Zweitaktmotor

Schematische Darstellung eines membrangesteuerten Otto-Zweitaktmotors

Ein Zweitaktmotor ist ein Kolben-Verbrennungsmotor, der für den thermodynamischen Kreisprozess im Gegensatz zum Viertaktmotor mit vier Takten nur die namensgebenden zwei Takte benötigt.

Verdichtungsloser, direkt wirkender Zweitakt-Gasmotor von Lenoir, 1861

Umgangssprachlich bezeichnet der Begriff „Zweitakter“ einen ventillosen Ottomotor mit Gemischschmierung und Zündkerze, der einfach, kostengünstig und leicht ist. Beispiele der Anwendung des Zweitaktmotors sind Motorräder, Mopeds, Motorroller und die Mehrzahl der Karts. Im Bereich der Personenkraftwagen fand der Zweitakter Anwendung bei z.B. bei DKW, Saab 93, Saab 96, Trabant und Rollermobilen.

9-Zylinder Zweitakt-Reihen-Dieselmotor von Sulzer

Es gab jedoch auch große Zweitakt-Dieselmotoren für Lokomotiven, LKW, Flugzeuge, Schiffe und Boote. Die Zweitakter-Großdieselmotoren als Antrieb für Schiffe oder Generatoren zählt man aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades zu den wirtschaftlichsten Wärmekraftmaschinen schlechthin. Im großen Umfang wird der Zweitaktmotor heute noch bei Außenbordmotoren, Kettensägen und anderen tragbaren Geräten wie Motorsensen, Rasentrimmern oder Laubgebläsen verwendet, die zum einen leicht sein sollen, zum anderen die lageunabhängige Schmierung des Zweitakters benötigen.

Geschichte des Zweitaktmotors

Vorgeschichte

Die ersten, heute als verdichtungslos bezeichneten Zweitaktmotoren arbeiteten nach einem 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. Der „ortsfeste“ Zweitaktmotor System Benz wurde ab 1881 bei der Mannheimer Gasmotorenfabrik gebaut und in Tausenden von Exemplaren hergestellt.

Scott-Zweitaktmotor von 1912

Anfänge

Dugald Clerk gilt als der Erfinder des Zweitaktmotors. Um das Patent von Nikolaus Otto zu umgehen, entwickelte er 1878 einen Motor, der für die Arbeitstakte nur eine Kurbelwellenumdrehung benötigte. Dieses Motorprinzip wurde erstmals 1887 im Petrol-Cycle von Edward Butler zum Antrieb eines Kraftwagens verwendet. Alfred Angas Scott konstruierte 1904 erfolgreich einen Zweizylinder-Zweitaktmotor. 1908 baute er eine weiterentwickelte Version in ein Motorrad ein und gründete die Scott Motor Cycle Company, die fortan Zweitaktmotorräder herstellte. Hugo Ruppe entwickelte vor dem Ersten Weltkrieg den Zweitaktmotor weiter; seine Patente gingen an DKW, die den Zweitaktmotor in großen Stückzahlen fertigte. Ein weiterer Entwicklungsschritt erfolgte mit der patentierten Umkehrspülung von Adolf Schnürle, die ab 1932 die Querstromspülung und den Nasenkolben-Zweitakter ablöste.

Arbeitsweise

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

Erster Takt: Verdichten

• Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Gas (Brennstoff-Luft-Gemisch) verdichtet, wobei es nahezu keine Wärme mit der Umgebung austauscht (isentrop). Dabei erhöht sich die Temperatur des Gases analog zum Druckanstieg durch die Verdichtung.

• Kurz vor dem Oberen Totpunkt wird bei Ottomotoren das Brennstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündkerze gezündet. Es verbrennt so schnell, dass der 'Kolben sich fast nicht weiterbewegt, das Volumen bleibt nahezu konstant (isochore Wärmezufuhr) Beim Diesel-Zweitaktmotor dauert die Verbrennung des erst dann eingespritzten Dieselöls etwas länger, der Druck bleibt annähernd gleich (isobare Wärmezufuhr). In jedem Fall entsteht ein hoher Druck.

Zweiter Takt: Arbeiten

• Das heiße Gas wird durch den zurückweichenden Kolben expandiert und kühlt sich dadurch ab, Wärme wird in mechanische Energie umgewandelt.

