2ストローク機関

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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2ストローク1サイクル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。

概要[編集]

定義[編集]

動弁機構を持たない一般的2ストローク・ガソリンエンジンの模式図。潤滑油は燃料に混合するか、もしくは独立配管で潤滑箇所に供給され、燃料と一緒に燃やされる。掃気圧力と予備圧縮の圧力は、いずれもピストンの下降に伴うクランク室の容積変化により得ている

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、「2サイクルエンジン」と呼ばれることもあるが、「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。

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)

2ストローク・ガソリンエンジンの行程[編集]

行程は以下の通りである。

  1. 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。
  2. 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。

歴史[編集]

ルノアール・エンジン[編集]

1861年製のルノアール・ガスエンジンの模式図

最初の実用的な内燃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。考案者はベルギー出身でフランスで活動した技術者ジャン=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。

工場での定置動力等には蒸気機関より軽便・簡易で、都市のガス供給網を利用できるメリットもあって、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「機関内の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。

クラーク式2ストロークエンジン[編集]

クラークのエンジンに類似した構造を持つ1910年代のユニフロー2ストローク単気筒ガソリンエンジン。

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 (en:Dugald Clark) が最初に製造し、1881年英国特許を取得した[1]

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。

クラークのエンジン本体の外部に圧縮・掃気装置を設ける手法は、事実上世界初[2]の過給機付きエンジンともいえるものであり、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った。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。但し、クラーク本人は「シリンダー式掃気装置は加圧ポンプではなく、単にシリンダー内の掃気を補助してスムーズに排気管へ燃焼ガスを排出させる為の装置に過ぎない」という主旨を述べていたとされる[3][4]

デイ式2ストロークエンジン[編集]

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。この手段で、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。
圧縮効率の低下や吹き抜けに対する策として、ガソリンエンジンの場合はチャンバーを利用する方法がある(詳細はチャンバー)。チャンバーの形状は特定の回転域で充填効率が高まり、高トルクが得られる回転域「パワーバンド」が表れる事が多い。中には、YPVSのようにシリンダーの排気ポートを電動で可変させたり、V-TACSのようにサブチャンバーを開閉させる事によりパワーバンドを広げる工夫もある。YEISのように吸気側にチャンバーを設ける工夫もある。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低出力化を伴うが回転域を広くした経緯がある。
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[5]

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。

2ストロークガソリンエンジン[編集]

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、ガソリン空気混合気を吸気し、これを掃気 (en:Scavenging (automotive)) 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。

その為、日本の普通自動車及び小型自動車では4ストロークエンジンの性能が向上してきた1960年代後半には殆ど姿を消しており、排気量が小さな軽自動車においても、自動車排出ガス規制が日本国内で開始(昭和48年排出ガス規制)された1973年昭和48年)ごろより、360ccの4ストロークエンジンへの移行が始まり、日本版マスキー法と呼ばれた1975年昭和50年排出ガス規制(識別符号A-またはH-)、1976年昭和51年排出ガス規制(識別符号C-、商用のみH-)の頃には、ダイハツスズキを除く全メーカーが550ccの4ストロークエンジンへの移行を完了した。マスキー法の規制値を完全達成した1978年昭和53年排出ガス規制(識別符号E-)以降は、スズキのみが規制に適合した車両を製造していた。

  • ダイハツの軽商用車ハイゼット1981年まで360ccのZM型搭載車を販売した。1975年以降は昭和50年規制に適合。ダイハツの場合は出力の為と言うよりも、360cc規格時代の軽限定免許のドライバーの救済策という意味合いが強かった。軽限定免許では1976年以降の550cc規格軽自動車の運転は認められないため、当時50万人程いたといわれる軽限定免許ユーザーのために1981年8月まで継続生産されることとなった。
  • 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、キャリイ及びエブリイ1985年まで、ジムニー(SJ30系)は、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。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。いずれの車種も軽商用車に当たる為、排ガス規制は昭和50年規制が適用された。より排ガス規制の厳しい軽乗用車ではフロンテが1981年まで、セルボ1984年まで2ストロークを継続した。軽乗用車のエンジンでは酸化触媒を二重に配置し、エアポンプ式二次空気導入装置も併設されたスズキ・TC (Twin Catalyst) システムの導入で昭和53年規制に適合していた。
  • 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主に発展途上国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。EU圏では2000年のユーロ3排出ガス規制以降、原動機付自転車の2ストロークの規制も強化され、チャンバーに触媒コンバータが内蔵されるなどの対策が施されていたが、2010年代にはこれらの二輪車もほぼ4ストロークへと移行した。
  • モーターショーにおいて、BMW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)

