2ストロークエンジン

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 回転でピストンの 2 ストローク(1 回は上下運動)によって動力サイクルを完了するタイプの内燃エンジンです。( 4 ストローク エンジンでは、動力サイクルを完了するために、クランクシャフトの 2 回転でピストンの 4 ストロークが必要です。) 2 ストローク エンジンでは、燃焼ストロークの終了と圧縮ストロークの開始が同時に起こり、吸気と排気 (または掃気) 機能が同時に発生します。

2ストロークエンジンは、パワーストロークが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パワーウェイトレシオが高いことがよくあります。2ストロークエンジンは可動部品が少ないため、製造コストが安く、重量も軽くなります。排ガス規制が厳しい国や地域では、自動車やオートバイでの2ストロークエンジンの使用は段階的に廃止されています。規制がそれほど厳しくない地域では、小排気量の2ストロークエンジンがモペットやオートバイで依然として人気があります。^[1]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ます。

シリンダー圧縮を伴う最初の商用2ストロークエンジンは、スコットランドの技術者ダガルド・クラークによるもので、1881年に特許を取得しました。 ^[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、彼のエンジンは独立した充填シリンダーを備えていました。ピストンの下の領域を充填ポンプとして使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・デイによるものです。^{[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作し、1880年にドイツで特許を取得しました。最初の本当に実用的な2ストロークエンジンは、ヨークシャーのアルフレッド・アンガス・スコットによるもので、 1908年にツインシリンダー水冷 オートバイの生産を開始しました。 ^[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ポータブルな用途に特に便利です。ただし、重量とサイズが問題にならない場合は、サイクルの高い熱力学的効率の可能性があるため、船舶推進、鉄道機関車、発電など、重量に左右されない大型の用途で稼働す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達する熱は 4 ストローク エンジンよりも少ないため、ピストン、およびターボチャージャー (ある場合) 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、全損失システムでガソリン混合物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ており、燃料とオイルの比率は約 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放出されるため、歴史的に同等の出力の 4 ストローク エンジンよりも多くの排気ガス、特に炭化水素が排出されます。一部の 2 ストローク設計では、吸気ポートと排気ポートを合わせた開放時間によって、未燃焼の燃料蒸気が排気流中にいくらか排出されることもあります。小型の空冷エンジンでは燃焼温度が高いため、NO _x排出物も発生する場合があります。

2 ストローク ガソリン エンジンは、機械的な単純さ、軽量、高いパワー対重量比が設計上の優先事項である場合に好まれます。オイルを燃料と混合することで、オイル リザーバーが重力に依存しない ため、どの方向でも作動できます。

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アイゼナハ・アウトモビルヴェルケ、 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、多くの主流自動車メーカーが2ストロークエンジンを使用してきました。日本のスズキとスバルも1970年代に同じことを行いました。^{[6]西側諸国では、}大気汚染規制が厳格化したため、1980年代に2ストローク車の生産が終了しました。^[7] 東側諸国では、東ドイツで トラバントとヴァルトブルクが1991年頃まで続きました。

2ストロークエンジンは、船外機、小型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、ラジコンカー、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、かなり以前に公道走行可能なモデルを放棄した後、2007年に米国での2ストロークオフロードバイクの販売を中止しました。

2 ストローク エンジンは、高い出力対重量比と、あらゆる方向で使用できるという特徴から、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、主に大規模な産業用途や船舶用途のほか、一部のトラックや重機にも使用されています。

原理は同じですが、さまざまな 2 ストローク エンジンの機械的な詳細はタイプによって異なります。設計タイプは、シリンダーへの充填方法、シリンダーの掃気方法(燃焼した排気ガスを新鮮な混合物と交換する方法)、シリンダーの排気方法によって異なります。

