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2ストローク（または2ストロークサイクル）エンジンは、クランクシャフトの1回転でピストンが上下に2回ストロークして動力サイクルを完了する内燃機関の一種です。これに対し、4ストロークエンジンは、動力サイクルを完了するためにクランクシャフトの2回転でピストンが4回ストロークする必要があります。下死点から上死点までのストロークでは、排気/吸気（または掃気）の終了と混合気の圧縮が完了します。2番目のストロークでは、混合気の燃焼、燃焼した混合気の膨張、そして下死点付近での掃気流の開始が含まれます。
2ストロークエンジンは、パワーストロークが4ストロークエンジンの2倍の頻度で発生するため、4ストロークエンジンよりも出力重量比が高くなることが多い。また、2ストロークエンジンは可動部品が少なく、製造コストが安く、重量も軽い。排出ガス規制が厳しい国や地域では、自動車やオートバイへの2ストロークエンジンの使用は段階的に廃止されている。規制がそれほど厳しくない地域では、小型の2ストロークエンジンはモペッドやオートバイで依然として人気がある。[ 1 ]また、チェーンソーやリーフブロワーなどの電動工具にも使用されている。SSGやSLGのグライダーには、2ストロークエンジンが搭載されていることが多い。
シリンダー圧縮を利用した最初の商用2ストロークエンジンは、1881年に設計の特許を取得したスコットランドのエンジニア、ダガル・クラークによるものとされている。 [ 2 ]しかし、後のほとんどの2ストロークエンジンとは異なり、彼のエンジンには独立した充電シリンダーがあった。ピストンの下の領域を充電ポンプとして利用するクランクケース掃気エンジンは、一般的にイギリス人のジョセフ・デイによるものとされている。[ 3 ] [ 4 ] 1879年12月31日、ドイツの発明家カール・ベンツは2ストロークガスエンジンを製造し、1880年にドイツで特許を取得した。真に実用的な最初の2ストロークエンジンは、1908年に2気筒水冷式オートバイの製造を開始したヨークシャー出身のアルフレッド・アンガス・スコットによるものとされている。 [ 5 ]
電気火花点火式の2ストロークガソリンエンジンは、チェーンソーやオートバイなどの軽量または携帯型の用途に特に適しています。しかし、重量やサイズが問題にならない場合、このサイクルの高い熱力学的効率の可能性は、船舶推進、鉄道機関車、発電など、重量に影響されない大型の用途で使用されるディーゼル圧縮点火エンジンに最適です。2ストロークエンジンでは、排気ガスが冷却システムに伝える熱量が4ストロークエンジンよりも少ないため、ピストン、そしてターボチャージャー（搭載されている場合）を駆動するためのエネルギーが多くなります。
一般的な小型ガソリンエンジンなどのクランクケース圧縮式2ストロークエンジンは、全損潤滑方式で石油とオイルの混合液によって潤滑されます。オイルは事前にガソリン燃料に混合され、燃料対オイル比は約32:1です。このオイルは、エンジン内で燃焼するか、排気ガス中に液滴として排出物を形成し、従来、同等の出力を持つ4ストロークエンジンよりも多くの排気ガス、特に炭化水素を排出してきました。一部の2ストロークエンジンの設計では、吸気ポートと排気ポートの開弁時間が長いため、未燃焼の燃料蒸気が排気流に混入することもあります。小型空冷エンジンの高い燃焼温度は、NOx排出物も発生させる可能性があります。
2ストロークガソリンエンジンは、機械的な構造の簡素さ、軽量性、そして高い出力重量比が設計上の優先事項である場合に好まれる。燃料にオイルを混合することで、オイルタンクが重力に左右されないため、どのような向きでも運転できる。
過去には、スウェーデンのサーブ、ドイツのDKW、アウトウニオン、VEBザクセンリンク・アウトモビルヴェルケ・ツヴィッカウ、 VEBアウトモビルヴェルク・アイゼナハ、VEBファールツォイク・ウント・ヤークトヴァッフェンヴェルク、ポーランドのFSO、FSMなど、多くの主要自動車メーカーが2ストロークエンジンを使用していた。日本のスズキとスバルも1970年代に同じことをした。[ 6 ]西側諸国では、大気汚染規制がますます厳しくなったため、1980年代に2ストローク車の生産が終了。[ 7 ]東側諸国では、東ドイツのトラバントとヴァルトブルクで1991年頃まで生産が続いた。