2ストロークガソリンエンジンの特徴[編集]

  • 同出力の4ストロークエンジンと比較して、カム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である事から、軽量で安価でオーバーホールもたやすい。
  • 気筒内のガス交換の不完全さから、アイドリング時の回転は不整で、排気脈動も不整となる(充填効率や静粛性、快適性で劣る)。
  • 完全燃焼せず、未燃焼ガスの吹き抜けが起こるためCOHC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と共に、エンジンオイルの消費量が多い。燃焼される事の無い生のエンジンオイルも排出されて汚染の原因となる。但し、燃焼室内の燃焼温度は低い為、原理的にNOxは4ストロークエンジンに比べて少ない傾向はある。
  • 圧縮比が低く、爆発間隔も短いためストールしにくい。
  • 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。
  • 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。
  • 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。

2ストロークガソリンエンジンをとりまく近況[編集]

1970年代まではヨーロッパ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年代初頭に東ドイツ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[6]。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[7][8]

一方、発展途上国では現在でも2ストロークのスクーターなどが良く見られる。これは局所的な大気汚染の大きな原因の1つになっているとされる[9]

  • 2011年、アプリリア (aprilia SR50 Purejet) が、空気混合燃料直噴射する、2ストローク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))のもの。

ガソリンを燃料とするものの潤滑[編集]

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(2ストロークオイル)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イタリア語版という。
  • 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、かじり焼きつき、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」、ヤマハの「オートルーブ」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)。
    • ただし、分離給油はオイルポンプの吐出量がオイルの粘度などの影響を受けやすいため、厳密には2ストロークオイルの銘柄を変更した場合には、オイルポンプの吐出量を再調整する必要がある。オイルの性質と車体のオイルポンプの吐出量がミスマッチの場合、排気口から未燃焼オイルが飛び散って車体や衣服を汚したり、最悪の場合は排気ポートやマフラーに未燃焼オイルやカーボンが溜まって排気を詰まらせてしまう事で、大幅なパワーダウンや始動不能などのトラブルを引き起こす。排気系統が詰まった場合には、マフラーを取り外して内部を焼却・清掃するか、マフラーの交換が必要となる。
    • また、比較的焼きつきに強い分離給油方式でも、サーキット走行などで全開から急激なエンジンブレーキを掛けるような用途では潤滑性能が不足する為、このような場合にはオイルポンプによる給油を廃止して混合給油仕様とする場合がある。レーシングカートでは急激なエンジンブレーキを掛ける際にはインテークを瞬間的に掌で塞いで混合気を濃くする事で焼きつきを防ぐチョーキングと呼ばれる走行技術も用いられる。
  • 排気中に燃え残りの潤滑油分が多く、排気ポート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。鉱物油系オイルは特に燃え残りが多くなりやすいので、不純物のない化学合成油系オイルに変更する事で排気煙を軽減する事が出来る他、水上オートバイや船外機などの水中排気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も用いられている。
  • 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。2006年頃までは出光興産からオレンジの香りがする「ゼプロオレンジ2」が発売されていたが、現在では販売終了となっている。こうした目的のオイルで2014年現在でも残るものは、広島高潤が販売するひまし油配合の「KZひましじゃけん」のみである。
  • 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。

2ストロークディーゼル機関[編集]

