Ein Zweitaktmotor ist ein Kolben- Verbrennungsmotor, der für den Otto-Kreisprozess im Gegensatz zum Viertaktmotor nur eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kolbens (Takt) benötigt.
Umgangssprachlich bezeichnet der Begriff „Zweitakter“ einen ventillosen Ottomotor mit Gemischschmierung und Zündkerze, der einfach, kostengünstig und leicht ist (in diesem Artikel zur Unterscheidung als „einkolbengesteuerter Zweitakter“ bezeichnet). Es gibt aber auch große Zweitakt-Dieselmotoren für LKWs, Schiffe und Flugzeuge.
Arbeitsweise
Alle Zweitakter haben unabhängig von ihrer Bauart folgenden Prozessablauf (Kreisprozess) (Beginn am oberen Totpunkt):
Erster Takt: Verdichten und Arbeiten
- Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Gas (Luft, Brenstoff-Luft-Gemisch) verdichtet (nahezu isentrop). Dabei erhöht sich die Temperatur des Gases analog zum Druckanstieg durch die Verdichtung.
- Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird durch eine Zündkerze gezündet. Durch die nahezu isochore (Volumen bleibt konstant) Wärmezufuhr entsteht ein hoher Druck. Beim Diesel Zweitaktmotor wird zur isobaren Wärmezufuhr (Druck bleibt konstant) Diesel eingespritzt. Der Kolbenboden wird mit der Wärme des Brenngases beaufschlagt, und dies führt zur nahezu isentropen (reibungsfrei und adiabat) Expansion des Gases bis zum Unteren Totpunkt (UT).
Zweiter Takt: Ladungswechsel
- In der Nähe des UT öffnen sich Aus- und Einlassöffnung, das Abgas entweicht durch seinen Restdruck. Dies kann durch das Öffnen von Ventilen oder das Freigeben der Öffnungen durch die Zylinder geschehen.
- Der Rest wird durch das einströmende Frischgas ausgespült. Das Frischgas kann Benzin-Luft-Gemisch sein oder, bei Einspritzmotoren Luft.
- Auf dem Weg des oder der Kolben zum oberen Totpunkt werden Ein- und Auslassöffnungen wieder verschlossen und das Frischgas wird wieder verdichtet und der Kreisprozess beginnt erneut.
Für die Spülung muss das Frischgas (entweder Gemisch oder Luft) einen Überdruck besitzen. Um diesen zu erzeugen wird entweder das Kurbelgehäuse wie eine Pumpe benutzt oder ein besonderer Ladelüfter verwendet.
Der Prozessablauf des Zweitaktmotors bildet dabei den idealen Otto-Kreisprozess bzw. Diesel-Kreisprozess nach.
Technische Grundsätze und Realisierungen
Gasdynamik
- Nutzung des Kurbelgehäuses als Pumpe
Das Kurbelgehäuse wird zusammen mit dem Kolben als Pumpenkammer benutzt, um den für die Spülung nötigen Überdruck zu erzeugen. Das heißt, dass der Kolben in der Aufwärtsbewegung das Gas im Brennraum komprimiert und gleichzeitig im Kurbelgehäuse Gas ansaugt. In der Abwärtsbewegung wird dieses dann komprimiert (vorverdichtet). Der Zylindereinlass ist über einen Überströmkanal mit dem Kurbelgehäuse verbunden. In der Nähe des unteren Totpunktes gibt der Kolben die Einlassöffnung frei und das nun unter Druck stehende Frischgas strömt in den Zylinder.
- Resonanz im Ein- und Auslasstrakt
Der Zweitaktmotor ist ein Resonanzsystem, dessen Leistungsentfaltung von den Schwingungseigenschaften der verwendeten Gase abhängig ist (Trägheit). Bereits beim Ansaugvorgang wird die Trägheit 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. Es gibt allerdings auch Varianten mit einem Rückschlag- oder Schieberventil am Kurbelgehäuse-Lufteinlass (siehe Grafik ganz oben).
