Zweitaktmotor

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Zweitaktmotor
Schematische Darstellung eines Otto-Zweitaktmotors mit Vorverdichtungsventil am Kurbelgehäuse

Ein Zweitaktmotor ist ein Kolben-Verbrennungsmotor, der f√ľr den thermodynamischen Kreisprozess im Gegensatz zum Viertaktmotor mit vier Takten nur die namensgebenden zwei Takte ben√∂tigt.

Umgangssprachlich bezeichnet der Begriff ‚ÄěZweitakter‚Äú einen ventillosen Ottomotor mit Gemischschmierung und Z√ľndkerze, der einfach, kosteng√ľnstig und leicht ist (in diesem Artikel zur Unterscheidung als ‚Äěeinkolbengesteuerter Zweitakter‚Äú bezeichnet). Es gibt aber auch gro√üe Zweitakt-Dieselmotoren f√ľr Lokomotiven, LKW, Schiffe und Flugzeuge.

Inhaltsverzeichnis

Arbeitsweise

Zweitakter haben unabhängig von ihrer Bauart folgenden Prozessablauf (Kreisprozess) (Beginn am oberen Totpunkt):

Erster Takt: Verdichten und arbeiten

  • Durch die Aufw√§rtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Gas (Luft, Brennstoff-Luft-Gemisch) verdichtet (nahezu isentrop). Dabei erh√∂ht sich die Temperatur des Gases analog zum Druckanstieg durch die Verdichtung.
  • Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird durch eine Z√ľndkerze gez√ľndet. Durch die nahezu isochore (Volumen bleibt konstant) W√§rmezufuhr entsteht ein hoher Druck. Beim Diesel-Zweitaktmotor wird zur isobaren W√§rmezufuhr (Druck bleibt konstant) Diesel eingespritzt. Die so freigewordene W√§rme wird durch die anschlie√üende Expansion des Arbeitsgases durch Beaufschlagung des Kolbenbodens in mechanische Energie umgewandelt.

Zweiter Takt: Ladungswechsel

  • In der N√§he des unteren Totpunktes √∂ffnen sich Aus- und Einlass√∂ffnung, und das Abgas entweicht durch seinen Restdruck. Dies kann durch das √Ėffnen von Ventilen oder das Freigeben der √Ėffnungen durch den Kolben geschehen.
  • Der Rest wird durch das einstr√∂mende Frischgas ausgesp√ľlt. Das Frischgas kann Benzin-Luft-Gemisch sein oder Luft (bei Einspritzmotoren).
  • Auf dem Weg des Kolbens zum oberen Totpunkt werden Ein- und Auslass√∂ffnungen wieder verschlossen, das Frischgas wird wieder verdichtet, und der Kreisprozess beginnt erneut.

F√ľr die Sp√ľlung muss das Frischgas (entweder Gemisch oder Luft) einen √úberdruck besitzen. Um diesen zu erzeugen, wird entweder das Kurbelgeh√§use wie eine Pumpe benutzt oder ein besonderer Ladel√ľfter verwendet.

Der Prozessablauf des Zweitaktmotors bildet dabei den idealen Otto-Kreisprozess bzw. Diesel-Kreisprozess nach.

Technische Grundsätze und Realisierungen

Gasdynamik

  • Nutzung des Kurbelgeh√§uses als Pumpe

Das Kurbelgeh√§use wird zusammen mit dem Kolben als Pumpenkammer benutzt, um den f√ľr die Sp√ľlung n√∂tigen √úberdruck zu erzeugen. Das hei√üt, dass der Kolben in der Aufw√§rtsbewegung das Gas im Brennraum komprimiert und gleichzeitig im Kurbelgeh√§use Gas ansaugt. In der Abw√§rtsbewegung wird dieses dann komprimiert (vorverdichtet). Der Zylindereinlass ist √ľber einen √úberstr√∂mkanal mit dem Kurbelgeh√§use verbunden. In der N√§he des unteren Totpunktes gibt der Kolben die Einlass√∂ffnung frei, und das nun unter Druck stehende Frischgas str√∂mt in den Zylinder.