• In der Nähe des unteren Totpunktes öffnen sich Aus- und Einlassöffnungen, und das Abgas entweicht durch seinen Restdruck. Dies kann durch das Öffnen von Ventilen oder das Freigeben der Öffnungen durch den Kolben geschehen. Der Rest wird durch das einströmende Frischgas ausgespült. Das Frischgas kann Benzin-Luft-Gemisch sein oder Luft (bei Einspritzmotoren).

Auf dem Weg des Kolbens zum oberen Totpunkt werden Ein- und Auslassöffnungen wieder verschlossen, der Kreisprozess beginnt wieder mit dem Verdichten. Für die Spülung muss das Frischgas (entweder Gemisch oder Luft) unter Druck stehen. Um diesen zu erzeugen, wird entweder das Kurbelgehäuse als Pumpe benutzt oder ein besonderer Ladelüfter verwendet.

Der Prozessablauf des Zweitaktmotors nähert dabei den idealen Otto-Kreisprozess bzw. Diesel-Kreisprozess nur an, das Gas tauscht Wärme mit der 'Umgebung aus, die Verbrennung dauert eine gewisse Zeit. Die Abweichungen werden durch den Gütegrad beschrieben.

Technische Grundsätze

Spülung

Das Ziel der Spülung ist, in der kurzen Zeit, in der Ein- und Auslassöffnungen frei sind, das verbrannte Gemisch durch Luft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zu ersetzen. Hierbei soll einerseits möglichst wenig Restgas im Zylinder bleiben, andererseits aber auch möglichst wenig Luft bzw. Gemisch durch den Auslass herausgeblasen werden.

Es gibt drei Varianten der Lage der Ein- und Auslasskanälen und der Formgebung der Kolben.

Querstromspülung

Querstromspülung

Aus- und Einlasskanal liegen einander gegenüber und werden beide vom Kolben freigegeben und geschlossen. Dabei öffnet sich der Auslass zuerst und schließt sich zuletzt. Der Kolben muss so geformt sein, dass der Einlassstrom in Richtung Zylinderkopf umgelenkt wird, um diesen Bereich auch zu spülen; dies geschieht z.B. mit einem Nasenkolben.

Gleichstrom- oder Längsspülung

Aus- und Einlasskanal liegen an entgegengesetzten Enden des Zylinders. Das Frischgas strömt nicht vom Kolben zum Zylinderkopf und wieder zurück, sondern nur in eine Richtung. Das Freigeben der Öffnung kann über ein angesteuertes Ventil am Zylinderkopf erfolgen oder, beim Gegenkolbenmotor, über den anderen Kolben. Diese Spülungsvariante erlaubt als einzige die Aufladung des Motors, da hier der Auslass früher als der Einlass geschlossen werden kann. Auch bei großem Hubraum ist eine gute Spüleffizienz erreichbar.

Schnürle-Umkehrspülung

Umkehrspülung

Bei dieser von Adolf Schnürle 1925 entwickelten Variante, münden zwei Überströmkanäle tangential in den Zylinder. Auslasskanal und Überströmkanäle liegen auf einer Zylinderseite. Die beiden Gasströme der Überströmkanäle treffen zusammen, richten sich aneinander auf und kehren im halbkugelförmigen Brennraum des Zylinderkopfs um. Das Aufeinandertreffen der beiden tangential eingeschossenen Frischgasströme bewirkt die Umlenkung in Richtung Zylinderkopf. Auch hier werden beide Öffnungen vom Kolben freigegeben und geschlossen. Der Frischgasverlust ist gegenüber der Querstromspülung geringer und der Kolbenboden ist flacher. Bei der ersten Umkehrspülung gab es nur zwei Überstömkanäle, später wurde das System mit Haupt- und Nebenkanälen entwickelt, das in den 1980er-Jahren bis zu acht Überströmkanälen führte. Die Umkehrspülung ist bis heute Stand der Technik beim modernen Zweitaktmotor.

Steuerzeiten

• Querstromspülung: Überströmen von 70° vor UT bis 60° nach UT, Auspuff von 70° vor UT bis 70° nach UT
• Gleichstromspülung: Überströmen von 35° vor bis 85° nach UT, Auspuff von 54° vor bis 56° nach UT
• Umkehrspülung: Überströmen von 50° vor bis 50° nach UT, Auspuff von 65° vor UT bis 65° nach UT

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

Arbeitsweise eines Zweitaktmotors mit Membran-Einlasssteuerung und Resonanzauspuff (blau: Luft, grün: Benzin-Luft-Gemisch, grau: Abgase)

Der Zweitaktmotor ist ein Resonanzsystem, dessen Leistungsentfaltung von den Schwingungseigenschaften der verwendeten Gase abhängig ist (Trägheit). 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, 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 dass 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 sich 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. herausgesaugt 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.