Beim Auslass-Vorgang kann die Schwingung der Abgase durch geeignete Gestaltung der Auspuffanlage besonders effektiv genutzt werden (siehe Bild oben). Sobald der Kolben den Auslass-Schlitz freigibt, strömen die Abgase in den Auspuff. Die Strömungsgeschwindigkeit vermindert sich erst im Diffusor. Solange strömt das Gas unverändert weiter und durch dessen Trägheit entsteht ein Druckgefälle in Richtung Auspuff (bildlich: Die Gassäule saugt am Auslass). Dieser Effekt wird auch bei Viertaktmotoren eingesetzt um bei Ventilüberschneidung bessere Gaswechsel zu erreichen. Der Diffusor hat dabei nur die Aufgabe, anders als ein oft zitierter Irrglaube, das Abgas auf niedrigere Strömungsgeschwindigkeit zu bringen, ohne das die Strömung dabei abreißt.
Am zweiten Kegelstumpf wird etwas später eine positive Druckwelle reflektiert. Hier staut sich das Gas aufgrund der Trägheit und die so entstandene Welle setzt in Richtung Auslass fort. Dadurch wird Frischgas, das in den Auspuff gedrückt wurde, in den Zylinder zurückgeschoben. Durch diese Art der Aufladung werden die Frischgasverluste gemindert (Resonanzauspuff). Die Länge und Form des Auspuffs in Verbindung mit der Höhe des Auslass-Schlitzes entscheiden über das Drehzahlband, welches der Auspuff unterstützt. Bei kurzen Auspuffen und hohen Auslass-Schlitzen ist die Zeit, in der das verbrannte Abgas wieder reflektiert bzw. herausgesogen wird, kürzer und somit eher für höhere Drehzahlen konzipiert. Das Gegenteil gilt für lange Auspuffe und flache Auslass-Schlitze. Die Gase strömen mit Schallgeschwindigkeit, die wegen der sehr hohen Abgastemperatur sehr viel höher als bei 20 °C ist. Deswegen ist es bei Hochleistungsmotoren üblich, die Schallgeschwindigkeit durch zusätzliches Quenchen zu regeln.
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 Einlasssystems 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.
Spülungsvarianten
Es gibt mehrere Varianten der Lage der Ein- und Auslasskanälen und der Formgebung der Kolben.
- Querstromspülung: Aus- und Einlasskanal liegen einander gegenüber.
- Umkehrspülung: Ein-und Auslasskanal liegen auf einer Zylinderseite. Der Frischgasverlust ist gegenüber der Querstromspülung geringer. Bei der von Schnürle entwickelten Variante, die sich durchgesetzt hat, erfolgt der Einlass beiderseits tangential, während der Auslass zentral geschieht.
Steuerzeiten
- Querstromspülung: Überströmen von 70 vor UT bis 60° nach UT, Auspuff von 70° vor UT bis 70° nach UT
- Umkehrspülung: Überströmen von 50° vor bis 50° nach UT, Auspuff von 65° vor UT bis 65° nach UT
- Gleichstromspülung: Überströmen von 35° vor bis 85° nach UT, Auspuff von 54° vor bis 56° nach UT
Schmierung
Welche Schmierungsart verwendet wird, hängt von der Art der Erzeugung des Spüldrucks ab.
Wird das Kurbelgehäuse als Pumpkammer zur Erzeugung des Spüldrucks genutzt, kann keine Ölsumpfschmierung angewandt werden, bei der das Öl ständig an die Schmierstellen gepumpt wird und wieder zurückläuft. In diesem Fall wird das Öl dem Kraftstoff zugesetzt und schmiert so Pleuelgelenke, Kurbelwelle und Zylinderwand (Gemischschmierung). Dies führt zu hohem Ölverbrauch und hoher Belastung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen und Ruß.
Bei der sog. Getrenntschmierung wird das Öl aus einem extra Tank lastabhängig mit dem Kraftstoff vermischt, also ein variables Mischungsverhältnis erzielt, so dass in unkritischen Lastbereichen weniger Öl verwendet werden kann.
