（高出力化）は難しく、競合メーカーの生産する簡潔な設計の4ストローク高速ディーゼル機関に対抗するにも、進化の限界を迎えていた。
民生は旧態化したKD型エンジンに見切りをつけ、今度はゼネラルモーターズとの間にライセンス生産契約を交わし、1955年、これも日本の自動車用としては唯一となる、ユニフロー掃気式ディーゼルエンジンのUD型エンジンを発表する。
[編集] ネイピア デルティック
ネイピア デルティックは数々の異型エンジンの「発明」で知られる、ネイピア・アンド・サン (Napier & Son) が送り出した、3クランクシャフト対向ピストンエンジン。高度なメカニズムの「クルップ・ユンカース」の上下対向ピストン式直列6気筒・12ピストンをさらに3つ組み合わせ、三角シリンダーの18気筒・36ピストンとした「奇想天外エンジン」。デルティックとは、三角形を表すデルタからの造語。
向かい合った2つのピストンの位相差で掃気を行う点はユンカース ユモと同様である。3本のクランクシャフトのうち、左図では最下部となっている1軸のみ、他の2軸と逆回転となる。すべてのクランクシャフトはギアトレーンで連結され、タイミングのずれを防いでおり、同じロウ（行：隣り合うバンクでの同じ順位のシリンダー）の3つのバンクの爆発にも時間差を設けてある。
もともとはイギリス海軍の高速魚雷艇（PTボート）エンジンと航空機用のエンジンとして1944年から開発が始まり、1950年の完成と同時に予定どおり高速魚雷艇に搭載され、21世紀まで現役であったほか、英国国有鉄道 (British Rail) のクラス23ディーゼル機関車「ベビー・デルティック」とクラス55ディーゼル機関車「デルティック」にも採用されたが、こちらはトラブルが多く、早期に現役を引退した。
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デルティックエンジンのアニメーション模式図
緑色は吸気、紫色は排気を示す。 -
ネイピア デルティック
カットビュー
ナショナル・レールウェイ・ミュージアム -
BR クラス55 デルティック
ナショナル・レールウェイ・ミュージアム
[編集] ユニフロー・スカベンジング・ディーゼルエンジン (UD)
詳細は「ユニフロー掃気ディーゼルエンジン」を参照
通常クランク型においても、1937年、38年と、ゼネラルモータース (GM) の一部門であったEMDとデトロイト・ディーゼルが、ルーツ式スーパーチャージャーを使った「ユニフロー掃気方式」の鉄道用と自動車用の2ストロークディーゼルエンジンを相次いで発表、生産を開始する。
567系V型12気筒エンジンを2基搭載したEMDのディーゼル機関車であるE-ユニットとF-ユニットは、共に大ヒットとなり、戦後も長く生産が続き、流線形の「ドッグノーズ」はアメリカ型機関車を代表する顔となった。
一方、バスの場合は、4ストロークに比べでコンパクトで高出力な点を生かし、デトロイトディーゼル・シリーズ71エンジンをリアに横置き搭載し、トランスミッションを車体に対して約45度に配置したアングルドライブパッケージが考案された。1940年から生産が開始された「GMC トランジット」はバスの新時代を拓き、以降、爆発的に普及し、1969年まで生産が続けられた。
シリーズ71エンジンは、グレイハウンド黄金期のシーニクルーザー (V8-71) や金魚鉢、メトロ窓のあだ名を持つニュールックトランジット (V6-71) など、GMCのほとんどのバスや大型トラックに採用されたため、日本のファンにもよく知られる存在となった。
日本の民生産業は、「民生デイゼル」として1950年に独立改組していたが、性能向上の限界に来ていたクルップ式KDエンジンに代わり、今度はGMのライセンスによる、スーパーチャージャーと頭上排気弁（2バルブ、後4バルブ）によるユニフロー掃気の2ストロークディーゼル、「ユニフロー・スカベンジング・ディーゼルエンジン (Uniflow-scavenging Diesel-engine)」を採用、1955年にこの方式の頭文字をとったUD型を発表した（民生デイゼルは1960年に日産ディーゼル工業に社名変更）。
UD型は3・4・5・6気筒の直列型、8・12気筒のV型ともモジュラー設計であり、エンジン型式には「UD4型」のように気筒数が入れられていた。やはり燃費の悪さという弱点があったが、4ストロークのPD型発売後も1974年まで同社のトラック・バスにはUD型エンジンが搭載され、「UD」は一時、日本での高速型2ストロークディーゼルの代名詞となった。UD型エンジンは日産ディーゼル車の「UDマーク」の由来となっており、全てのエンジンが4ストロークとなった今でも愛着を込めて用いられているほか、2010年にはUDトラックスと法人名にもなっている。