2ストロークエンジンは、船外機、小型のオンロードおよびオフロードバイク、モペッド、モータースクーター、電動自転車、トゥクトゥク、スノーモービル、ゴーカート、RCカー、超軽量飛行機、模型飛行機など、さまざまな小型推進用途で今でも使用されています。特に先進国では、汚染規制により、これらの用途の多くでの使用が段階的に廃止されています。たとえば、ホンダ[ 8 ]は、2007年に米国で2ストロークオフロードバイクの販売を中止しましたが、それよりかなり前にロードバイクモデルの販売を中止していました。
2ストロークエンジンは、出力重量比が高く、あらゆる向きで使用できるため、リーフブロワー、チェーンソー、ストリングトリマーなどの手持ち式屋外用電動工具によく使用されています。
2ストロークディーゼルエンジンは、主に大型産業機器や船舶、一部のトラックや重機などに使用されている。
原理は同じだが、2ストロークエンジンの機械的な詳細は種類によって異なる。設計の種類は、シリンダーへの混合気の導入方法、シリンダー掃気方法（燃焼済みの排気ガスを新鮮な混合気と交換する方法）、およびシリンダーからの排気方法によって異なる。
ピストンポートは最もシンプルな設計で、小型2ストロークエンジンで最も一般的なものです。すべての機能は、ピストンがシリンダー内で上下に動く際にポートを覆ったり開いたりすることによってのみ制御されます。1970年代にヤマハはこのシステムの基本原理をいくつか考案しました。一般的に、排気ポートを広げると、ポートを高くした場合と同じ量だけ出力が増加しますが、ポートを高くした場合のようにパワーバンドが狭くなることはありません。ただし、ピストンリングの寿命を適切に保つためには、単一の排気ポートの幅には機械的な限界があり、ボア径の約62%です。これを超えると、ピストンリングが排気ポートに膨らみ、急速に摩耗します。数レースごとにリングを交換するレーシングエンジンでは、ボア幅の最大70%まで可能です。吸気時間は120～160°です。トランスファーポート時間は最低26°に設定されます。レーシング2ストロークエンジンの膨張室の強力で低圧の脈動は、ピストンが下死点にあり、トランスファーポートがほぼ全開になっているときに圧力を-7 psiまで低下させる可能性があります。2ストロークエンジンの燃料消費量が多い理由の1つは、吸入された加圧燃料空気混合気の一部がピストンの上部を横切って冷却作用を受け、そのまま排気管から排出されることです。強力な逆脈動を持つ膨張室はこの排出の流れを阻止します。[ 9 ]
一般的な4ストロークエンジンとの根本的な違いは、2ストロークエンジンのクランクケースが密閉されており、ガソリンエンジンやホットバルブエンジンの吸気プロセスの一部となっている点です。ディーゼル2ストロークエンジンでは、掃気のためにルーツブロワーやピストンポンプが追加されることがよくあります。
リードバルブは、ピストン制御ポートの吸気経路に一般的に取り付けられる、シンプルながら非常に効果的なチェックバルブの一種です。燃料混合気の非対称吸入を可能にし、出力と燃費を向上させるとともに、パワーバンドを広げます。このようなバルブは、オートバイ、ATV、船舶用船外機などで広く使用されています。
吸気経路は回転部材によって開閉される。小型バイクなどでよく見られる一般的なタイプは、クランクシャフトに取り付けられた溝付きディスクで、クランクケース端部の開口部を覆ったり開けたりすることで、サイクルの一部分の間だけ吸気を流入させる（ディスクバルブと呼ばれる）。
2ストロークエンジンで使用される回転式吸気バルブの別の形態としては、適切な切り欠きを備えた2つの円筒形部材が用いられ、これらの部材は互いに回転するように配置されている。吸気管は、2つの切り欠きが一致した場合にのみクランクケースに通じる。グロープラグ式エンジンの多くに見られるように、クランクシャフト自体がこれらの部材の1つを構成する場合もある。別の形態では、クランクディスクがクランクケースに密着するように配置され、ベスパのスクーターのように、適切なタイミングでクランクケース壁の吸気通路と位置が合う切り欠きが設けられている。