Wird ein besonderer Verdichter zu Erzeugung des Spüldrucks verwendet, kann die konventionelle Ölsumpfschmierung verwendet werden.[1]
Einkolbengesteuerter Zweitakter
Dies ist die weitaus verbereitetste Form, kostengünstig, mechanisch einfach und vor allem bei kleinen Motoren verwendet. Der Kolben gibt in der Nähe des unteren Totpunktes die Ein-und Auslassöffnung in der Zylinderwand frei, so dass keine Ventile benötigt werden.
Doppelkolbenmotoren
Beim Doppelkolbenmotor arbeiten zwei Kolben auf demselben Brennraum, was den Vorteil hat, dass ein Kolben die Einlass- und der andere die Auslassöffnung steuern kann. Man erreicht dadurch:
- Gleichstromspülung, d.h. besserer Gasaustausch
- Aufladbarkeit, weil man den Auslass früher schließen kann als den Einlass
- größere, strömungsgünstigere Ein- und Auslassöffnungen, da man jeweils den kompletten Zylinderumfang nutzen kann.
Es gibt zwei Hauptvarianten (siehe Doppelkolbenmotor):
U-Zylinder-Motor
Zwei nebeneinanderliegende Zylinder sind am Kopf verbunden, so dass sich ein U-förmiger Brennraum ergibt.
Gegenkolbenmotor
Beim Gegenkolbenmotor arbeiten zwei Kolben gegeneinander in einem Zylinder. Es gibt entweder zwei per Getriebe gekoppelte Kurbelwellen oder eine Kurbelwelle und lange Zugstangen oder Kipphebel. Diese Lösung hat bei gleicher Kolbenanzahl geringere thermische Verluste, da die Zylinderköpfe fehlen.
Ventil-Zweitakter
Die Verwendung von Ventilen, verschafft aber die gleichen Vorteile wie das Doppelkolbenprinzip, nämlich Gleichstromspülung und Aufladbarkeit. Großdieselmotoren sind meist Ventilmotoren.
Vor- und Nachteile des Zweitaktprinzips
Vorteile des Zweitakters gegenüber dem Viertakter gleicher Leistung und Drehzahl
Der Zweitakter hat doppelt so viele Arbeitstakte pro Zeiteinheit wie der Viertakter, wenn auch, wegen der Nutzung eines Teils der Takte für die Spülphase, nur 70 bis 80 % der Energieabgabe pro Arbeitstakt [2]. Hierdurch allein entstehen eine Reihe von Vorteilen:
- geringerer Hubraum. Dadurch geringere thermische und Reibungsverluste und Potential zu geringerem Verbrauch
- geringere Masse
- gleichförmigeres Drehmoment
- geringere bewegte Masse: Dies ist eine Folge der geringeren Gesamtmasse und hat den positiven Effekt eines geringeren Drehimpulses; dies macht den Motor elastischer.
- hohe Drehzahlen bei den ventillosen Varianten einfacher möglich
Für den einkolbengesteuerten Zweitakter ist noch anzuführen:
- Einfachheit und damit geringerer Fertigungsaufwand, da Ventile und ihr Antrieb wegfallen.
- Lageunabhängigkeit (bei Gemischschmierung). Wichtig für handgeführte Geräte wie Motorkettensägen oder Rasenmäher auf Böschungen.
Nachteile des Zweitakt-Motors
- je nach Bauart eine gewisse Vermischung von Frisch- und Abgas. Dadurch Abwägung zwischen hohen Spülverlusten und hohem Abgasanteil in der Zylinderfüllung notwendig (siehe auch Fanggrad).
- hohe thermische Belastung von Kolben und Auslassöffnung
- unruhiger Lauf im Schubbetrieb
- geringere Motorbremswirkung als bei Viertaktmotoren
- je nach Bauart mehr oder weniger hoher Ölverbrauch
- Emissionsprobleme (siehe nächster Abschnitt)
- Schmierung bei geringen Drehzahlen problematisch, da die Temperatur nicht hoch genug wird.