  • Resonanz im Ein- und Auslasstrakt
Arbeitsweise eines Zweitaktmotors mit Membran-Einlasssteuerung und Resonanzauspuff

Der Zweitaktmotor ist ein Resonanzsystem, dessen Leistungsentfaltung von den Schwingungseigenschaften der verwendeten Gase abh√§ngig ist (Tr√§gheit). Beim Auslassvorgang kann die Schwingung der Abgase durch geeignete Gestaltung der Auspuffanlage besonders effizient genutzt werden (siehe Bild oben). Sobald der Kolben den Auslass-Schlitz freigibt, str√∂men die Abgase in den Auspuff. Die Str√∂mungsgeschwindigkeit vermindert sich erst im Diffusor. Solange str√∂mt das Gas unver√§ndert weiter, und durch dessen Tr√§gheit entsteht ein Druckgef√§lle in Richtung Auspuff (bildlich: Die Gass√§ule saugt am Auslass). Dieser Effekt wird auch bei Viertaktmotoren eingesetzt, um bei Ventil√ľberschneidung bessere Gaswechsel zu erreichen. Der Diffusor hat dabei nur die Aufgabe, anders als ein oft zitierter Irrglaube, das Abgas auf niedrigere Str√∂mungsgeschwindigkeit zu bringen, ohne dass die Str√∂mung dabei abrei√üt.

Am zweiten Kegelstumpf wird etwas sp√§ter eine positive Druckwelle reflektiert. Hier staut sich das Gas aufgrund der Tr√§gheit, und die so entstandene Welle setzt sich in Richtung Auslass fort. Dadurch wird Frischgas, das in den Auspuff gedr√ľckt wurde, in den Zylinder zur√ľckgeschoben. Durch diese Art der Aufladung werden die Frischgasverluste gemindert (Resonanzauspuff). Die L√§nge und Form des Auspuffs in Verbindung mit der H√∂he des Auslass-Schlitzes entscheiden √ľber das Drehzahlband, welches der Auspuff unterst√ľtzt. Bei kurzen Auspuffen und hohen Auslass-Schlitzen ist die Zeit, in der das verbrannte Abgas wieder reflektiert bzw. herausgesaugt wird, k√ľrzer und somit eher f√ľr h√∂here Drehzahlen konzipiert. Das Gegenteil gilt f√ľr lange Auspuffe und flache Auslass-Schlitze. Die Gase str√∂men mit Schallgeschwindigkeit, die wegen der sehr hohen Abgastemperatur sehr viel h√∂her als bei 20 ¬įC ist. Deswegen ist es bei Hochleistungsmotoren √ľblich, die Schallgeschwindigkeit durch zus√§tzliches Quenchen zu regeln.

Da in erster N√§herung am Ende des Ansaugvorganges immer atmosph√§rischer Druck im Zylinder ist, kann beim Otto-Zweitaktmotor von Qualit√§tsregelung gesprochen werden. Variiert √ľber die Drosselklappe des Einlasssystems wird nur das Verh√§ltnis von Gemisch zu Restabgas im Zylinder. Der im Teillastbereich hohe Anteil von Abgasen im Zylinder f√ľhrt zu schlechten Verbrennungsg√ľten und hohen CO- und CH-Gehalten. Auf einen Lastpunkt z.B. in station√§ren Betrieb sind die Str√∂mungsverh√§ltnisse optimal abstimmbar mit entsprechend hohen Wirkungsgraden und gutem Abgasverhalten.

Sp√ľlung

Das Ziel der Sp√ľlung ist, in der kurzen Zeit, in der Ein- und Auslass√∂ffnungen frei sind, das verbrannte Gemisch durch Luft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zu ersetzen. Hierbei soll einerseits m√∂glichst wenig Restgas im Zylinder bleiben, andererseits aber auch m√∂glichst wenig Luft bzw. Gemisch durch den Auslass herausgeblasen werden.

Es gibt mehrere Varianten der Lage der Ein- und Auslasskanälen und der Formgebung der Kolben [1].

