Zweitaktmotor

Ein Zweitaktmotor ist ein Hubkolben-Verbrennungsmotor, der die zur Leistungserzeugung erforderlichen Arbeitsschritte im Gegensatz zum Viertaktmotor während einer Umdrehung der Kurbelwelle bewältigt. Ein Takt ist die Bewegung des Kolbens von einem sogenannten Totpunkt zum anderen; die Kurbelwelle führt daher während eines Taktes eine halbe Umdrehung aus.

Umgangssprachlich bezeichnet der Begriff „Zweitakter“ einen ventillosen Ottomotor, dessen Schmierung durch ein Benzin-Öl-Gemisch erfolgt, das im Arbeitstakt verbrannt wird. Es gibt aber auch Zweitakt-Dieselmotoren, die allerdings nur noch im Schiffbau Verwendung finden.

Zweitakter sind prinzipiell einfacher konstruiert und erreichen eine höhere spezifische Leistung als Viertaktmotoren. Allerdings müssen sie über den Kraftstoff geschmiert werden; so wird immer auch Schmierstoff verbrannt, was zu hohen Schadstoff-Emissionen im Abgas führt. Auch der Verschleiß ist i. d. R. höher.

Allgemeine Prinzipien

Alle Zweitakter haben unabhängig von ihrer Bauart folgenden Prozessablauf:

1. Takt: Arbeit

Das Brennstoffgemisch wird gezündet und bewegt den Kolben vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT). Hierbei gibt es keinen Unterschied zum Viertakter. Die Besonderheit des Zweitakters liegt im anschließenden 2. Takt.

2. Takt: Ausspülen, befüllen, verdichten

Während der Kolben zum oberen Totpunkt zurückkehrt, wird das Abgas mit Frischgas ausgespült und gleichzeitig der Zylinder befüllt. Ist das Abgas aus dem Arbeitsraum, wird der Auslass geschlossen und die Verdichtung beginnt. Schließlich zündet das Gemisch, und der erste Takt beginnt wieder. Um ein positives Spülgefälle zu erzeugen, ist eine Spülpumpe erforderlich. In der einfachsten Bauform wird hierzu das Kurbelgehäuse verwendet, aus dem der Brennraum über Überströmkanäle befüllt wird. Die Steuerung erfolgt hierbei meist vom Kolben selber, indem dieser Aus- und Einlasskanal sowie die Überströmkanäle überfährt und so öffnet oder schließt. Alternativ kommen externe Spül- (Pressluft, Kompressor, Turbolader) und Steuer-Mechanismen (Drehschieber, Membran) zur Anwendung.

Vor - und Nachteile des Zweitaktprinzips

Vorteile des Zweitakters gegenüber dem Viertakter

Der Arbeitsverlust der Ansaug- und Verdichtungstakte (Leerhub) entfällt; bei jeder Kurbelwellenumdrehung findet ein Arbeitstakt statt.
Im Vergleich zum Viertakter kann mit demselben Hubraum die beinahe doppelte Arbeit geleistet werden. Dadurch ergibt sich ein potentiell niedrigeres Leistungsgewicht. Wobei aber der effektive Hub berücksichtigt werden muss, denn der Zweitakter verdichtet erst nach dem Schließen der Schlitze. Bei gleicher Literleistung erreicht der Zweitakter somit ca. 40 - 60 % mehr Drehmoment als ein Viertakter.
Einfachere Motorsteuerung, da auf Ventile entweder ganz verzichtet werden kann oder diese wesentlich einfacher zu koordinieren sind, da der Austoss- und Ansaugetakt entfällt. Damit entfallen auch Kosten, Volumen und Gewicht für die Ventilsteuerung.

Nachteile des Zweitakters

Die Befüllung muss entweder über externe Mechanismen (Spülgebläse) oder die Kurbelkastenpumpe geleistet werden.
Schlechtere Befüllung der Zylinder (Spülverluste), was nur bei sehr langsamen Drehzahlen nicht ins Gewicht fällt. Abwechselnd Füllungsminima und -maxima in Verbindung mit der Kurbelgehäusepumpe (dies fällt bei fremdgespülten Motoren weg).
Bei höheren Drehzahlen eine größere thermische Belastung des Kolbens und der Zündkerze, da die kühlenden Ansauge- und Verdichtungstakte fehlen.
Bei Schlitzsteuerung hohe thermische Belastung im Bereich des Auslassschlitzes.
Schieberuckeln
Schlechtes Abgasverhalten, hoher Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (hoher HC-Wert).
Verlustölschmierung.
Druckumlaufschmierung nur mit einem drucklosen Kurbelgehäuse möglich, erfordert deshalb ein Spülgebläse.
Schmierung bei geringen Drehzahlen problematisch, da die Temperatur nicht hoch genug wird.