- hoher mechanischer Verschleiß des Kolbens und der Kolbenringe bei Zylinderwänden mit Öffnungen.
Emissionen von Zweitaktmotoren
Ursachen
Große Zweitaktmotoren beweisen, dass sich auch mit dem Zweitaktprinzip gute Emissionswerte erzielen lassen. Dass einfache Zweitaktmotoren meist mehr Emissionen haben als viel größere Viertaktmotoren, liegt an folgendem:
- Überströmverluste (Spülverluste) bringen unverbranntes Kraftstoff-Öl-Gemisch ins Abgas.
- Inhomogene, d.h. unvollständige Verbrennung des Gemischs führt zu Emission von Verbrennungszwischenprodukten wie Feinstaub[3].
- Die Kolbenringe überlaufen die Spülöffnungen. Dadurch wird Öl von der Zylinderwand in den Gasstrom gerissen, was zu Emissionen auch bei Motoren mit Ölsumpfschmierung führt.
Durch Verwendung von Ölsumpfschmierung, separater Auslasssteuerung mit Ventilen (oder dem zweiten Kolben beim Gegenkolbenmotor) und Einspritzung kann man diese Emissionen minimieren.
In Entwicklung befindliche ölfreie Kolben aus Kohlenstoff-Werkstoffen könnten, wenn erfolgreich, die Emissionen weiter erheblich vermindern.
Gesetzliche Grenzwerte
Für Zweiräder gelten je nach Hubraum die Abgasnormen Euro2 oder Euro3, unabhängig, ob ein Zweitaktmotor oder Viertaktmotor verwendet wird. Dies führte oberhalb 50 cm³ zu einer weitreichenden Verdrängung von Zweitaktmotoren. Motoren von Kleinkrafträdern unterhalb 50 cm³ dürfen wesentlich größere Kohlenwasserstoffmengen ausstoßen als PKW-Motoren, der Partikelausstoß ist unbegrenzt.
Bei Arbeitsgeräten (z. B. Laubbläsern) definiert die europäische Richtlinie 2002/88/EC die gesetzlichen Grenzwerte. Die Richtlinie unterscheidet 3 Klassen von Handgeräten und 4 Klassen von Nicht-Handgeräten. Grenzwerte für Freizeitgeräte (z. B. Wassersport) sind durch die Richtlinie 2003/44/EC gegeben.
Anwendungsbeispiele
Beispiele für Fahrzeuge mit Zweitaktmotor sind Motorräder, die Mehrzahl der Karts, der Pkw Trabant, Lkw von Krupp sowie Automobile und Kleintransporter der Marke DKW, die meisten Mopeds und immer noch viele Motorroller.
Häufig findet man die Zweitaktmotoren in der Dieselausführung bei Lokomotiven, Schiffen oder Stromgeneratoren – in der Benzinausführung (Ottoprozess) auch bei Kleinfahrzeugen mit 50 cm³ und bei Rasenmähern, Kettensägen, Stromgeneratoren, Kartsport, Rollern (Scootern), Schiffs-, Flugzeugmodellen und Modellautos. Die Zweitakter-Großdieselmotoren von Schiffen zählt man zu den wirtschaftlichsten Wärmekraftmaschinen schlechthin, wegen ihres hohen Wirkungsgrades.
Klassischer Diesel-Zweitaktmotor
Die weltweit bekanntesten Zweitakt-Dieselmotoren sind die Baureihen 53, 71, 92, 149 der Detroit Diesel Corporation (DDC). Die Zahlen geben den Hubraum eines Zylinders in Kubikzoll an. Diese Zweitaktmotoren haben immer Auslassventile im Zylinderkopf – idealerweise bis zu vier – und sind immer mit einem Rootsgebläse versehen – idealerweise mit vorgeschalteten Turboladern und nachgeschalteten Intercoolern (wassergekühlt).