ロータリーバルブの利点は、2ストロークエンジンの吸気タイミングを非対称にできる点にある。これはピストンポート式エンジンでは不可能である。ピストンポート式エンジンの吸気タイミングは、上死点前後で同じクランク角で開閉するため対称的であるのに対し、ロータリーバルブではより早いタイミングで開閉を開始・終了できる。
ロータリーバルブエンジンは、ピストンポートエンジンやリードバルブエンジンよりも広い回転数範囲で出力を発揮するように、あるいは狭い回転数範囲でより高い出力を発揮するように設計できます。特に、ロータリーバルブの一部がクランクケースの一部となっている場合、摩耗が発生しないようにすることが重要です。
クロスフローエンジンでは、移送ポートと排気ポートはシリンダーの反対側にあり、ピストン上部の偏向板が新鮮な吸気をシリンダー上部に導き、残りの排気ガスを偏向板の反対側に押し下げて排気ポートから排出します。[ 10 ]偏向板はピストンの重量と露出表面積を増加させ、ピストンの冷却と効果的な燃焼室形状の実現を難しくするため、この設計は1960年代以降、特にオートバイではユニフロー掃気によりほぼ取って代わられましたが、直接噴射を使用する小型または低速のエンジンでは、偏向ピストンは依然として許容可能なアプローチです。
この掃気方式では、形状と位置を綿密に調整した移送ポートを用いて、シリンダー内に入る新鮮な混合気の流れを燃焼室へと導きます。燃料と空気の混合気はシリンダーヘッドに衝突した後、燃焼室の曲面に沿って流れ、下方へ偏向されます。
これにより、燃料と空気の混合気が排気口から直接排出されるのを防ぐだけでなく、渦状の乱流が発生し、燃焼効率、出力、燃費が向上します。通常、ピストン偏向板は不要なため、この方式は（上記の）クロスフロー方式に比べて明らかに優れています。
1920年代半ばに初期の形態を発明したドイツの発明家アドルフ・シュヌールレにちなんで「シュヌールレ」（または「シュニュールレ」）ループスカベンジングと呼ばれることが多いこの方法は、1930年代にドイツで広く採用され、第二次世界大戦後にさらに広まりました。
ループ掃気方式は、現代の2ストロークエンジンで最も一般的な燃料／空気混合気移送方式です。スズキは、ヨーロッパ以外でループ掃気方式の2ストロークエンジンを採用した最初のメーカーの一つでした。この作動方式は、ドイツのオートバイメーカーであるMZ社とウォルター・カーデン氏が開発した膨張室式排気システムと組み合わせて使用されました。
ループ掃気、ディスクバルブ、膨張室といった機構が高度に連携して機能することで、特に日本のメーカーであるスズキ、ヤマハ、カワサキの2ストロークエンジンの出力が大幅に向上した。スズキとヤマハは、ループ掃気による出力向上のおかげで、1960年代のグランプリバイクレースで大きな成功を収めた。
ループ掃気方式のもう一つの利点は、ピストンをほぼ平ら、あるいはわずかにドーム状に成形できることであり、これによりピストンを大幅に軽量かつ高強度にすることができ、結果としてより高いエンジン回転数に耐えられるようになった。また、「フラットトップ」ピストンは熱特性にも優れており、加熱ムラ、膨張、ピストン焼き付き、寸法変化、圧縮損失が発生しにくい。
SAABは、ループ充電方式を採用し、一定の成功を収めたDKW設計をベースに、750ccと850ccの3気筒エンジンを製造した。オリジナルのSAAB 92は、効率が比較的低い2気筒エンジンを搭載していた。巡航速度では、反射波による排気ポートの閉塞が低すぎる周波数で発生していた。同じDKWエンジンで採用されていた非対称3ポート排気マニホールドを使用することで、燃費が向上した。