戦前、戦後を通じ、一貫して2ストロークディーゼルエンジンを作り続けた日産ディーゼルであるが、国状を反映し、戦前はドイツ、戦後はアメリカの影響を強く受けていたことは興味深い。
[編集] 軍用
第2次世界大戦末期には日本海軍で魚雷艇用の高速型2ストロークディーゼル機関が開発されたが、実戦には投入されなかった。戦後、接収された。日本は小型軽量高出力を要する分野に於いて出力重量比の優れた2ストロークディーゼル機関の開発ではリードしていた。ガソリンエンジンに比べ、同一の排気量の場合、出力は低いが、燃料が引火しにくい為、燃料タンクに防弾処理を施さなくても安全性が高く、有利である。 数としては少ないが陸上自衛隊の74式戦車、90式戦車のエンジンに採用されている。
[編集] 将来
将来のエンジンとして、ダイハツは、東京モーターショー（1999年、2003年）に「2ストロークユニフローディーゼルエンジン」を出品した。2003年発表の軽自動車用エンジンは、排気ガスの新長期規制をクリアした上で超低燃費であると伝えられており、近い将来の商品化が見込まれている（2004年現在）。
[編集] 重油を燃料とするもの
[編集] 大型機関
船舶用など、回転数が60 - 120rpm程度と極低速な大型機関では、毎回爆発である2ストロークのメリットは大きく、ユニフロー式の過給機付き2ストロークディーゼルが主流となっている。シリンダーライナー下部の掃気ポートから給気し、燃焼室上部の排気弁から排気するユニフロー方式である。
ディーゼルエンジンは元々熱効率が高いが、船舶用の低速ディーゼルエンジンは理論上のディーゼルサイクルに近い燃焼サイクルが実現できる。また低速であるため、2ストロークエンジンでは通常実現しにくいターボチャージャーを装備して機能させることができる。同時にインタークーラーも装備されているのが一般的である。排気ガスエコノマイザを装備し、排熱の一部を回収、再利用する例も多い。これらの総合的なシステムによって、熱効率50%を超過する高効率なエンジンが実現されており、現在最も効率の良いエンジンの部類に入る。
またこの種のエンジンは、粗悪なC重油でも予備加熱、清浄によって使用可能で、この面でも経費を抑えることができる。
始動はほとんどの場合、圧縮空気によって行われる。
[編集] 2ストロークエンジンの掃気方式による分類
[編集] ピストン制御式吸気弁
ピストンの上下により、吸気口が開閉する。ピストン自体が弁の役割を兼ねる。
[編集] リード式吸気弁
シリンダ内が負圧になると開くリード弁により吸気を行う。ピストン弁より多くの回転域に於いて良好な出力特性を示す。ピストン弁式のように混合気をクランクケースから排出しない。
通常のリードバルブ式2ストロークエンジンは逆回転が可能である。メッサーシュミット KR200はエンジンを逆回転させることにより後進した。模型飛行機用ではプロペラのねじりがどちらでも使える。多くの初期の小型の船舶用2ストロークエンジンではシリンダ内が負圧になると開くポペットバルブが使用されていた。慣性質量の為、低回転域に於いてのみ逆回転が可能であった。
[編集] ロータリー式吸気弁
詳細は「ロータリーバルブ」を参照
クランクウェブロータリーバルブ式と、ロータリーディスクバルブ式の2つに分かれる。
[編集] クランクウェブロータリーバルブ式
クランクシャフトにあるクランクウェブの一部を切り欠いて吸気弁とする方式である。吸入方向はクランクケースリードバルブ式同様、クランク軸放射（ラジアル）方向である。
- 利点
- コンロッド大端部へ混合燃料が直接接触するため、潤滑油混合比を薄くすることが可能である (50:1)
- 開閉タイミングを任意に設定することが可能で、慣性による過充填が一番期待できる。
- 欠点
- 回転バランスを取ろうとすると一次圧縮比が低下してしまうことで、逆に一次圧縮比を維持しようとすると回転アンバランスで機関の振動が増えてしまう。
- 代表車種
- ピアジオ
- ベスパ125系 (1957 - 1978)、ベスパ150系 (1960 - 1975)、ベスパ90系 (1963 - 1999)、ベスパ180ラリー系 (1966 - 1977)、ベスパP系 (1976 - )、ベスパPK系 (1979 - 1998)
- 富士重工
- ラビット
- ピアジオ
[編集] ロータリーディスクバルブ式
専用の円盤弁を用いて吸気弁とする方式である。吸入方向はクランク軸同軸（アキシャル）方向である。
