Ein Zweitaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, üblicherweise in der Bauart als Hubkolbenmotor, der die zur Leistungserzeugung erforderlichen beiden Takte im Gegensatz zum Viertaktmotor während einer Umdrehung der Kurbelwelle bewältigt. Ein Takt ist die Bewegung des Kolbens vom Stillstand in eine Richtung bis zum erneuten Stillstand (die Bewegung von einem so genannten Totpunkt zum anderen). Die Kurbelwelle vollführt daher eine halbe Umdrehung während eines Taktes.
Bekannte Anwendungsbeispiele für einen Zweitakter sind Motorräder, der Pkw AWZ-Trabant, Lkw von Krupp sowie Fahrzeuge der Marke DKW. Immer noch beliebt oder unersetzlich sind Zweitaktmotoren in der Dieselausführung bei Schiffen, Lokomotiven und Notstromgeneratoren - in der Benzinausführung (Ottoprozess) bei Kleinfahrzeugen mit 50 cm³, Rasenmähern, Motorsägen, Kartsport, Rollern (Scootern), Schiffs-, Flugzeugmodellen und Modellautos .
Die Zweitakter-Großdieselmotoren von Schiffen gehören wegen ihres hohen Wirkungsgrades zu den wirtschaftlichsten Wärmekraftmaschinen.
Prozessablauf im Zweitaktmotor
Otto-Zweitaktmotor
Um die Arbeitsweise dieses Motors besser verstehen zu können, verfolgt man am Besten den Weg des Gases durch den Motor. Beim Zweitakt-Ottomotor erfolgt die Gasverarbeitung in folgenden Schritten:
- Ansaugen - Der Kolben bewegt sich vom sogenannten unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) und erzeugt dadurch einen Unterdruck im Kurbelwellengehäuse. Dieser Unterdruck bewirkt bei geöffnetem Einlasskanal ein Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
- Vorverdichten - Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt, nach dem Schließen des Einlasskanals wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch vorverdichtet.
- Überströmen - Auf dem Weg vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wird nicht nur der Einlasskanal verschlossen, sondern auch die Überströmkanäle geöffnet. Es erfolgt die Spülung des Brennraumes, bei der Abgas durch Frischgas ersetzt wird.
- Verdichten - Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, es werden zuerst die Überströmkanäle, dann der Auslass verschlossen. Danach erfolgt durch die weitere Hubbewegung die Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemischs.
- Arbeiten - Das Gemisch wird entzündet und verbrennt. Die dabei entstehende Flammenwand innerhalb des Brennraumes breitet sich dabei mit ungefähr zweifacher Schallgeschwindigkeit aus. Durch die Reaktionswärme dehnen sich die Gase aus und erzeugen den Arbeitsdruck, der den Kolben in Richtung unterer Totpunkt drückt. Der Arbeitstakt ist der einzige Takt, bei dem nutzbare Energie freigesetzt wird.
- Auslassen - Auf dem Weg vom oberen zum unteren Totpunkt wird der Auslass geöffnet, die Abgase können entweichen.
Die einzelnen Schritte laufen teilweise parallel ab, denn die gesamte Prozedur findet während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle statt. Dabei werden alle Schritte in zwei Takte unterteilt. Der erste Takt beinhaltet alle Abläufe, die während der Aufwärtsbewegung des Kolbens (von UT nach OT) erfolgen. Der zweite Takt umfasst die Abläufe, welche während der Abwärtsbewegung des Kolbens (von OT nach UT) erledigt werden.
- 1. Takt - Verdichten und Ansaugen:
- Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird zunächst die Auslassöffnung später der Überströmkanal verschlossen.
- Während der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder weiter verdichtet und kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts bereits entzündet (siehe hierzu Verdichtungsverhältnis, Kompressionsdruck).
- Im Vorverdichtungsraum unter dem Kolben wird neues Frischgas durch den Einlasskanal angesaugt.