750 cc 標準エンジンは、モデル 年式によって36 ～ 42 hp (27 ～ 31 kW)の出力を発生しました。モンテ カルロ ラリー バリアントは 750 cc (ベース圧縮を高めるためにクランクシャフトが充填されています) で、 65 hp (48 kW)を発生しました。850 cc バージョンは 1966 年 SAAB スポーツ (モンテ カルロのデラックス トリムと比較した標準トリム モデル) で利用可能でした。ベース圧縮は、2 ストローク エンジンの全体圧縮比の一部を構成します。2012 年に SAE で発表された研究では、ループ掃気はあらゆる状況でクロスフロー掃気よりも効率的であると指摘されています。
ユニフローエンジンでは、混合気（ディーゼルエンジンの場合は「チャージエア」）がピストンによって制御され、シリンダーの一方の端から流入し、排気ガスが排気弁または排気ピストンによって制御され、もう一方の端から排出されます。そのため、掃気ガスの流れは一方向のみとなり、これがユニフローという名称の由来です。
排気バルブを使用する設計は、オンロード、オフロード、定置式の 2 ストローク エンジン (デトロイト ディーゼル)、特定の小型船舶用 2 ストローク エンジン (船舶用にデトロイト ディーゼル シリーズ 71を改造したGray Marine Motor Company )、特定の鉄道用 2 ストロークディーゼル機関車(エレクトロ モーティブ ディーゼル)、大型船舶用 2 ストローク 主推進エンジン (ヴァルチラ) で一般的です。ポート付きタイプは、各シリンダーに 2 つのピストンがあり、反対方向に動作する対向ピストン設計で代表され、 Junkers Jumo 205やNapier Delticなどがあります。[ 11 ]かつて人気だったスプリット シングル設計はこのクラスに属し、実質的に折り畳まれたユニフローです。進角排気タイミングにより、ユニフロー エンジンは、ピストン式またはルーツ式のクランクシャフト駆動ブロワーで過給することができます。[ 12 ] [ 13 ]
このエンジンのピストンは「トップハット」型をしており、上部が通常のシリンダーを形成し、下部が掃気機能を担う。ピストンは2個1組で動作し、一方のピストンの下半分が隣接する燃焼室に空気を送り込む。
ピストンの上部は依然として全損潤滑方式を採用しているが、その他のエンジン部品はオイルパン潤滑方式を採用しており、清浄度と信頼性の向上という利点がある。スカートの厚さを薄くできるため、ピストンの質量はループ掃気エンジンのピストンの質量より約20%増にとどまる。[ 14 ]
現代の多くの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ます。バルブは通常、排気ポート内またはその周辺に配置されています。その動作原理は2つあります。1つは、ポート上部を閉鎖することでポートタイミングを変化させる方式で、Rotax RAVE、Yamaha YPVS、Honda RC-Valve、Kawasaki KIPS、Cagiva CTS、Suzuki AETCシステムなどがこれに該当します。もう1つは、排気量を変化させることで膨張室の共振周波数を変化させる方式で、 Suzuki SAECやHonda V-TACSシステムなどがこれに該当します。その結果、高速域のパワーを犠牲にすることなく、低速域のパワーを向上させるエンジンが実現します。ただし、パワーバルブは高温の排気ガス流の中にあるため、良好な性能を維持するには定期的なメンテナンスが必要です。
直噴は2ストロークエンジンにおいて大きな利点を持つ。キャブレター式の2ストロークエンジンでは、燃料と空気の混合気の一部が未燃焼のまま排気口から排出されるという問題が大きな課題となるが、直噴はこの問題を効果的に解消する。現在、低圧空気補助噴射方式と高圧噴射方式の2つのシステムが用いられている。
燃料はクランクケースを通過しないため、別途潤滑油が必要となる。
この議論を進めるにあたっては、排気管が冷却空気の流れに面し、クランクシャフトが車輪と同じ軸と方向、つまり「前進」方向に回転するオートバイを例に考えると便利です。ここで議論する事項の一部は、4ストロークエンジン（大幅な改造なしには回転方向を反転できない）にも当てはまりますが、これらのエンジンもほぼ全て前進方向に回転します。また、ピストンの「前面」と「背面」は、それぞれ排気ポート側と吸気ポート側であり、ピストンの上部や下部とは関係がないことにも留意しておくと良いでしょう。