Schmierung

Zapfsäule für Zweitaktmischung

Mischungsschmierung

Bei der Mischungsschmierung handelt es sich um eine Verlustschmierung, bei der Öl zum Kraftstoff zugemischt wird. Dadurch wird beim Verbrennungsvorgang der Ölbestandteil mit verbrannt. Nachteilig ist die beim Verbrennungsvorgang entstehende Ölkohle, die sich im Arbeitsraum sowie in der Auspuffanlage ablagert und die Leistung des Motors beeinträchtigt. Die Entfernung der Ablagerungen in der Auspuffanlage kann durch „Ausbrennen“ oder chemische Auflösung vorgenommen werden. Bis in die 1970er Jahre fuhren Rennmotorräder mit einem Mischungsverhältnis von 1:20. Für normale Motorräder oder Roller war das Verhältnis 1 (Öl):25 (Benzin) lange Jahre üblich; so auch beim ersten Modell des Trabant P50. Auch heutige Kettensägen werden noch mit diesem Mischungsverhältnis geschmiert. Durch die Verwendung von Hochleistungsölen wurde das Öl-Verhältnis bei Motoren mit Mischungsschmierung im Laufe der Jahre von 1:33 (z.B. Trabant P50) auf 1:50 (z.B. Trabant 601) reduziert.

Getrenntschmierung

Die Getrenntschmierung wurde im Motorradrennsport entwickelt, bei Serienmotorrädern von Suzuki im Jahre 1972 eingeführt. Bei der Getrenntschmierung wird das Öl von einem separaten Behälter von einer Dosierpumpe entweder in den Ansaugstutzen des Vergasers geleitet (Yamaha „Autolube-System“) oder direkt an die Schmierstellen (Lager, Zylinderwände) befördert (Suzuki, Kawasaki), was faktisch einer Ölsumpfschmierung entspricht. Die Pumpe befördert das Öl lastabhängig (durch die Stellung des Gasgriffs). Bei Volllast erreicht das „Autolube-System“ ein Mischungsverhältnis von 1:20, bei Leerlauf 1:150. Ein ähnliches System wie Yamaha entwickelte DKW für den Pkw-Motor; dabei wurde das Öl in die Vergaserschwimmerkammer zugeführt und dort vermischt.

Steuerungsverfahren

Einlasssteuerung

Kolbenkantensteuerung

Dies ist die weitaus verbreitetste Form, kostengünstig und mechanisch einfach, die vor allem bei kleinen Motoren verwendet wird. Die Kolbenoberkante gibt in der Nähe des unteren Totpunktes die Überström- und Auslassöffnung in der Zylinderwand frei. Die Kolbenunterkante gibt in der Nähe des oberen Totpunktes den Einlass in das Kurbelgehäuse frei. Vorteil ist hierbei die Öffnung und Schließung des Einlasses, der Überströmkanäle und des Auslasses ohne zusätzliche mechanische Bauteile.

Drehschiebersteuerung

Der Plattendrehschieber wie wir ihn heute kennen wurde in den 50er Jahren von Daniel Zimmermann erdacht und in der DDR patentiert. Hierbei wird der Einlass in das Kurbelgehäuse durch eine auf der Kurbelwelle angebrachte Scheibe geöffnet und verschlossen. Der Vorteil gegenüber kolbenunterkantengesteuerten Motoren ist die Möglichkeit, den Öffnungszeitpunkt unabhängig vom Schließzeitpunkt (asynchron) zu steuern. Siehe auch: Schiebersteuerung bei Zweitaktmotoren

Membransteuerung

Der erste membrangesteuerte Zweitaktmotor war der 350 cm³ Hubraum große Motor des österreichischen Motorrad-Herstellers Titan von 1928. Ingenieur Karl Schüber war der Konstrukteur der Einlasssteuerung mit einem 4-Blatt-Membraneinlass. Das Membranventil, als Zungenventil ausgelegt, wurde am Einlasskanal angebracht, das bei Unterdruck im Kurbelgehäuse öffnet und bei Überdruck schließt. Der Vorteil war die automatische Anpassung an die Strömungsverhältnisse bei allen Drehzahlen. Der zuverlässige Arbeitsbereich dieses Membranventils endete bei einer Drehzahl von maximal 5.000 min⁻¹.