Bei einem Zweitakt-Dieselmotor wird die Frischluft durch Einlassschlitze (ports) im unteren Bereich der Laufbüchse eingeblasen. Um die Brennraumgase über die Auslassventile in den Abgastrakt zu drücken, bedarf es eines höheren Druckes der Frischluft – welches das Rootsgebläse liefert.
Der Zweitakt-Dieselmotor hat – ebenso wie sein Otto-Äquivalent – einen schlechten Ruf – jedoch vollkommen zu Unrecht. In mehrfacher Hinsicht ist er eindeutig dem Viertakter überlegen:
- Deutlich geringeres Leistungsgewicht – bevorzugte Verwendung beim Traktorpulling, als Bootsmotor und Schiffsdiesel
- Deutlich höhere Laufleistung – in den USA sind Industriemotoren mit 150.000 Betriebsstunden bekannt
- Höherer Wirkungsgrad durch höhere Brennraumtemperaturen – kein unnützes Abkühlen durch den zusätzlichen Gaswechsel beim Viertakter
- Läuft mit allen erdenklichen Betriebsstoffen – einschließlich Alkohol/Ethanol
Jedoch sind die Herstellungskosten eines Zweitakt-Dieselmotors nahezu doppelt so hoch wie die eines gleichwertigen Viertakt-Dieselmotors.
So ist auch die Firma Krupp an den hohen Herstellungskosten ihrer Zweitaktmotoren im Wettbewerb gescheitert. Nach heutigem Stand ist die Zukunft des totgeglaubten Zweitakt-Dieselmotors besser den je – gerade der technische Vorteil des besseren Wirkungsgrades und günstigeren Leistungsgewichts kann bei weiter steigenden Kraftstoffpreisen und mit innovativem Motormanagement zu einer Renaissance dieses Motortyps führen.
Moderne, ventilgesteuerte Zweitaktmotoren
Viele der heutigen Zweitakter haben gesteuerte Auslassventile und Einlassschlitze. Befüllt werden sie von getrennten Ladepumpen. Hierdurch wird ein sauberer Gaswechsel erreicht, und es ist keine Gemisch-Schmierung mehr notwendig, sondern die Kurbelwelle lagert wie beim Viertakter in Öl. Allerdings ist ein solcher Zweitakter ähnlich kompliziert wie ein Viertakter.
Diese Bauweise eignet sich besonders für langsamlaufende Motoren mit großem Hubraum (Schiffsdiesel, mit Bohrungen von einem Meter und Hüben von ca. drei Metern), da die langsame Drehzahl immer eine ausreichende Befüllung ermöglicht und das Gewicht der externen Lader kaum eine Rolle spielt. Wegen des verwendeten Treibstoffs (Bunkeröl) gibt es solche ventilgesteuerten Zweitakter nur als Diesel.
Der große Zweitakt-Schiffsdieselantrieb wird in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad unter den Wärmekraftmaschinen nur von modernen Gasturbinen übertroffen: Es gelingt mit ihm, bis zu 55 % der chemisch gebundenen Energie des Kraftstoffes in nutzbare mechanische Arbeit zu verwandeln. Im Vergleich hierzu werden bei PKW-Ottomotoren selten mehr als 30 % herausgeholt, und bei PKW haben nur moderne Turbodiesel mehr als 40 % Wirkungsgrad.
Für Ottomotoren ist diese Bauweise nach heutigem Stand der Technik ungeeignet, da der Otto-Prozess nur für hochdrehende Motoren sinnvoll ist. Direkteinspritzung gibt es auch. Bei einer Direkteinspritzung sind Abgasemission und Kraftstoffverbrauch geringer.