- 2. Takt - Arbeiten, Vorverdichten, Überströmen und Auslassen:
- Der Kolben durchläuft den oberen Totpunkt. Die Zündkerze entzündet das Gemisch im Brennraum über dem Kolben, wodurch infolge Temperaturerhöhung der Druck im Brennraum steigt. Der Kolben bewegt sich nach unten und verrichtet dabei mechanische Arbeit.
- Im Raum unter dem Kolben wird das angesaugte Frischgas durch die Abwärtsbewegung des Kolbens verdichtet (Ladepumpen-Funktddasion des Kurbelraums).
- Im unteren Teil der von der Kolbenoberkante überstrichenen Zylinderfläche liegen in der Zylinderwand die Überströmkanäle und die Auslassöffnung. Während der letzten Phase der Kolbenabwärtsbewegung werden die Auslassöffnung und die Überströmkanäle freigegeben. Das unter Überdruck stehende Frischgas strömt vom Vorverdichtungsraum unter dem Kolben durch die Überströmkanäle in den Zylinder und spült das verbrannte Abgas durch die Auslassöffnung in den Auspufftrakt hinaus.
Die Steuerung des Öffnens und Schließens der Kanäle erfolgt meist ausschließlich durch den Kolben, kann aber auch durch Drehschieber, Membranen und Ventile (wie beim Viertakter) unterstützt werden.
Der gesamte Zweitaktmotor ist ein ausgewogenes Resonanzsystem, welches auf den Schwingungseigenschaften der verwendeten Gase basiert. Bereits im Ansaug-Vorgang werden die Resonanzeigenschaften des Frischgases ausgenutzt. Das Frischgas strömt während der Aufwärtsbewegung des Kolbens in das Kurbelgehäuse, wobei alleine die Massenträgheit des Gases dafür sorgt, dass es bei der Abwärtsbewegung des Kolbens nicht wieder herausgedrückt wird.
Beim Auslass-Vorgang wird die Schwingung der Abgase besonders effektiv genutzt. Sobald der Kolben den Auslass-Schlitz freigibt, strömen die Abgase in den Auspuff. Bei Erfüllung der Resonanzbedingung (bei der richtigen Drehzahl) entsteht am Diffusor eine Unterdruckwelle, die den Spülvorgang unterstützt. Das Gemisch was zuviel angesogen wurde und nun unverbrannt im Auspuff ist, wird von dem Gegenkonus wieder zurück gedrückt. Länge des Auspuffs entscheidet über das Drehzahlband welches der Auspuff unterstützt. Bei kurzen Auspüffen ist die Zeit in der das verbrannte Abgas wieder refekltiert bzw. herausgesogen wird kürzer und somit eher für höhere Drehzahlen konzipiert. Das Gegenteil gilt dann für lange Auspüffe.
Leistungssteigernde Konstruktionslösungen
Weil die Gasschwingungen im normalen Zweitakt-Ottomotor selbständig arbeiten ergeben sich zwangsläufig Nachteile gegenüber Viertakt-Ottomotoren, da hier die Gasschwingungen durch die Ventile gesteuert werden. Um diesen Problemen entgegenzutreten haben verschiedene Hersteller eine Reihe von leistungssteigernden Maßnahmen getroffen.
- Drehschieber Steuerung - Sie wurde konzipiert, um die einlassseitigen Gasschwingungen kontrollieren zu können. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine von der Kurbelwelle angetriebene Scheibe, die einen Schlitz aufweist. Nur wenn diese Öffnung den Einlasskanal freigibt, kann das Frischgas passieren. Die Öffnungszeit des Einlasskanals wird nun allein durch die Länge des Schlitzes bestimmt, die leicht an die Betriebsbedingungen des Motors angepasst werden kann.