Auf Grund dieser Charakteristika kommt der Zweitakter heute nur noch dort zur Anwendung, wo Kosten, Baugröße oder Gewicht wichtiger sind als der Wirkungsgrad.

Bauweise des klassischen Zweitakt-Benzinmotors

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 durch die untere Kolbenkante (oder durch die Membrane) wird das Gemisch vorverdichtet.
Überströmen - Danach werden durch die obere Kolbenkante die Überströmkanäle geöffnet, und das vorverdichtete Gas strömt in den Brennraum. Es erfolgt die Spülung des Brennraumes, bei der Abgas durch Frischgas ersetzt wird.
Verdichten - Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt; durch die obere Kolbenkante werden zuerst die Überströmkanäle, dann der Auslass verschlossen. Danach erfolgt durch die weitere Hubbewegung die Verdichtung des Gemisches.
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 durch die obere Kolbenkante geöffnet; die Abgase können entweichen.

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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 der Überströmkanal, später die Auslassöffnung 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.
- 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. Durch die Temperaturerhöhung steigt der Druck im Brennraum. 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-Funktion 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 des Schließens der Kanäle erfolgt meist durch den Kolben, kann aber auch durch Drehschieber und Membranen erfolgen.

Der Zweitaktmotor ist ein Resonanzsystem, dessen Leistungsentfaltung von den Schwingungseigenschaften der verwendeten Gase abhängig ist. Bereits beim Ansaugvorgang 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 kann die Schwingung der Abgase durch geeignete Gestaltung der Auspuffanlage besonders effektiv genutzt werden. Sobald der Kolben den Auslass-Schlitz freigibt, strömen die Abgase in den Auspuff. Bei Erfüllung der Resonanzbedingung (bei der richtigen Drehzahl) entsteht an der Auslassöffnung durch den nachfolgenden Diffusor eine Unterdruckwelle, die den Spülvorgang unterstützt. Das Gemisch, das zuviel angesogen wurde und nun unverbrannt im Auspuff ist, wird von dem Gegenkonus wieder zurückgedrückt; somit werden die Verluste gemindert (Resonanzauspuff). Die Länge des Auspuffs in Verbindung mit der Höhe des Auslass-Schlitzes entscheidet 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.

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.

Vorteile des klassischen Zweitakt-Ottomotors

Sehr einfache Bauweise: Der Motor hat weniger bewegte Teile als etwa ein Viertakter und ist dadurch robuster („was nicht da ist, kann nicht kaputtgehen“) und auch wartungsfreundlicher
Geringere bewegte Masse: Dies hat den positiven Effekt eines geringeren Drehimpulses. Dies ist unter anderem bei MotoCross-Motorrädern interessant, wo Zweitaktmotoren eine höhere Beweglichkeit im Sprung ermöglichen, nicht zuletzt auch durch das niedrigere Leistungsgewicht gegenüber dem Viertaktmotor.
Lagenunempfindlichkeit: Die bei Zweitaktern gebräuchliche Schmierung über das Gemisch ist bei Motoren von Vorteil, die oft ihre Lage ändern.
Die geringeren thermischen Belastungen für das Motoröl machen den Einsatz von gut verbrennbaren, niedrig legierten, biologisch abbaubaren Ölen möglich.
Drehfreudigkeit: Otto-Zweitakter erreichen sehr schnell hohe Drehzahlen und damit auch schnell ihre Maximalleistung. Auch dies macht sie für insbesondere für hubraumkleine Motorräder interessant.

Nachteile des klassischen Zweitakt-Ottomotors

Umweltbelastung: Da der Zweitakter sein Öl verbrennt, sind die Abgaswerte deutlich schlechter als die von vergleichbaren Viertaktmotoren
Schlechte Spülung: Speziell bei der Auslegung als Ottomotor kommt es zu sogenannten Spülverlusten 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 Jahre 1925 entwickelte Adolf Schnürle die Umkehrspülung, die die Frischgasverluste minimierte. Die Vermeidung von Spülverlusten führt aber dazu, dass Abgas im Brennraum zurückbleibt. Die schlechte Spülung ist auch verantwortlich für den sehr schlechten Wirkungsgrad der Otto-Zweitakter
Thermische Belastung: Ein weiterer Nachteil bei Otto-Zweitaktmotoren ist die höhere thermische Belastung von Kolben und Zylinder durch die "doppelte" Zündfolge. Dies führt vor allem bei Hochleistungs-Zweitaktmotoren häufig zu den sogenannten „Spardosen-Kolben“, welche in Folge thermischer Überlastung ein eingebranntes Loch im Kolbenboden aufweisen.
Hohe thermische Belastung im Bereich des Auslassschlitzes.
Schieberuckeln

Es gibt verschiedene Ansätze, die oben angegebenen Probleme zu lösen: Angefangen von Motoren mit Drehschieber- oder Membransteuerungen bei der Motorsteuerung über die Getrenntschmierung mittels extra lastabhängig dosierter Schmierstoffzuführung bis hin zu modernen direkteinspritzenden Zweitaktmotoren.