ディーゼル機関ではガソリン機関のように火炎伝播の限界によるボアの限界がないため、気筒容積の拡大だけで大型化できる。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ことが可能である。複合化することにより熱効率は40%を越え、大型低速機関では50%を超えるものもある。ただし燃焼行程を経ないためにカルノー効率に支配されない高温作動燃料電池の効率には劣る。

軽油を燃料とするもの[編集]

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。

対向ピストン式[編集]

左右対向ピストンエンジン
ユンカース ユモ[編集]
ユモ 205 カットビュー

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。

日本デイゼル・ND型[編集]
富士産業・ふじ号(1954年)
都営バスのこの個体のエンジンは民生産業のKD2型(直列2気筒)が縦置きされている

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UD型エンジンを発表する。

ネイピア デルティック[編集]

ネイピア デルティック (en:Napier Deltic) 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」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、こちらはピストンシャフトに穴を開けたことによる強度不足による破損や、狭い車体に無理矢理エンジンや補機、冷却装置を詰め込んだ事が原因のオーバーヒートなどのトラブルが多く、駆動に関係する部品数が多いため騒音が酷く、整備をするにもイギリス国鉄の整備士には手に負えずネイピア社の技術者を一々呼ばないといけない事や、オーバーホールのスパンが他の機関車よりも短かったことなどから運用コストもかさみ、より信頼性が高く且つ高性能なインターシティー125の登場もあり、早期に現役を引退した。

KMDB 6TD-2[編集]

ウクライナのKMDB (Kharkiv Morozov Machine Building Design Bureau) の6気筒(12ピストン)水平対向ピストンエンジンの6TD-2は、排気量16.3リットル・ターボチャージャー付きで1200hp/2600rpmの最高出力を発生するマルチフューエル直噴ディーゼルエンジンであり、自社で生産しているオプロートT-84などの戦車に搭載されて、それらの世界最高と言われる機動力を支えている[10]。なおKMDBでは他にも3TD(3気筒)や5TD(5気筒)など、用途は戦車を含む特殊車両やモーターボートに限られるが、対向ピストンエンジンを生産している。

通常ピストン式[編集]

ユニフロー・スカベンジング・ディーゼルエンジン (UD)[編集]
GMC トランジット
1948年製 TDH-3610
写真はヘンリー・フォード博物館に展示されている、公民権運動の活動家、ローザ・パークスが逮捕されるきっかけになったバス。

通常クランク型においても、1937年-1938年にかけ、ゼネラルモーターズ (GM) の一部門であったEMD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F-ユニットは、共に大ヒットとなり、アメリカ国内に留まらず多くの国の鉄道で採用された。それらは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エンジントランスミッションをリアに横置き搭載し、後車軸とトランスミッションを車体に対して約45度に配置したプロペラシャフトで結ぶ、アングルドライブパッケージが考案された。この駆動方式を採用したリアエンジン車で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、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。

なお、ユニフロー掃気方式とは本来は後述のクロス掃気方式やループ掃気方式に対する用語である為、上記の頭上弁通常ピストン式の2ストロークディーゼルのみをユニフロー掃気方式と称するのは本来正しいものではない。単にユニフロー掃気を用いる2ストロークディーゼルという分類で言えば、前述の対向ピストン方式も吸排気の方向が一方向で掃気が確実になるという意味において、広義のユニフロー掃気方式に含まれる為である。

