2サイクルエンジン(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工程機関とも呼ばれ、また、2ストとも略される。
2サイクルエンジン(2ストローク機関)の概要
定義
2ストロークエンジンは1往復（工程換算2回 (=2stroke) ）で1行程が完結するエンジンで、ピストン1往復ごとに燃料が点火される。
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」では各行程段階を正確に指すことにはならないため、「2ストローク1サイクル」と呼ぶ方が正しい。 英語では、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、ヴァンケル・ロータリー、（一般的ではないが6ストローク機関もある）に大別できる。
2ストロークエンジンの行程
2ストロークエンジンの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。
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 Etienne 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為されないため、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。
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・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。
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た。そしてこのガスを、エンジン回転に伴うクランクシャフトの遠心力によって予備圧縮した。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、圧縮比は4ストロークエンジンほど高く取れない。
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掃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為されるようにした。潤滑に関する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供給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。
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輪車でも排気ガス問題の面から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小型機器、可搬消防ポンプ、模型用エンジンなど）が主である。
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。
・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、製造コストは低く軽量な点がメリットとなる。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エンジン不調を招く。
・排気ガスが汚い（完全に燃焼せず、未燃焼ガスの吹き抜けが起こるためCOとHCが多い）。同じ理由で、4ストロークエンジン比で燃費が劣る。またエンジンオイルを燃料と一緒に燃焼させるために、排気ガス中の有毒物質が多い。
・エンジン音が高く静粛性に乏しい（排気脈動による高周波音）。
・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。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。
・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。
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、排出ガス規制強化を原因に大幅に減少。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。日本を例に取れば、2007年現在、2ストロークエンジン搭載の国産四輪車は製造されていない。ヨーロッパでも事情は同様である。
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）では特性上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（ボンバルディエ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気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、直噴エンジンの開発が進められている。 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。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が死亡していると報告している。1億台に及ぶ2サイクルエンジンのタクシーとオートバイが要因である。
ガソリン式2ストローク
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（これが一時圧縮）、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（これが掃気）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排ガス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、トルコン式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。
・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〔ﾓﾄGP〕に名称の変更された。
・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。
これら新世代の2ストロークエンジンは、直噴を備えたり、潤滑は4ストロークと同様で潤滑油を燃焼させることはなく、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、ジェットスキー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。
・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。
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、大型化に有利である。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、カルノー効率に支配されない燃料電池をも上回る。
2ストロークエンジンの給排気弁による分類
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。
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。
ロータリー式吸気弁
クロスフロー掃気式
ループ式掃気
ユニフロー式掃気
ディーゼル機関に於いてユニフローエンジンとは混合気若しくは空気をシリンダの端から入れるものである。ディーゼル機関車や船舶に於いて使用される。
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。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
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％重たくなり、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。