  • Querstromsp√ľlung: Aus- und Einlasskanal liegen einander gegen√ľber und werden beide vom Kolben freigegeben und geschlossen. Dabei √∂ffnet sich der Auslass zuerst und schlie√üt sich zuletzt. Der Kolben muss so geformt sein, dass der Einlassstrom in Richtung Zylinderkopf umgelenkt wird, um diesen Bereich auch zu sp√ľlen. Das kann z.B. mit einer Nase geschehen.
  • Umkehrsp√ľlung: Ein- und Auslasskanal liegen auf einer Zylinderseite. Auch hier werden beide √Ėffnungen vom Kolben freigegeben und geschlossen. Der Frischgasverlust ist gegen√ľber der Querstromsp√ľlung geringer und der Kolbenboden kann flach sein. Bei dieser von Schn√ľrle entwickelten Variante, die sich durchgesetzt hat, erfolgt der Einlass beiderseits tangential, w√§hrend der Auslass zentral geschieht. Das Aufeinandertreffen der beiden tangential eingeschossenen Frischgasstr√∂me bewirkt seine notwendige Umlenkung in Richtung Zylinderkopf.
  • Gleichstrom- oder L√§ngssp√ľlung: Aus- und Einlasskanal liegen an entgegengesetzten Enden des Zylinders. Das Frischgas str√∂mt nicht vom Kolben zum Zylinderkopf und wieder zur√ľck, sondern nur in eine Richtung. Das Freigeben der √Ėffnung kann √ľber ein angesteuertes Ventil am Zylinderkopf erfolgen oder, beim Gegenkolbenmotor, √ľber den anderen Kolben. Diese Sp√ľlungsvariante erlaubt als einzige die Aufladung des Motors, da hier der Auslass fr√ľher als der Einlass geschlossen werden kann. Auch bei gro√üem Hubraum ist eine gute Sp√ľleffizienz erreichbar.
Steuerzeiten
  • Querstromsp√ľlung: √úberstr√∂men von 70¬į vor UT bis 60¬į nach UT, Auspuff von 70¬į vor UT bis 70¬į nach UT
  • Umkehrsp√ľlung: √úberstr√∂men von 50¬į vor bis 50¬į nach UT, Auspuff von 65¬į vor UT bis 65¬į nach UT
  • Gleichstromsp√ľlung: √úberstr√∂men von 35¬į vor bis 85¬į nach UT, Auspuff von 54¬į vor bis 56¬į nach UT

Schmierung

Welche Schmierungsart verwendet wird, h√§ngt von der Art der Erzeugung des Sp√ľldrucks ab.

Wird das Kurbelgeh√§use als Pumpkammer zur Erzeugung des Sp√ľldrucks genutzt, kann keine √Ėlsumpfschmierung angewandt werden, bei der das √Ėl st√§ndig an die Schmierstellen gepumpt wird und wieder zur√ľckl√§uft. In diesem Fall wird das √Ėl dem Kraftstoff zugesetzt und schmiert so Pleuelgelenke, Kurbelwelle und Zylinderwand (Gemischschmierung). Dies f√ľhrt zu hohem √Ėlverbrauch und hoher Belastung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen und Ru√ü.

Bei der sog. Getrenntschmierung wird das √Ėl aus einem Extratank lastabh√§ngig mit dem Kraftstoff vermischt, also ein variables Mischungsverh√§ltnis erzielt, so dass in unkritischen Lastbereichen weniger √Ėl verwendet werden kann.

Wird ein besonderer Verdichter zu Erzeugung des Sp√ľldrucks verwendet, kann die konventionelle √Ėlsumpfschmierung verwendet werden.[2]

Kolbenkantengesteuerter Zweitakter

Dies ist die weitaus verbreitetste Form, kosteng√ľnstig und mechanisch einfach, die vor allem bei kleinen Motoren verwendet wird. Die Kolbenoberkante gibt in der N√§he des unteren Totpunktes die √úberstr√∂m -und Auslass√∂ffnung in der Zylinderwand frei. Die Kolbenunterkante gibt in der N√§he des oberen Totpunktes den Einlass in das Kurbelgeh√§use frei. Vorteil ist hierbei die √Ėffnung und Schlie√üung des Einlasses, der √úberstr√∂mkan√§le und des Auslasses ohne zus√§tzliche mechanische Bauteile.