バルブレス式[編集]
西豪州国営鉄道X級。クロスリー製HST Vee8 バルブレス式V型8気筒1200馬力エンジン搭載。

ユニフロー掃気ディーゼルエンジンと同じく、掃気用ルーツブロアを持つ2ストロークディーゼルエンジンの中には、頭上弁を廃してシリンダー側面の排気ポート方式とし、クロス掃気若しくはループ掃気を行うバルブレス式2ストロークディーゼルエンジンとされたものがごく少数存在した。多くはデトロイトディーゼル・シリーズ53エンジン(頭上弁式ユニフローディーゼル)に対するシリーズ51エンジン(バルブレス式)のような、単純にコストダウンや生産性向上を目的にした設計変更に因るものであったが、中にはイギリスクロスリーが鉄道向けエンジンとして開発したHST Vee8エンジン等のように、掃気を敢えてループ掃気として排気管内の強い排気パルスによる排気ガスの押し戻しを誘発させた上で、ターボチャージャーによる大過給を掛ける事で、ユニフロー掃気ディーゼルエンジンのターボ仕様以上の出力向上を狙ったものも存在した。クロスリーのバルブレス式エンジンによる過給方式はen:Exhaust pulse pressure chargingと呼ばれている。

軍用[編集]

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74式戦車90式戦車のエンジンに採用されている。

将来[編集]

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)。

重油を燃料とするもの[編集]

大型機関[編集]

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。

大型商船のほか、内燃力発電の機関としても利用されている。

始動はほとんどの場合、圧縮空気によって行われる。

建設機械[編集]

Berminghammer社製B6505型ディーゼルハンマー

建設機械杭打ち機のうち、ディーゼルハンマー(ディーゼルハンマとも)と呼ばれるものは、それ自体が巨大な2ストローク単気筒ディーゼルエンジンとなっている。筒状の構造で、先端には杭に宛がわれるアンビル、筒内には上下動するハンマー)が内蔵されており、筒の側面に燃料ポンプと吸排気口が設けられている。内部の槌がピストン、アンビルの内側が燃焼室の役目をそれぞれ果たすようになっており、ディーゼルハンマーよりプリミティブな打撃形式であるモンケンが、打撃のたびに巻上機(クレーン)で槌を持ち上げて自然落下させるのに対して、ディーゼルハンマーは槌が落下する際に予めアンビルに燃料(重油)を流し込んでおくことで打撃と同時に爆発が発生、膨張行程により槌が最上位まで戻るため、連続的に燃料を供給し続けることでモンケンより効率的かつ高速な連続打撃を行う事が可能となる。ディーゼルハンマーは動力機関ほどの掃気効率が要求されないため、吸排気ポートも共用化されたごく単純なものとなっているが、騒音が大きく排気ガスも汚いことから、近年ではバイブロハンマー等のより静音・低振動の杭打機に取って代わられ、海外ではまだ広く用いられているものの、本邦の建設現場で目にすることは稀となっている。

2ストロークエンジンの吸排気方式による分類[編集]

ピストン制御式吸気弁[編集]

ピストンの上下により、吸気口が開閉する。ピストン自体がの役割を兼ねる。ピストンバルブ式とも呼ばれる。

リード式吸気弁[編集]

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。リードバルブ式とも呼ばれる。

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の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。 またリードバルブ式2ストロークエンジン搭載の軽自動車では、点火時期の調整の不備からエンジンが逆回転したことによる事故があった。

ロータリー式吸気弁[編集]

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。

クランクウェブロータリーバルブ式[編集]

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

ロータリーディスクバルブ式[編集]

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

クロス式掃気[編集]

クロス式掃気の一例、ディフレクターピストンの採用

クロスフロー掃気とも呼ばれる。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[11]

ループ(反転)式掃気[編集]

ループ式掃気における掃気・排気ポート配置の一例

シニューレ式掃気(: Schnuerle)とも呼ばれる。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。

ループ式掃気を補助する為に排気ポートを可変式(後述のパワーバルブシステム)としたり、排気管の一部を大きく膨らませたチャンバー構造として、排気ポート側に吹き抜けた新気をシリンダー内に押し戻す反射波を発生させる事も行われている。

ユニフロー(単流)式掃気[編集]

ユニフロー式掃気の一例、OHV型2ストロークディーゼルエンジン

ユニフロー掃気とは、新気(空気もしくは混合気)をシリンダーの根元から吸気しながら、シリンダ先端から燃焼ガスを排気することで、掃気を反転せず、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、頭上排気弁とシリンダ下部の掃気ポートを併用することでユニフローを実現した型が唯一生産中であり、大型船舶などの低速ディーゼルエンジンに使用される。ユニフロー掃気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。掃気孔を等間隔で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。ロングストロークにするほど、これらの利点が生かせ、高効率エンジンを実現できる。