ピストンポートは最もシンプルな設計で、小型の 2 ストローク エンジンで最も一般的です。すべての機能は、ピストンがシリンダー内で上下に動くとき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。一般に、排気ポートを広げるとポートを上げるのと同じだけパワーが増加するが、パワー バンドはポートを上げたときのように狭くならないことを発見しました。ただし、単一の排気ポートの幅には機械的な制限があり、ピストン リングの寿命を妥当に保つには、ボア径の約 62% にする必要があります。これを超えると、ピストン リングが排気ポートに膨らみ、すぐに摩耗します。リングが数レースごとに交換されるレーシング エンジンでは、最大でボア幅の 70% が可能です。吸気期間は 120 ～ 160° です。移送ポート時間は最小 26° に設定されています。レーシング2ストローク膨張室の強力で低圧の脈動は、ピストンが下死点にあり、移送ポートがほぼ全開のときに圧力を-7psiまで下げることがあります。2ストロークで燃料消費量が多い理由の1つは、流入する加圧された燃料と空気の混合物の一部が、冷却作用のあるピストンの上部を横切って排気管から直接排出されることです。強力な逆脈動のある膨張室は、この流出を止めます。^[9]

一般的な 4 ストローク エンジンとの基本的な違いは、2 ストローク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を形成することです。ディーゼル 2 ストロークでは、掃気用にルーツ ブロワーまたはピストン 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管に一般的に取り付けられる、シンプルですが極めて効果的なチェック バルブです。これにより、燃料の非対称な吸入が可能になり、パワーと経済性が向上し、パワー バンドが広がります。このようなバルブは、オートバイ、ATV、船舶の船外機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ます。小型バイクで時々見られるおなじみのタイプは、クランクシャフトに取り付けられたスロット付きディスクで、クランクケースの端にある開口部を覆ったり開いたりして、サイクルの一部で空気が流入できるようにします（ディスクバルブと呼ばれます）。

2 ストローク エンジンで使用される別の形式のロータリー吸気バルブでは、適切な切り欠きが設けられた 2 つの円筒形部材が使用され、一方が他方の中で回転するように配置されています。吸気管は、2 つの切り欠きが一致する場合にのみクランクケースに通じます。ほとんどのグロー プラグ モデル エンジンの場合と同様に、クランクシャフト自体が部材の 1 つを形成することがあります。別のバージョンでは、クランク ディスクがクランクケースにぴったり収まるように配置されており、ベスパモータースクーターの場合と同様に、クランクケース壁の吸気通路と適切なタイミングで一列に並ぶ切り欠きが設けられています。

ロータリーバルブの利点は、ピストンポート型エンジンでは不可能な、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ことです。ピストンポート型エンジンの吸気タイミングは、同じクランク角度で上死点の前後に開閉するため対称ですが、ロータリーバルブでは、開閉の開始と終了が早くなります。

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速度範囲でパワーを発揮したり、狭い速度範囲でより高いパワーを発揮したりするように調整できます。ロータリー バルブの一部がクランクケース自体の一部である場合、特に重要なのは、摩耗が発生しないようにすることです。

クロスフローエンジンでは、移送ポートと排気ポートがシリンダーの反対側にあり、ピストン上部のデフレクターが新鮮な吸入ガスをシリンダーの上部に導き、残留排気ガスをデフレクターの反対側に押し下げて排気ポートから排出します。^[10]デフレクター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困難にするという事実から、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大きく取って代わられましたが、直接噴射を使用するより小型または低速のエンジンでは、デフレクターピストンはまだ許容できるアプローチです。

この掃気方式では、慎重に形作られ配置された移送ポートを使用して、シリンダーに入る新鮮な混合気の流れを燃焼室に向けます。燃料と空気の混合気はシリンダー ヘッドに当たり、燃焼室の曲率に沿って下向きに偏向します。

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、渦巻き状の乱流も発生し、燃焼効率、出力、経済性が向上します。通常、ピストンデフレクターは必要ないため、このアプローチはクロスフロー方式 (上記) に比べて明らかに優れています。

1920 年代半ばに初期の形式を発明したドイツのアドルフ・シュニュルレにちなんで「シュニュルレ」 (または「シュニュルレ」) ループと呼ばれることが多く、1930 年代にはドイツ国内で広く採用され、第二次世界大戦後にはより広範囲に普及しました。