通常のガソリン2ストロークエンジンは、短時間かつ軽負荷であればほとんど問題なく逆回転することができ、この原理は、メッサーシュミットKR200のような、逆ギアのないマイクロカーの逆回転機能に利用されてきた。車両に電気始動装置が付いている場合は、キーを反対方向に回すことでモーターを停止し、逆回転させて再始動する。2ストロークのゴルフカートでも同様のシステムが使用されている。従来のフライホイールマグネトー（接点遮断器を使用するが、外部コイルは使用しない）は、接点を制御するカムが対称であるため、上死点前で接触が切れるので、順回転でも逆回転でも同様にうまく機能する。リードバルブエンジンはピストン制御ポートと同様に逆回転できるが、ロータリーバルブエンジンは吸気タイミングが非対称であるため、逆回転はあまりうまく機能しない。
多くのエンジンを負荷をかけた状態で長時間逆回転させることには深刻なデメリットがあり、その理由のいくつかは2ストロークエンジンと4ストロークエンジンの両方に共通しています。このデメリットは、コスト、重量、サイズが重要な考慮事項となるほとんどの場合において容認されています。問題は、「順方向」運転ではピストンの主推力面がシリンダーの背面にあるためで、特に2ストロークエンジンでは、この面が最も冷たく、潤滑状態が良い部分です。一方、トランクエンジンのピストンの前面は、シリンダー内の排気ポート（エンジンの中で最も高温になる部分で、ピストンの潤滑が最も不十分な部分）を覆ったり露出させたりするため、主推力面としてはあまり適していません。また、エンジン内で最大の排気ポートがシリンダーの前壁にあるため、ピストンの前面はより脆弱です。ピストンスカートとリングがこのポートに押し出される危険性があるため、反対側の壁（クロスフローエンジンではトランスファーポートしかない場所）に最も強く押し付けるのは常に最善であり、サポートも良好です。一部のエンジンでは、意図した回転方向の推力を減らすために小端部がオフセットされ、補償するためにピストンの前面が薄く軽くなっていますが、逆回転すると、この弱い前面は耐えるように設計されていない機械的ストレスが増加します。[ 15 ]これは、クロスヘッドを使用したり、スラストベアリングを使用してエンジンをエンドロードから隔離することで回避できます。
大型の2ストローク船舶用ディーゼルエンジンは、リバーシブル仕様に設計されることがある。4ストローク船舶用エンジン（こちらもリバーシブル仕様のものもある）と同様に、機械式バルブを使用するため、追加のカムシャフト機構が必要となる。これらのエンジンは、ピストンにかかる横方向の推力を排除し、ピストン下部空間をクランクケースから隔離するためにクロスヘッドを採用している。
その他の考慮事項に加えて、現代の2ストロークエンジンのオイルポンプは逆回転に対応していない場合があり、その場合、エンジンは短時間でオイル不足に陥ります。オートバイのエンジンを逆回転させることは比較的容易で、まれにバックファイアによって誘発されることもありますが、お勧めできません。
リードバルブ式の模型飛行機用エンジンは、プロペラを交換することなく、牽引式または推進式のどちらの構成にも取り付けることができます。これらのモーターは圧縮着火式なので、点火タイミングの問題はなく、前進回転と後退回転でほとんど差がありません。
ユンカースは第一次世界大戦中に、定置式エンジンのラインから派生した実験的な 2 ストローク対向ピストン ディーゼル航空機エンジンを製造した。これらのエンジンは、シリンダーの端に 2 つのクランク シャフトがあり、ギア トレインで接続され、プロペラも駆動した。各シリンダー内で反対方向に動作する 2 つのピストンが、ストロークの終わり近くで吸気ポートと排気ポートを開放した。排気ポートが最初に開放され、吸気ポートが開放されると、圧縮空気がシリンダーに押し込まれ、ほぼすべての燃焼ガスが除去された。
ウィキメディア・コモンズにある2ストロークエンジン関連のメディア