Geschichte des Zweitaktmotors
Die ersten, heute als verdichtungslose bezeichneten Zweitaktmotoren arbeiteten nach einem völlig anderen Prinzip und werden nur deshalb so genannt, weil sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung zündeten – wie auch der moderne verdichtende Zweitakter. Im ersten Takt wurde angesaugt und unverdichtet gezündet, im zweiten Takt ausgepufft. Die Gaswechselsteuerung erfolgte mittels Schieber. Versuche von Jean Joseph Étienne Lenoir, Siegfried Marcus, und anderen, sie für mobile Zwecke zu verwenden (zwischen 1860 und 1870), scheiterten nicht zuletzt 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. Die „klassische“ Bauweise wurde von dem britischen Ingenieur Joseph Day 1888 entwickelt und 1889 patentiert.
Aktuelle Entwicklungen
Aktuell erlebt der Zweitaktmotor eine gewisse Renaissance. Besonders im Bereich Bootsmotoren, etwa bei Jet Ski oder auch im Ultraleichtflug werden wieder verstärkt Zweitaktmotoren eingesetzt, welche nicht mehr die klassischen Nachteile der herkömmlichen Bauart besitzen. Beispiele hierfür sind u.a. ROTAX Motoren, welche unter Verwendung eines Direkteinspritzungsystemes (Ficht FFI) eine neue Generation von Motoren darstellen, so ROTAX 600 H.O. E-Tec, die in den Schneemobilen der Ski-Doo-Serie eingesetzt werden und den Viertaktmotoren deutlich überlegen sind.
Nissan setzt mit dem TLDI-System (Two stroke Low pressure Direct Injection) bei Bootsmotoren ebenfalls auf Zweitaktmotoren. Yamaha hat das sogenannte HDPI-System (High Pressure Direct Injection). Weiterhin existiert das Envirofit-International-Projekt, bei dem herkömmliche Zweitaktmotoren zu Direkteinspritzern unter Verwendung der Orbital-Einspritzung mit umweltfreundlicheren Abgaswerten umgerüstet werden. Dies wird durch Austausch des Zylinderkopfes und Nachrüstung einer Einspritzung (Bausatz) erreicht. Das Ziel dieses Projektes ist es, die millionenfach in Asien anzutreffenden Leichtkrafträder mit herkömmlichen Zweitaktmotoren und damit entsprechendem Umweltproblemen durch eine Umrüstung zu umweltfreundlicheren Fahrzeugen zu machen.
Eine Reihe von kleinen Firmen haben funktionsfähige Gegenkolbenmotoren entwickelt oder sind dabei, sie zu entwickeln, um dessen Potential für geringen Verbrauch auszunutzen.
Ungewöhnlich ist die Bauweise des Pivotalmotors, der es mit wassergekühltem Pivotal-Kolben und Direkteinspritzung (aktuell Entwicklung mit Orbital-System) ermöglicht, die Spülverluste auf ein Minimum zu reduzieren und mit Gemischen von bis zu 1:300 gegenüber herkömmlichen Kolbenanordnungen (i.d.R. 1:50 - 1:100) zu arbeiten.
Literatur
- Christian Rieck: Zweitakt-Motoren-Tuning. Eschborn 2004, ISBN 3-924043-25-6 (erklärt die Funktionsweise des Zweitaktmotors und Möglichkeiten zur Leistungssteigerung)
- W. A. Doernhoeffer: Zweitakt-Praxis. Christian-Rieck-Verlag, Eschborn 2004, 3. Auflage, ISBN 3-924043-19-1 (dieses Buch erschien unter dem Originaltitel Zweitakt-Praktikum – Betriebs-Taschenbuch für kleine Zweitakt-Ottomotoren bereits 1942 im Franckh-Kosmos-Verlag. Bis auf neuere Entwicklungen in den Bereichen Werkstoffe, Motormanagement und Schadstoffreduzierung durch CWI und dergleichen ist dieses Buch auch heute noch aktuell.)
Quellen
- ↑ http://www.motorlexikon.de/?I=8982
- ↑ Cornel Stan: Alternative Antriebe für Automobile, Springer-Verlag 2008, p.126
- ↑ G. Merker, Chr. Schwarz, G. Stiesch, F. Otto: Verbrennungsmotoren, Teubner, 2. Auflage, 2004