ループ掃気は、現代の 2 ストローク エンジンで使用される最も一般的なタイプの燃料/空気混合気転送です。スズキは、ヨーロッパ以外でループ掃気 2 ストローク エンジンを採用した最初のメーカーの 1 つです。この動作機能は、ドイツのオートバイ メーカー MZ と Walter Kaaden によって開発された膨張室排気装置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、膨張室が高度に連携して機能し、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 エンジンの出力を大幅に向上させました。スズキとヤマハは、ループ掃気によって得られた出力の向上に大きく貢献し、1960 年代のグランプリ モーターサイクル レースで成功を収めました。

ループ スカベンジングのもう 1 つの利点は、ピストンをほぼ平らにしたり、わずかにドーム型にしたりできることです。これにより、ピストンを大幅に軽量かつ強力にすることができ、結果としてエンジンの高速化にも耐えることができます。また、「フラット トップ」ピストンは熱特性も優れており、不均一な加熱、膨張、ピストンの焼き付き、寸法の変化、圧縮損失が発生しにくくなります。

SAAB は、ループ充電を採用してかなり成功した DKW 設計に基づいて、750 cc および 850 cc の 3 気筒エンジンを製造しました。オリジナルの SAAB 92 には、比較的効率の低い 2 気筒エンジンが搭載されていました。巡航速度では、反射波による排気ポートの閉塞が低頻度で発生しました。同じ DKW エンジンで採用されている非対称 3 ポート排気マニホールドを使用することで、燃費が向上しました。

750 cc 標準エンジンは、モデル年によって 36 ～ 42 馬力を発揮しました。モンテカルロ ラリー バリアントの 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) は、65 馬力を発揮しました。850 cc バージョンは、1966 年の 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 エンジンの全体的な圧縮比の一部を構成します。2012 年に SAE で発表された研究によると、ループ スカベンジは、あらゆる状況でクロスフロー スカベンジよりも効率的です。

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  2ストロークディーゼルユニフローエンジンアニメーション
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  ユニフロー掃気フロー図

ユニフロー エンジンでは、混合気 (ディーゼルの場合は「チャージ エア」) がピストンによって制御されるシリンダーの一方の端から入り、排気バルブまたはピストンによって制御されるもう一方の端から排気が排出されます。したがって、掃気ガスの流れは一方向のみであるため、ユニフローと呼ばれます。

排気バルブを使用する設計は、オンロード、オフロード、および定置型2ストロークエンジン（デトロイトディーゼル）、一部の小型船舶用2ストロークエンジン（デトロイトディーゼルシリーズ71を船舶用に改造したグレイマリンモーターカンパニー）、一部の鉄道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）、および大型船舶用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、ユンカースユモ205やネイピアデルティックなどの2つのピストンが各シリンダーにあり、反対方向に動作する対向ピストン設計で代表されます。^[11]かつて人気があったスプリットシングル設計は、事実上折り畳み式ユニフローであるため、このクラスに分類されます。進角排気タイミングにより、ユニフローエンジンは、ピストン型またはルーツ型のクランクシャフト駆動ブロワーで過給できます。^{[12] [13]}

このエンジンのピストンは「シルクハット」型で、上部は通常のシリンダーを形成し、下部は掃気機能を果たします。ユニットはペアで動作し、1 つのピストンの下半分が隣接する燃焼室に燃料を供給します。

ピストンの上部は依然として全損失潤滑に依存していますが、他のエンジン部品は清潔さと信頼性の利点を備えたサンプ潤滑です。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よりも約20％しか増加しません。^[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、排気ポートの中かその周囲にあります。パワーバルブは2つの方法のいずれかで動作します。1つは、Rotax RAVE、Yamaha YPVS、Honda RC-Valve、Kawasaki KIPS、Cagiva CTS、Suzuki AETCシステムのように、ポートの上部を閉鎖してポートタイミングを変更することにより排気ポートを変更するか、もう1つは、 Suzuki SAECやHonda V-TACSシステムのように、排気量を変更することにより膨張室の共振周波数を変更することです。その結果、高速パワーを犠牲にすることなく、低速パワーが向上したエンジンが実現します。ただし、パワーバルブは高温のガス流内にあるため、良好な性能を得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 エンジンで大きな利点があります。キャブレター付きの 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ポートから直接排出されるという大きな問題がありますが、直噴はこの問題を効果的に解消します。使用されているシステムは、低圧空気補助噴射と高圧噴射の 2 つです。