- Einlassmembrane - Da das Frischgas außerhalb der Resonanzdrehzahl des Kurbelgehäuses dazu tendiert, vom Kolben wieder in den Einlasskanal zurückgedrückt zu werden, wurde zwischen Kurbelgehäuse und Einlasskanal einfach eine Membrane angebracht. Es erfüllt die Funktion eines Rückschlagventils und sorgt so für eine bessere Füllung des Kurbelgehäuses (und damit auch des Brennraums). Der Nachteil dieser Membrane liegt vor allem darin, dass das einströmende Frischgas nun einem Strömungswiderstand ausgesetzt ist. Um dem entgegenzutreten wird bei Motoren mit Einlassmembrane der Einlasskanal wesentlich größer gewählt als bei herkömmlichen Modellen.
- Einlass-Schwingungsdämpfer - Ein Problem der Gasschwingungen am Einlasstrakt des Motors ist die Tatsache, dass die Frischgassäule außerhalb der Resonanzdrehzahl mehrmals durch den Vergaser schwingen kann. Dies bewirkt vor allem im Teillastbereich ein überfetten des Frischgasgemischs, da dieses bei jeden Vergaserdurchlauf mit Treibstoff angereichert wird. Dieses Problem lässt sich einfach dadurch lösen, dass zwischen Vergaser und Einlasskanal ein Schlauch angebracht wird, der in einen leeren, geschlossenen Behälter mündet. Dieser Behälter dämpft die Schwingungen der Frischgassäule und nimmt diese einfach auf, sobald sie aus dem Einlasskanal zurückschnellt.
- Kolbenfenster - Da das Kolbenhemd den Einlasskanal erst freigibt, wenn die Kurbelwelle einige Grad vom OT entfernt ist, bleibt dem Frischgas relativ wenig Zeit, um in das Kurbelgehäuse zu strömen. Um diese Zeit zu verlängern haben einige Konstrukteure Fenster am Kolbenhemd angebracht. Dadurch wird die Einlasszeit länger und es strömt mehr Gemisch in das Kurbelgehäuse.Der Nebeneffekt dieser Maßnahme ist eine Erhöhung der Resonanzdrehzahl,d.h. das Drehzahlband wird spitzer und verschiebt sich in höhere Drehzahlregionen.
- Auslasssteuerung - Beim Zweitakt-Ottomotor hat die Auslasssteuerung die Aufgabe, die Höhe des Auslassschlitzes zu regeln. Je geringer seine Höhe, desto niedriger ist auch die Resonanzdrehzahl des Motors. Weil Hochleistungsmotoren ihre maximale Leistung erst bei sehr hohen Drehzahlen entwickeln, entsteht das Problem, dass der Motor in niedrigen Drehzahlbereichen kaum noch Leistung abgeben kann. Ist man durch eine Auslasssteuerung jedoch in der Lage, die Resonanzdrehzahl an die momentane Drehzahl anzupassen so erhält man einen Motor, der auch in niedrigen Drehzahlregionen durchzugsstark ist, ohne in hohen Drehzahlbereichen Leistung einbüßen zu müssen.
Diesel-Zweitaktmotor
Bei einem Zweitakt-Dieselmotor wird statt des Kraftstoff-Luft-Gemisches im unteren Totpunkt Pressluft in den Zylinder eingeblasen und dadurch das Verbrennungsabgas in den Auspufftrakt gedrückt. Der Kraftstoff wird wie bei einem Viertakt-Dieselmotor in die verdichtete und dadurch über die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs erhitzte Luft, je nach Abstimmung des Motors vor dem oberen Totpunkt, eingespritzt. Die Auslassöffnung liegt ebenfalls am Zylinderkopf.
Vor- und Nachteile
Theoretischer Vorteil des Zweitaktmotors ist in jeder Ausführung eine höhere spezifische Leistung (Leistung pro Hubraum) als bei Viertaktmotoren, da pro Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt erfolgt (beim Viertaktmotor: Ein Arbeitstakt während zwei Kurbelwellenumdrehungen). In der Praxis zeigt sich allerdings, dass die Viertaktmotoren hier stark aufgeholt haben (etwa durch Aufladung und verbesserte Einspritzsysteme), so dass zum Beispiel bei Motorrädern und Motorrollern die Viertakter kaum noch leistungsärmer oder spurtschwächer sind als die Zweitakter. Leistungsbegrenzend sind die gegenüber Viertaktern geringeren möglichen Kolbengeschwindigkeiten durch Überstömkanäle im Zylinder sowie die möglichst quadratische Auslegung von Hub zu Bohrung, die gegenüber extrem kurzhubigen Viertaktmotoren nachteilig ist.