Drehschiebergesteuerter Zweitakter

Hierbei wird der Einlass in das Kurbelgeh√§use durch eine auf der Kurbelwelle angebrachte Scheibe ge√∂ffnet und verschlossen. Der Vorteil gegen√ľber kolbenunterkantengesteuerten Motoren ist die M√∂glichkeit, den √Ėffnungszeitpunkt unabh√§ngig vom Schlie√üzeitpunkt (asynchron) zu steuern. Siehe auch: Schiebermotor#Schiebersteuerung bei Zweitaktmotoren

Membrangesteuerter Zweitakter

Hier ist im Einlass ein Membranventil angebracht, das bei Unterdruck im Kurbelgehäuse öffnet und bei Überdruck schließt. Vorteil hierbei ist die automatische Anpassung an die Strömungsverhältnisse bei allen Drehzahlen.

Die schwachfedernde und massearme Membran (auch Zungenventil genannt)√∂ffnet schon bei geringem Unterdruck und schlie√üt schlagartig bei erreichtem Druckausgleich; sie verhindert Zur√ľckblasen und passt sich einem breiten Drehzahlband an. Ein grundlegender Unterschied zwischen einem vom Unterdruck ge√∂ffneten "Steuerorgan" und einem vom "Arbeitskolben" freigegebenen Schlitz besteht im (relativ) sanften Abheben der Membranen oder Ventile gegen√ľber dem raschen √Ėffnen zur Kurbelkammer, in der schon ein nennenswerter Unterdruck herrscht. Das dadurch versch√§rfte Ansaugger√§usch f√§llt bei Rennmotoren nicht in die Waagschale, wohl aber im Alltag.

Nun kombinierten die Yamaha-Konstrukteure "beide Systeme" ‚Äď der Kolben verschlie√üt zun√§chst den zur Membrane f√ľhrenden Weg, der Kurbelhausdruck sinkt und rei√üt die Membranzungen pl√∂tzlich auf, wesentlich weiter und wirksamer, auch zum Anfachen der gew√ľnschten Schwingungen. Da der Ansaugkanal au√üerdem als(f√ľnfter)√úberstr√∂mkanal dient, erzeugen die nach oben str√∂menden Frischgase hinter den Membranzungen einen statischen Unterdruck ‚Äď je schneller, um so st√§rker ‚Äď und saugen ein zus√§tzliches Quantum Frischgas an, direkt vom Ansaugweg in den Arbeitszylinder.

Dieses Prinzip erlaubte es schlie√ülich, s√§mtliche Serienmotoren ungeachtet dreistelliger Literleistungen mit Membranen und besserem Drehmomentverlauf auszustatten. Durch neueste Technologie, was die Materialien der Membranzungen anbelangt, ist es gelungen, durch Einsatz von glasfaserverst√§rkten als auch aus Carbonfasern bestehenden Membranzungen teure Motorsch√§den auszuschlie√üen. Falls mal eine Metall-Membrane brach, (Kollision mit Kolben usw.), zog es doch teure Motorsch√§den nach sich. Au√üerdem konnte die Massetr√§gheit gegen√ľber Metall-Membranpl√§ttchen nochmals deutlich verbessert werden.

Ein weiterer positiver Nebeneffekt sind deutlich bessere Verbrauchswerte eines membrangesteuerten Motors.[3]

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:

  • Gleichstromsp√ľlung, d.h. besserer Gasaustausch;
  • Aufladbarkeit, weil man den Auslass fr√ľher schlie√üen kann als den Einlass;
  • gr√∂√üere, str√∂mungsg√ľnstigere Ein- und Auslass√∂ffnungen, 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 jedoch die gleichen Vorteile wie das Doppelkolbenprinzip, n√§mlich Gleichstromsp√ľlung und Aufladbarkeit. Gro√üdieselmotoren sind meist Ventilmotoren.

