2ストローク機関
ただし、航空用としては出力に対する重量過大と回転制御面で不利であり、軽量高出力な同時代の航空ガソリンエンジンにとって代わる存在とはならなかった。採用された事例も、輸送機や大型爆撃機、高高度偵察機などの、機動性への要求が高くない機種がほとんどであった。またサイドロッド+1本クランクシャフトの自動車用対向ピストンエンジンは、大型自動車用としても競合する4ストロークディーゼルエンジンの高性能化に追従できず、1950年代までには市場から敗退している。高速船舶用や鉄道用に用いられた事例もあるが、それらも複雑さによるトラブルの多さがネックとなり、一般化しなかった。この系統の対向ピストンディーゼル機関は、構造全体の複雑化に加え、熱対策面でも課題を抱え、発展を阻害された。
日本では1936年(昭和11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型へと改称された。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 (1,362 cc) からKD4型 (5,448 cc) と、KD4のボアアップ版のKD5型(4気筒 7,540 cc)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・オイル消費の多さ、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1,500 rpm程と低く、1951年(昭和26年)発表の改良KD3型(3気筒 4,086 cc)では、120 ps (88.3 kw) /1,800 rpm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で自動車用2ストロークディーゼルエンジン(後述するDetroit Diesel Series 71シリーズ)に関するライセンス生産契約を交わし、1955年(昭和30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のUD型エンジンを発表する。
ネイピア デルティック (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の高速魚雷艇(MTB)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」とクラス55ディーゼル機関車「デルティック」にも採用されたが、こちらはコンロッドに軽め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、トラブルが多発した。加えて運動部品数が多いことから振動と騒音も酷く、さらに、整備をするにもイギリス国鉄の整備士では手に負えず、ネイピア社の技術者を一々呼ばないといけない事や、オーバーホールの間隔が他のエンジンよりも短かったことなどから運用コストもかさんだ。最終的には、4ストローク機関搭載でより信頼性が高くか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。
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や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。なおKMDBでは他にも3TD(3気筒、6ピストン)や5TD(5気筒、10ピストン)など、用途は戦車(T-64やT-80UDに限られる)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とデトロイト・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-ユニットと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エンジンと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と頭上排気弁(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(1953年の日産自動車の資本参加を受け民生デイゼルは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、2006年から2007年にかけて日産自動車からボルボ・グループに親会社が変わった後の2010年にはUDトラックスと法人名にもなっている(なお、2014年を境に法人格が変わっている。当該項目も参照)。
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。
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ため、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。
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、クロス掃気も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、中にはイギリスの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Exhaust pulse pressure chargingと呼ばれている。
戦前の大日本帝國では第一次世界大戦以降、欧米の2ストロークおよび4ストロークディーゼルエンジン技術を移入する形で船舶用ディーゼルエンジンの研究開発が行われた。特に大日本帝國海軍では艦政本部が主導し、2ストロークディーゼル機関の研究および導入が非常に盛んに行われた。戦前型の潜水艦の多くに2ストローク複動型ディーゼルエンジンが搭載されていたが、2ストローク複動ディーゼルは高出力ではあるものの、騒音が大きく、排気圧力が低い為シュノーケルを用いた主機関での水中連続航行に不向きだった為、第二次世界大戦が始まると低出力であるが騒音が低めで燃費が良く、排気圧力が高いので主機での水中連続航行に適した4ストローク単動式へと移行していった。
陸上車両では数としては少ないが戦後の陸上自衛隊の74式戦車、90式戦車のエンジンに2ストロークディーゼル機関が採用されている。ディーゼルエンジンは戦車の機関としてはガソリンエンジンに比べ、同一の排気量の場合の出力は低いが、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いという利点がある。
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(平成15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いたが、その後、市販化などには至っていない。
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、第2次世界大戦後の1950年代から、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。スクリューの実用回転数に近い速度での低速回転に適合しており、船舶後退時のスクリュー逆回転に必須なエンジン回転方向切換に際しても、4ストローク機関より簡略に対応できることから、商船を主とした大型舶用エンジンの主流技術となっている。
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。効率を高めるためターボチャージャーや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。反面、粗悪燃料使用にはクランクケースと燃焼室との構造的隔離が必須となり、エンジン全高が非常に高くなる。更には近年、排気ガス浄化の難しさが課題となっている。
舶用以外の分野では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。
建設機械の杭打ち機のうち、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ストローク単気筒フリーピストン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槌(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、世界的にはまだ広く用いられているものの、日本の建設現場で目にすることは稀となっている。