Da in erster Näherung am Ende des Ansaugvorganges immer atmosphärischer Druck im Zylinder ist, kann beim Otto-Zweitaktmotor von Qualitätsregelung gesprochen werden. Variiert über die Drosselklappe des Einlasssystemes wird nur das Verhältnis von Gemisch zu Restabgas im Zylinder. Der im Teillastbereich hohe Anteil von Abgasen im Zylinder führt zu schlechten Verbrennungsgüten und hohen CO- und CH- Gehalten. Auf einen Lastpunkt z.B. in stationären Betrieb sind die Strömungsverhältnisse optimal abstimmbar mit entsprechend hohen Wirkungsgraden und gutem Abgasverhalten.
Der einfache Aufbau des Zweitaktmotors bietet weitere Vorteile. So ist er zum einen wartungsfreundlicher und hat zum anderen eine wesentlich geringere bewegte Masse (also Kurbelwelle, Kolben, Schwungscheibe, ...) als ein vergleichbarer Viertaktmotor. Dies hat den positiven Effekt eines geringeren Drehimpulses. Dies ist unter anderem bei Crossmotorrädern interessant, wo Zweitaktmotoren eine höhere Beweglichkeit im Sprung ermöglichen, nicht zuletzt auch durch das niedrigere Leistungsgewicht gegenüber dem Viertaktmotor.
Motoren mit extrem großen Hubräumen (Schiffsdiesel) arbeiten überwiegend nach dem Zweitaktprinzip. Auch Kolben-Motoren nach dem Diesel-Zweitaktprinzip werden hergestellt.
Das Abgasverhalten der Zweitaktmotoren wird durch optimale Gemischverwirbelung und freie Brenngeometrie positiv beeinflusst, die zum Teil erheblichen Ölmengen in der Ansaugluft und der hohe Abgasgehalt im Brennraum führen aber zu hohen Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalten im Abgas. Die geringen Verbrennungstemperaturen erschweren die Entstehung der für den sauren Regen mitverantwortlichen Stickoxide.
Otto-Zweitaktmotor
Nachteilig sind speziell beim Otto-Zweitaktmotor die so genannten Spülverluste durch die teilweise Vermischung von Frischgas und Abgas während des Gaswechsels beim Otto-Zweitakter. Dadurch geht ein Teil des Frischgases unverbrannt in den Auspuff, was zu erheblichen Umweltbelastungen führt. Man versuchte die Spülverluste durch eine Nase auf dem Kolbenboden zu minimieren. Diese Nase lenkt das einströmende Frischgas in einen Wirbel, so dass es sich nicht direkt auf den Auslasskanal zu bewegen kann. Im Jahr 1925 entwickelte Adolf Schnürle die Umkehrspülung, die die Frischgasverluste minimierte.
Ein weiterer Nachteil bei Otto-Zweitaktmotoren ist die höhere thermische Belastung von Kolben und Zylinder durch die doppelte Zündfolge.
Ohne diese Nachteile hätte der Otto-Zweitaktmotor eine weitaus höhere Leistung gegenüber dem Otto-Viertaktmotor.
Der Otto-Zweitaktmotor hat im Gegensatz zu Viertaktern und dem Diesel-Zweitakter in der Regel kein permanentes Motoröl, sondern bekommt stattdessen ein Zweitaktgemisch zur Gemischschmierung aus Benzin und Öl, das als Brenn- und Schmierstoff dient. Durch die nur teilweise Verbrennung des Öls im Teillastbereich ergeben sich höhere Umweltbelastungen als beim Viertakter. Große Motoren arbeiten mit gekapselten Lagern im Kurbelgehäuse und Direktschmierung der Kolben, oder besitzen bei normal gekapselten und geschmierten Kurbeltrieben zusätzlich eigene Ladepumpensysteme für den Gasaustausch (bei Schiffsmotoren).