Vor- und Nachteile des Zweitaktprinzips

Vorteile des Zweitakters gegen√ľber 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 f√ľr die Sp√ľlphase (Einlass, Auslass), nur 70 bis 80 % der Energieabgabe pro Arbeitstakt [4]. Hierdurch allein entstehen eine Reihe von Vorteilen:

  • gleichf√∂rmigeres Drehmoment
  • geringere statische und dynamische Masse mit kleineren Drehimpulsen und geringeren Vibrationen
  • hohe Drehzahlen sind bei den ventillosen Varianten einfacher m√∂glich

F√ľr den kolbenkantengesteuerten Zweitakter ist noch anzuf√ľhren:

  • Einfachheit und damit geringerer Fertigungsaufwand, da Ventile und ihr Antrieb wegfallen
  • Lageunabh√§ngigkeit (bei Gemischschmierung), wichtig f√ľr handgef√ľhrte Ger√§te wie Motorkettens√§gen

Nachteile des Zweitaktmotors

  • Je nach Bauart eine gewisse Vermischung von Frisch- und Abgas. Dadurch Abw√§gung zwischen hohen Sp√ľlverlusten oder hohem Abgasanteil in der Zylinderf√ľllung (siehe auch Fanggrad)
  • Hohe thermische Belastung von Kolben und Auslass√∂ffnung wegen geringer Innenk√ľhlung
  • Unruhiger Lauf im Schubbetrieb. Bei Motoren mit Gemischschmierung kann es bei Schubbetrieb durch das zu geringe √∂lhaltige Gemisch zu Motorsch√§den (Kolbenfresser) oder Lagersch√§den kommen
  • Geringere Motorbremswirkung
  • Je nach Bauart mehr oder weniger hoher √Ėlverbrauch und Abgasgeruch
  • Emissionsprobleme (siehe n√§chster Abschnitt)
  • Hoher mechanischer Verschlei√ü des Kolbens und der Kolbenringe bei Zylinderw√§nden mit √Ėffnungen.

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:

  • √úberstr√∂mverluste (Sp√ľlverluste) bringen unverbranntes Kraftstoff-√Ėl-Gemisch ins Abgas.
  • Inhomogene, d.h. unvollst√§ndige Verbrennung des Gemischs f√ľhrt zu Emission von Verbrennungszwischenprodukten wie Feinstaub[5].
  • Die Kolbenringe √ľberlaufen die Sp√ľl√∂ffnungen. Dadurch wird √Ėl von der Zylinderwand in den Gasstrom gerissen, was zu Emissionen auch bei Motoren mit √Ėlsumpfschmierung f√ľhrt.

Durch Verwendung von √Ėlsumpfschmierung, 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

F√ľr Zweir√§der gelten je nach Hubraum die Abgasnormen Euro2 oder Euro3, unabh√§ngig, ob ein Zweitaktmotor oder Viertaktmotor verwendet wird. Dies f√ľhrte oberhalb 50 cm¬≥ zu einer weitreichenden Verdr√§ngung von Zweitaktmotoren. Motoren von Kleinkraftr√§dern unterhalb 50 cm¬≥ d√ľrfen wesentlich gr√∂√üere Kohlenwasserstoffmengen aussto√üen als PKW-Motoren, der Partikelaussto√ü ist unbegrenzt.

Bei Arbeitsger√§ten (z. B. Laubbl√§sern) definiert die europ√§ische Richtlinie 2002/88/EC die gesetzlichen Grenzwerte. Die Richtlinie unterscheidet 3 Klassen von Handger√§ten und 4 Klassen von Nicht-Handger√§ten. Grenzwerte f√ľr Freizeitger√§te (z. B. Wassersport) sind durch die Richtlinie 2003/44/EC gegeben.

Anwendungsbeispiele

Beispiele f√ľr Fahrzeuge mit Zweitaktmotor sind Motorr√§der, die Mehrzahl der Karts, der Pkw Trabant, Lkw von Krupp sowie Automobile und Kleintransporter der Marke DKW, die meisten Mopeds und viele Motorroller.

H√§ufig findet man die Zweitaktmotoren in der Dieselausf√ľhrung bei Lokomotiven, Schiffen oder Stromgeneratoren ‚Äď in der Benzinausf√ľhrung (Ottoprozess) auch bei Kleinfahrzeugen mit 50 cm¬≥ und bei Rasenm√§hern, Kettens√§gen, Stromgeneratoren, Kartsport, Rollern (Scootern), Schiffs-, Flugzeugmodellen und Modellautos. Die Zweitakter-Gro√üdieselmotoren von Schiffen z√§hlt man zu den wirtschaftlichsten W√§rmekraftmaschinen schlechthin, dies wegen ihres hohen Wirkungsgrades.