Leistungssteigernde Konstruktionslösungen

Weil die Gasschwingungen im normalen Zweitakt-Ottomotor selbständig entstehen, ergeben sich zwangsläufig Nachteile gegenüber Viertakt-Ottomotoren, bei denen die Gasschwingungen durch die Ventile gesteuert werden. Um diesen Problemen entgegen zu treten, haben verschiedene Hersteller eine Reihe von leistungssteigernden Maßnahmen ergriffen.

Verdichtungssteigerung - Je höher die Verdichtung eines Motors, desto besser sein Wirkungsgrad. Das maximale Verdichtungsverhältnis für Zweitakt-Ottomotoren liegt allerdings zwischen 12:1 und 15:1, bei höheren Werten neigt der Motor zu thermischer Überlastung und Selbstzündungen.
Resonanzauspuff - Wenn der Auspuff aus Konus, Mittelstück und Gegenkonus besteht, spricht man von einem Resonanzauspuff. Je kürzer der Abstand zwischen Konus und Gegenkonus gewählt wird, desto höher liegt die Resonanzdrehzahl des Motors. Je steiler Konus und Gegenkonus zulaufen, desto genauer kann der Motor auf eine bestimmte Resonanzdrehzahl getrimmt werden. Der Nachteil dieser beliebten Maßnahme liegt darin, dass der Motor besonders bei niedrigen Drehzahlen leistungsschwächer wird.
Drehschieber-Steuerung - Sie wurde konzipiert, um die einlassseitigen Gasschwingungen in einem breiteren Bereich als durch die Kolbenbewegung erzwungen 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 eine Membran angebracht. Sie erfüllt die Funktion eines Rückschlagventils und sorgt so für eine bessere Füllung des Kurbelgehäuses (und damit auch des Brennraums). Der Nachteil dieser Membran liegt jedoch darin, dass das einströmende Frischgas nun einem Strömungswiderstand ausgesetzt ist. Um dem entgegenzutreten, wird bei Motoren mit Einlassmembran 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 Frischgasgemisches, da dieses bei jedem Vergaserdurchlauf mit Treibstoff angereichert wird. Dieses Problem lässt sich dadurch lösen, dass der Kanal entlüftet wird: zwischen Vergaser und Einlasskanal wird ein Schlauch angebracht, der in einen leeren, geschlossenen Behälter mündet. Dieser Behälter dämpft die Schwingungen der Frischgassäule.
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. Bei richtiger Dimensionierung bewirkt diese Maßnahme eine Erhöhung der Resonanzdrehzahl; das Drehzahlband wird spitzer und verschiebt sich in höhere Drehzahlregionen.
Auslasssteuerung - Beim Zweitakt-Ottomotor hat die Auslasssteuerung die Aufgabe, die Höhe des Auslass-Schlitzes 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.
Kurbelgehäuseoptimierung - Je kleiner das Volumen des Kurbelgehäuses ausgelegt ist, desto höher ist auch die Pumpleistung des Kolbens (bessere Füllung). Bei Serienmotoren ist dies automatisch gegeben, da die Wuchtgewichte der Kurbelwelle bereits den meisten Raum des Kurbelgehäuses ausfüllen. Da der Effekt dieser Maßnahme nur mäßig ist, wird nur bei Hochleistungsmotoren auf die Minimierung des Kurbelgehäusevolumens Wert gelegt.

Abschließende Betrachtung

Ob Zweitakter noch zeitgemäß sind, führt regelmäßig zu hitzigen Diskussionen. Fakt ist, dass Zweitaktmotoren bei gleichem Hubraum leistungsstärker, leichter und kostengünstiger herzustellen sind, aber auch mehr Kraftstoff verbrauchen und mehr Schadstoffe ausstoßen. Um die Nachteile ansatzweise auszugleichen ist allerdings aufwändige Technik (elektron. Direkteinspritzung, komplizierte Ein- und Auslass-Steuerung) nötig, so dass kostenseitig kein wirklicher Vorteil gegenüber einem Viertakter mehr verbleibt. Folglich findet man zulassungsfähige Zweitakt-Motorräder am Markt nur noch in der Klasse bis 125 cm³, hubraumgrößere Motorräder sind mittlerweile ausnahmslos Viertakter.

Literatur

Christian Rieck: Zweitakt-Motoren-Tuning, Eschborn, 2004, ISBN 3-924043-25-6 (Erklärt die Funktionsweise des Zweitaktmotors und Möglichkeiten zur Leistungssteigerung)

Weblinks

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