- 利点
- 開閉タイミングを任意に設定することが可能で、慣性による過充填が一番期待できる。
- 欠点
- キャブレターをクランクケースと同軸方向にセットしなければ吸気経路が延びてしまうことで、同軸方向にキャブレターをセットするとキャブレターがエンジンより横へ飛び出てしまうことから、キャブレターの設置場所に難がある。
- 代表車種
- ヤマハ
- メイト、YB125、YB50/90/-1
- スズキ
- RG400/500、K50/90/125、2サイクルバーディー50/90、バンバン90/125
- カワサキ
- KV75、KM90、AR125（リードバルブ併用）、KE125、A1/A7、KR250
- ヤマハ
[編集] クロス式掃気
掃気孔と排気孔が向かい合った形のもの。そのままでは掃気孔からの新気が素通りして排気孔へ逃げてしまうため、ピストン頂部を山形に盛り上げたり、掃気の流れを上向きにすることにより排気孔に逃げる新気を減らす工夫がなされる。それでもやはり燃焼室内を素通りする新気が多く、燃焼室上部に燃焼ガスが残りやすいという弱点のため現在ではあまり用いられない[6]。
[編集] ループ（反転）式掃気
掃気孔を排気孔の正面から左右にずらした位置に配置することにより、掃気孔からの新気を一度シリンダ内面にぶつけたり、それぞれの掃気孔からの新気をぶつけるなどして反転させて燃焼ガスを追い出す方式である。掃気・排気孔の配置によってシニューレ式・MAN式・カーチス式などがあるが、シニューレ式が一般的である。高性能2輪車のエンジンでは掃気孔の面積を大きくするために、さらに一対の補助掃気孔を追加したり、排気孔の向かい側に掃気孔を設けているものもある。 クロス式に比べて掃気性能は向上するが、シリンダ内のガスの流れが複雑になるためにシリンダの温度が不均一になって、熱歪みが発生しやすくなるのが欠点である。
[編集] ユニフロー（単流）式掃気
ユニフロー掃気ディーゼルエンジンも参照。
ユニフロー掃気とは、新気（空気もしくは混合気）をシリンダーの下端から入れ、シリンダー上部から排気する方式で、掃気を反転させずに一方向にしたものである。ユニフロー式にもいくつか種類があるが、ポペットバルブを燃焼室の上部に設置した頭上弁型が主流で、大型船舶などの低速ディーゼルエンジンに於いて使用される。頭上弁型ではピストンでの排気孔の開閉はできないため、4サイクルエンジンのようなポペットバルブを燃焼室上部に使用している。この掃気方式では新気と燃焼ガスが混ざりにくく、掃気効率が高くなるという特徴を持つ。シリンダー端に掃気孔を等間隔で配置できるため掃気孔の面積を大きく取ることができ、シリンダの温度分布を均一にできることから熱歪みが発生しにくくなるという特徴を持つ。
[編集] パワーバルブシステム
大半の近代における2ストロークエンジンはパワーバルブシステムを採用している。排気デバイスとも呼ばれ、通常は排気口をふさいでいるが、作動時には1若しくは2の排気口がタイミングにあわせて開く。排気口の開度を大きくとることが出来る。
[編集] 段付ピストンエンジン
段付ピストンエンジンは燃焼室において圧縮比を高める為にピストン上面に段をつけたものである。ピストンの重量は段をつける事により20％重くなり、慣性質量が増加する。利点はピストンの潤滑が容易になり、4ストロークエンジン同様、平軸受けが使用できる事である。特許はBernard Hooper Engineering Ltd (BHE) が2005年に取得した[7]。
[編集] 注釈
- ^ 初期のガソリンエンジンは4ストローク形でもオイル消費が激しかったので、混合燃料によるオイル使い捨てはさほど問題にされなかったとも考えられるが、後年、潤滑油の消耗や排出ガス浄化への影響が問題視されることになる。
- ^ パワーバンドと言う用語自体は2ストローク機関に特有のものではなく、動力一般に用いられる。
- ^ Envirofit works to retrofit the Philippines
- ^ Ernasia project - Asian City Air Pollution Data Are Released
- ^ Retrofitting Engines Reduces Pollution, Increases Incomes | Worldwatch Institute
- ^ アメリカ合衆国特許第6,468,122号
- ^ Bernard Hooper Engineering
[編集] 関連項目
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