Klassische Diesel-Zweitakter

Einer der gr√∂√üten Lastkraftwagen mit Diesel-Zweitaktmotor war der S√ľdwerke (Krupp) ‚ÄěTitan‚Äú
Diesel-Zweitaktmotor eines Krupp ‚ÄěElch‚Äú

Bekannte Zweitakt-Dieselmotoren mit Auslassventilen im Zylinderkopf waren die Baureihen 53, 71, 92, 149 (Kubikzollangaben) der Detroit Diesel Corporation (DDC). Diese Zweitaktmotoren nutzten zur Erzeugung des Sp√ľldrucks ein Rootsgebl√§se ‚Äď teilweise mit vorgeschalteten Turboladern - und wassergek√ľhlte Intercooler. Zweitakt-Dieselmotoren f√ľr Lastwagen produzierten auch die Kruppwerke bis in die 1950er Jahre.

Moderne, ventilgesteuerte Zweitaktmotoren

Viele der heutigen Zweitakter haben gesteuerte Auslassventile und Einlassschlitze. Bef√ľllt 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 √Ėl.

Diese Bauweise eignet sich besonders f√ľr langsamlaufende Motoren mit gro√üem Hubraum (Schiffsdiesel, mit Bohrungen von einem Meter und H√ľben von ca. drei Metern), da die langsame Drehzahl immer eine ausreichende Bef√ľllung erm√∂glicht und das Gewicht der externen Lader kaum eine Rolle spielt. Wegen des verwendeten Treibstoffs (Bunker√∂l) gibt es solche ventilgesteuerten Zweitakter nur als Diesel.

Typ-90-Panzer

Der gro√üe turbogeladene Zweitakt-Schiffsdieselantrieb wird in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad unter den W√§rmekraftmaschinen nur von kombinierten Gas-und-Dampfturbinen √ľbertroffen: 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 PKW-Turbodiesel kommen selten √ľber 40 % Wirkungsgrad.

Eine besonderer Anwendungsfall ist der japanische Typ-90-Panzer, welcher von einem Mitsubishi-10ZG-Zweitaktmotor mit Dieseldirekteinspritzung und Rootsgebläse zur Aufladung angetrieben wird.

Ebenso der Transportpanzer M113: Der wassergek√ľhlte Zweitakt-V6-Dieselmotor von General Motors (sp√§ter ausgegliedert und umbenannt in Detroit Diesel Corporation, DDC) liefert eine Leistung von 156 kW (M113A1 und M113A2) bzw. 202 kW (M113A3). Zu den Besonderheiten eines Zweitakt-Dieselmotors geh√∂rt das Roots-Gebl√§se, das f√ľr eine Verdichtung der angesaugten Luft in der Ladeluftkammer sorgt und somit die Leistung verbessert. Die auf 1,5 bar komprimierte Luft gelangt √ľber 18 Einlassschlitze im Zylinder, die beim unteren Totpunkt des Kolbens ge√∂ffnet sind, in den Brennraum und sp√ľlt die Verbrennungsgase √ľber vier Auslassventile in den Abgaskr√ľmmer.

F√ľr Ottomotoren ist diese Bauweise nach heutigem Stand der Technik ungeeignet, da der Otto-Prozess nur f√ľr hochdrehende Motoren sinnvoll ist. Direkteinspritzung gibt es auch. Bei einer Direkteinspritzung sind Abgasemission und Kraftstoffverbrauch geringer.