Die bei kleinen Zweitaktern gebräuchliche Mischungs-Schmierung ist bei Motoren von Vorteil, die oft ihre Lage ändern, wie Motorsägen oder Rasenmähern auf Böschungen, da hier die Schmierung immer gewährleistet ist. Die geringeren thermischen Belastungen für das Öl machen den Einsatz von gut verbrennbaren niedrig legierten biologisch abbaubaren Ölen möglich.
Es gibt verschiedene Ansätze, die oben angegebenen Probleme zu lösen: Angefangen mit Motoren mit Drehschiebersteuerungen oder Membransteuerungen bei der Motorsteuerung, über die sog. Getrenntschmierung mittels extra lastabhängiger Schmierstoffzuführung bis hin zum aktuellen Stand der DEFI, moderner direkteinspritzender Zweitaktmotoren, welche wieder ihre prinzipbedingte Überlegenheit über den Viertaktmotor beweisen und nur durch Absatzinteressen verschiedener Hersteller nicht verbreitet sind (siehe z.B. Orbital-Motor oder FFI-Direkteinspritzung).
Diesel-Zweitaktmotor
Die heute zum Einsatz kommenden Diesel-Zweitakter im Schiffbau sind in Bau und Steuerung teils komplizierter als ein Otto-Zweitakter. Sie arbeiten nach dem Gleichstromprinzip, besitzen ein Einspritzsystem sowie Auslassventile im Zylinderkopf. Teils werden mehrere Auslassventile parallel geöffnet. Die notwendige Ansaugluft wird durch eine geeignete Vorrichtung (zum Beispiel einen Turbolader) erzeugt und in den Zylinder eingepresst. Somit ist der Diesel-Zweitaktmotor für kleinformatige Anwendungen eher uninteressant.
Der große Zweitakter-Schiffsdieselantrieb (mit Bohrungen von einen Meter und Hüben von ca. drei Metern) ist in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad unter den Wärmekraftmaschinen unübertroffen: es gelingt mit ihm, bis zu 55% der chemisch gebundenen Energie des Kraftstoffs in nutzbare mechanische Arbeit zu verwandeln. Im Vergleich hierzu werden bei PKW-Ottomotoren selten mehr als 30% herausgeholt, und bei PKWs haben nur moderne Turbodiesel mehr als 40% Wirkungsgrad.
Eine interessante Bauform ist der Gegenkolbenmotor mit zwei Kurbeltrieben pro Zylinder, der als schlitzgesteuerter Motor eine Gleichströmung ermöglicht.
Geschichte des Zweitaktmotors
Die ersten, heute als verdichtungslose oder atmosphärische Zweitaktmotoren bezeichneten, arbeiteten nach einem völlig anderen Prinzip und werden nur deshalb so genannt, weil sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung zündeten - wie auch der moderne Zweitakter. Im 1. Takt wurde angesaugt und unverdichtet gezündet, im 2. Takt ausgepufft. Die Gaswechselsteuerung erfolgte mittels Schieber. Versuche von Jean Joseph Etienne Lenoir, Siegfried Marcus, u.a., sie für mobile Zwecke zu verwenden (zwischen 1860 und 1870), scheiterten nicht zu letzt am ungünstigen Leistungsgewicht. Auch der berühmte "Sylvestermotor" des Carl Benz von 1879 arbeitete nach diesem Prinzip. Als stationäre Gasmotoren waren solche Maschinen jedoch zu Beginn der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zu Tausenden in Verwendung.
Der heutige, ventillose 2-Takter stammt von John Day (GB). Er wurde 1888 entwickelt und 1889 patentiert.