燃料はクランクケースを通過しないため、別途潤滑源が必要になります。

この議論の目的のために、排気管が冷却気流に面し、クランクシャフトが車輪と同じ軸と方向に回転する（つまり「前方」）オートバイの観点から考えると便利です。ここで説明する考慮事項の一部は、4 ストローク エンジン（相当な変更を加えなければ回転方向を逆転させることはできません）にも適用されますが、そのほとんどすべてが前方に回転します。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留意することも役立ちます。

通常のガソリン 2 ストローク エンジンは、短時間および軽負荷であればほとんど問題なく後進することができ、このことは、メッサーシュミット KR200など、後進ギアのないマイクロカーの後進機能を提供するために使用されてきた。車両に電動始動装置がある場合は、キーを反対方向に回すとモーターがオフになり、後進で再始動する。2 ストロークゴルフ 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(接触ブレーカー ポイントを使用するが外部コイルはない) は、ポイントを制御するカムが対称であり、前進でも後進でも上死点の前で接触が 同様に切断されるため、後進でも同様にうまく機能した。リード バルブ エンジンはピストン制御のポートと同じように後進するが、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、あまりうまく動作しない。

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場合、重大な欠点が生じます。これらの理由のいくつかは一般的なもので、2 ストローク エンジンと 4 ストローク エンジンの両方に同様に当てはまります。この欠点は、コスト、重量、サイズが主要な考慮事項であるほとんどの場合に認められています。この問題は、「順回転」運転時に、ピストンの主要スラスト面がシリンダーの背面にあるために発生します。この背面は、特に 2 ストローク エンジンでは最も冷たく、最も潤滑状態が良い部分です。トランク エンジンのピストンの前面は、主要スラスト面としてはあまり適していません。シリンダーの排気ポートを覆ったり覆わなかったりするからです。排気ポートはエンジンで最も高温で、ピストンの潤滑状態は最も限られています。ピストンの前面は、エンジン内で最も大きい排気ポートがシリンダーの前壁にあるため、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のみ）に最も強く押し付けるのが最適です。サポートも良好です。一部のエンジンでは、小端がオフセットされて意図した回転方向の推力が減少し、それを補うためにピストンの前面が薄く軽くなっていますが、逆方向に回転すると、この弱い前面は、耐えられ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、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分離すること で回避できます。

大型の 2 ストローク船舶ディーゼルエンジンは、リバーシブルに作られることがあります。4 ストローク船舶エンジン (リバーシブルのものもあります) と同様に、機械式バルブを使用しているため、追加のカムシャフト機構が必要です。これらのエンジンは、クロスヘッドを使用してピストンの横方向の推力を排除し、ピストン下の空間をクランクケースから分離します。

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 ポンプは逆回転できない可能性があり、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動作は比較的簡単に開始できますが、まれにバックファイアによって開始されることがあります。^{[引用が必要]}これはお勧めできません。

リードバルブ付きの模型飛行機エンジンは、プロペラを変更することなく、トラクター構成またはプッシャー構成のどちら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点火式なので、点火タイミングの問題がなく、前進と後進の違いもほとんど見られません。

• フランク・ジャーディン（アルコア）：「自動車エンジン設計における熱膨張」、SAE 論文 300010
• GP Blair 他 (ベルファスト大学)、R Fleck (マーキュリーマリン)、「リードインダクションバルブを装備した 2 サイクルエンジンの性能特性の予測」、SAE 論文 790842
• G Bickle 他 (ICT Co)、R Domesle 他 (Degussa AG)：「2 ストローク エンジンの排出ガス制御」、Automotive Engineering International (SAE) 2000 年 2 月:27-32。
• BOSCH、「自動車マニュアル」、2005 年、セクション: 流体力学、表「高圧堆積物からの排出」。

• ウィキメディア・コモンズの2ストロークエンジンに関連するメディア
• How Stuff Worksの 2 ストローク エンジン
• シャーマン、ドン（2009 年 12 月 17 日）、「青い霧のない 2 ストロークの復活」、ニューヨーク タイムズ。