Geschichte des Zweitaktmotors

Verdichtungsloser, direkt wirkender Zweitakt-Gasmotor von Lenoir, 1861

Die ersten, heute als verdichtungslose bezeichneten Zweitaktmotoren arbeiteten nach einem v√∂llig anderen Prinzip und werden nur deshalb so genannt, weil sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung z√ľndeten ‚Äď wie auch der moderne verdichtende Zweitakter. Im ersten Takt wurde angesaugt und unverdichtet gez√ľndet, im zweiten Takt ausgepufft. Die Gaswechselsteuerung erfolgte mittels Schieber. Versuche von Jean Joseph √Čtienne Lenoir, Siegfried Marcus, und anderen, sie f√ľr mobile Zwecke zu verwenden (zwischen 1860 und 1870), scheiterten nicht zuletzt am ung√ľnstigen Leistungsgewicht. Auch der ber√ľhmte ‚ÄěSylvestermotor‚Äú des Carl Benz von 1879 arbeitete nach diesem Prinzip. Als station√§re Gasmotoren waren solche Maschinen jedoch zu Beginn der zweiten H√§lfte des 19. Jahrhunderts zu Tausenden in Verwendung. Die ‚Äěklassische‚Äú 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 verst√§rkt Zweitaktmotoren eingesetzt, welche nicht mehr die klassischen Nachteile der herk√∂mmlichen Bauart besitzen. Beispiele hierf√ľr 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 √ľberlegen sind.

Tohatsu 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). Dar√ľber hinaus existiert das Envirofit-International-Projekt, bei dem herk√∂mmliche Zweitaktmotoren zu Direkteinspritzern unter Verwendung der Orbital-Einspritzung mit umweltfreundlicheren Abgaswerten umger√ľstet werden. Dies wird durch Austausch des Zylinderkopfes und Nachr√ľstung einer Einspritzung (Bausatz) erreicht. Das Ziel dieses Projektes ist es, die millionenfach in Asien anzutreffenden Leichtkraftr√§der mit herk√∂mmlichen Zweitaktmotoren und damit entsprechenden Umweltproblemen durch eine Umr√ľstung zu umweltfreundlicheren Fahrzeugen zu machen.

Eine Reihe von kleinen Firmen haben funktionsfähige Gegenkolbenmotoren entwickelt oder sind dabei, sie zu entwickeln, um deren potenziell geringeren Verbrauch nutzbar zu machen.

Ungew√∂hnlich ist die Bauweise des Pivotalmotors, der es mit wassergek√ľhltem Pivotal-Kolben und Direkteinspritzung (aktuell Entwicklung mit Orbital-System) erm√∂glicht, die Sp√ľlverluste auf ein Minimum zu reduzieren und mit Gemischen von bis zu 1:300 gegen√ľber herk√∂mmlichen Kolbenanordnungen (i.d.R. 1:50 - 1:100) zu arbeiten.

Ein Zweitaktmotor, der geschmiert wird wie ein Viertakter und keine Sp√ľlverluste mehr hat, ist der Kolbenladermotor von Helmut Kottmann. (Ein Kolbenlader l√§dt einen Zweitakter und regelt gleichzeitig Einlass und Auslass)

Literatur

  • Christian Rieck: Zweitakt-Motoren-Tuning. Eschborn 2004, ISBN 3-924043-25-6. (erkl√§rt die Funktionsweise des Zweitaktmotors und M√∂glichkeiten zur Leistungssteigerung)
  • W. A. Doernhoeffer: Zweitakt-Praxis. 3. Auflage. Christian-Rieck-Verlag, Eschborn 2004, ISBN 3-924043-19-1. (dieses Buch erschien unter dem Originaltitel Zweitakt-Praktikum ‚Äď Betriebs-Taschenbuch f√ľr 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

  1. ‚ÜĎ Richard von Basshuysen: Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. Vieweg+Teubner Verlag, 2007, S. 440ff.
  2. ‚ÜĎ Zwei-Takt-Motor ~Schmierung. auf motorlexikon.de
  3. ‚ÜĎ Membransteuerung - und wieder Yamaha. In: H. H√ľtten: Schnelle Motoren ‚Äď Seziert und frisiert. 6. v√∂llig neu bearbeitete Auflage. R. C. Schmidt, Braunschweig 1977, ISBN 3-87708-060-X, S. 252-253.
  4. ‚ÜĎ Cornel Stan: Alternative Antriebe f√ľr Automobile. Springer-Verlag, Berlin u.a. 2008, ISBN 978-3-540-76372-7, S. 126.
  5. ‚ÜĎ G. Merker, Chr. Schwarz, G. Stiesch, F. Otto: Verbrennungsmotoren. 2. Auflage. Teubner, Stuttgart u.a. 2004, ISBN 3-519-16382-9.

Weblinks

 Commons: Zweitaktmotoren ‚Äď Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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