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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. Es gibt aber auch große Zweitakt-Dieselmotoren für LKWs, Schiffe und Flugzeuge.
Inhaltsverzeichnis |
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 thermodynamischen Prozessen:
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:
2. Takt – Arbeiten, vorverdichten, überströmen und auslassen:
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 (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.
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 2. 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.
Steuerung durch einen Kolben: Werden Ein- und Auslass durch nur einen Kolben gesteuert, schließt sich der Auslass immer später als der Einlass - eine Aufladung ist nicht möglich. Es gibt hierbei die folgenden Spülungsvarianten:
Steuerung durch zwei Kolben oder einen Kolben und Ventile: Wird der Auslass extra gesteuert gibt es die
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]
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 - 80 % der Energieabgabe pro Arbeitstakt. Hierdurch allein entstehen eine Reihe von Vorteilen:
Für den klassischen Otto-Zweitakter ist noch anzuführen:
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:
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.
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.
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 sind Zweitaktmotoren in der Dieselausführung bei Schiffen, Lokomotiven und Notstromgeneratoren – in der Benzinausführung (Ottoprozess) bei Kleinfahrzeugen mit 50 cm³, Rasenmähern, Benzin-Kettensägen, Kartsport, Rollern (Scootern), Schiffs-, Flugzeugmodellen und Modellautos. Die Zweitakter-Großdieselmotoren von Schiffen gehören wegen ihres hohen Wirkungsgrades zu den wirtschaftlichsten Wärmekraftmaschinen schlechthin.
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:
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.
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.
Die ersten, heute als verdichtungslose oder atmosphärische bezeichneten Zweitaktmotoren 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, 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.
Eine weitere Bauform ist der Gegenkolbenmotor mit zwei Kolben pro Zylinder, die gegeneinander laufen und an den äußeren Enden des Zylinders liegende Ein- und Auslassschlitze freigeben. So kann eine Gleichstromspülung und ein sauberer Gasaustausch über alle Drehzahlen erreicht werden. Durch zeitliche Versetzung der Ein- und Auslassöffnung ist Aufladung möglich. Die thermischen Verluste und die Brennraumform sind günstiger als beim Standard-Zweitakter.
Ebenfalls 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.
Aktuell erlebt der Zweitaktmotor eine gewisse Renaissance. Besonders im Bereich Bootsmotoren, etwa bei Jet Ski oder auch im Ultralightflug 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 (Two stroke Low pressure Direct Injection)-System ebenfalls auf Zweitaktmotoren bei Bootsmotoren. Yamaha hat das sogenannte HDPI (High Pressure Direct Injection)-System. 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.
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Zweitaktmotor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Die hier sichtbare Version wurde zuletzt am 17.10.2009 modifiziert und kann von Original abweichen.