頭上弁式ユニフロー掃気2ストロークはディーゼルエンジンだけで実用化されており、大型舶用ディーゼルは単体の熱機関で最高の熱効率50%を誇っている。また過給機による掃気となっておりガソリンエンジンのようなクランクケース圧縮は行われたことがない。

ガソリンエンジンにおいては高価な過給機と頭上排気弁が必要なユニフロー掃気2ストロークエンジンは実用化しなかった。ガソリン機関では簡素な構造で低コスト化することが2ストローク機関の目的とされ、安価なクランクケース圧縮によるループフロー掃気やクロスフロー掃気が量産され発達した。

一方ガソリンエンジンでは1910年代から1970年にかけて細々とスプリット・シングルが作られたが、リードバルブや排気干渉を利用して改善されたループフロー掃気やクロスフロー掃気にも劣る性能になったため既に廃れている。

対向ピストンエンジンや、これを燃焼室のある真ん中から折り曲げた形のスプリット・シングルエンジンをユニフロー掃気に含めることもあるが、合理性がないため廃れた。これらは掃気効率の良さを残してはいるものの、一対のシリンダを一方向に掃気することで、かえって2つのシリンダの掃気状態と温度分布を逆に傾ける。すなわちピストンの動作方向まで考えると片方のシリンダの掃気方向が必ず逆になり、ユニフローとは言えなくなる。燃焼室形状と温度の偏りは最適に程遠く、熱効率も信頼性も低下する。2つのシリンダで1つの掃気と1つの燃焼室を共有する意図が2つのシリンダを別々に設計・製造、冷却・潤滑せざるを得なくし、コストパフォーマンスも低下する。

パワーバルブシステム[編集]

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。

段付ピストンエンジン[編集]

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[12]

注釈[編集]

  1. ^ このため2ストロークガソリンエンジンの動作サイクルは、4ストロークのオットーサイクルに対してクラークサイクルと呼ばれる。
  2. ^ Ian McNeil, ed (1990). Encyclopedia of the History of Technology.. London: Routledge. pp. 315–321. ISBN 0-203-19211-7. http://books.google.com/books?id=fj96Dpp3-5gC&lpg=PA315&dq=rateau%20engine&pg=PA315#v=onepage&q&f=false. 
  3. ^ Nunney, M.J. (2007). Light and heavy vehicle technology (4th ed. ed.). Oxford, England: Elsevier Butterworth-Heinemann. pp. 6–8. ISBN 0-7506-8037-7. http://books.google.com/books?id=eL6TBaSnd78C&lpg=PA6&dq=the%20first%20two%20stroke%20engine%20Clerk%20Day&pg=PA6#v=onepage&q&f=false. 
  4. ^ Beecroft, David (2008). History of the American automobile industry. lulu.com. pp. 64–65. ISBN 978-0-557-05575-3. http://books.google.com/books?id=3A4CTZbOemcC&lpg=PA64&dq=the%20first%20two%20stroke%20engine%20Clerk%20Day&pg=PA64#v=onepage&q&f=false. 
  5. ^ 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。
  6. ^ Envirofit works to retrofit the Philippines
  7. ^ Ernasia project - Asian City Air Pollution Data Are Released
  8. ^ Retrofitting Engines Reduces Pollution, Increases Incomes | Worldwatch Institute
  9. ^ “2サイクルスクーターは「重大な大気汚染源」、研究”. AFPBB News. (2014年5月14日). http://www.afpbb.com/articles/-/3014880 2014年5月16日閲覧。 
  10. ^ 「モーターファン・イラストレイテッドVol.20」(三栄書房 ISBN978-4-7796-0410-2) P.053
  11. ^ アメリカ合衆国特許第6,468,122号
  12. ^ Bernard Hooper Engineering

関連項目[編集]