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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。

◆ 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。

# 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。

◇ 歴史

  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 ?tienne 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。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、潤滑油の消耗や排気ガス浄化への影響が問題視されることになる。

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)。

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