Die schwachfedernde und massearme Membran (auch Zungenventil genannt) öffnet schon bei geringem Unterdruck und schließt schlagartig bei erreichtem Druckausgleich; sie verhindert Zurückblasen und passt sich einem breiten Drehzahlband an. Ein grundlegender Unterschied zwischen einem vom Unterdruck geöffneten Steuerorgan und einem vom Arbeitskolben freigegebenen Schlitz besteht im (relativ) sanften Abheben der Membranen oder Ventile gegenüber dem raschen Öffnen zur Kurbelkammer, in der schon ein nennenswerter Unterdruck herrscht. Das dadurch verschärfte Ansauggeräusch fällt bei Rennmotoren nicht in die Waagschale, wohl aber im Alltag.

1971 entwickelte Yamaha das Membranventil neu, indem die Membranzungen nun eine Dachform aufwiesen. Dadurch wurde ein verhältnismäßig großer Durchflußquerschnitt erreicht. Der Kolben verschließt zunächst den zur Membrane führenden Weg, der Kurbelhausdruck sinkt und reißt die Membranzungen plötzlich auf, wesentlich weiter und wirksamer, auch zum Anfachen der gewünschten Schwingungen. Da der Ansaugkanal außerdem als (fünfter) Überströmkanal dient, erzeugen die nach oben strömenden Frischgase hinter den Membranzungen einen statischen Unterdruck – je schneller, um so stärker – und saugen ein zusätzliches Quantum Frischgas an, direkt vom Ansaugweg in den Arbeitszylinder.

Dieses Prinzip erlaubte es schließlich, sämtliche Serienmotoren ungeachtet dreistelliger Literleistungen mit Membranen und besserem Drehmomentverlauf auszustatten. Das Zungenventil arbeitet bis zu einer Drehzahl von 8.000 min⁻¹ zuverlässig. Neueste Technologie ersetzt die Metall-Membranzungen durch glasfaserverstärkte als auch aus Carbonfasern bestehenden Membranzungen. Daneben konnte die Massenträgheit gegenüber Metall-Membranplättchen verbessert werden. Ein weiterer positiver Nebeneffekt des membrangesteuerten Motors sind deutlich bessere Verbrauchswerte.

Direkteinspritzung

Im Pkw-Modell Superior des Herstellers Gutbrod wurde 1950 erstmals eine Benzineinspritzung von Bosch im Zweitaktmotor verbaut. Die NSU Motorenwerke stellten in den 1950er Jahren Versuche mit Benzineinspitzung an Motorradmotoren an. Motobécane entwickelte 1974 eine Benzineinspritzung in den Ansaugkanal an ihrem Dreizylinder-Zweitaktmotorrad zur Serienreife. 1996 stellte Bimota mit der 500 Vdue einen Zweizylinder-Zweitaktmotor mit Benzineinspritzung vor, Aprilia folgte im Jahre 2001 mit dem 50 cm³-Roller SR 50 DiTech mit Benzindirekteinspritzung.

Auslasssteuerung

Die erste Form der Auslasssteuerung stammt von Yamaha, durch eine Veränderung der Öffnungsdauer des Auslasskanals. Dabei wurde mittels eines kleinen Walzendrehschiebers der gesamte Öffnungsquerschnitt des Auslasskanals nur bei höheren Drehzahlen freigegeben. Das erste Yamaha-Power-Valve-System (YPVS) erschien 1978 rein mechanisch gesteuert bei der OW35–Rennmaschine von Yamaha, die elektronische Steuerung erfolgte ab 1983 auch in Serienmotoren bei dem Modell RD 350 LC YPVS. Bei der Version von Suzuki (Suzuki Intake Power Chambre) wird mittels Walzdrehschieber bei niedrigen Drehzahlen eine zusätzliche Resonanzkammer geöffnet; so auch beim System von Kawasaki (Kawasaki Integrated Power-Vavle). Bei der Auslasssteuerung von Honda (Autocontrol Torque Amplification Chamber, kurz ATAC) wird bei niedrigen Drehzahlen das Auspuffvolumen vergrößert (Beispiel Honda NS 400R). Der Füllungsgewinn der Auslasssteuerung erreicht zwischen 20 und 40 % gegenüber der ungesteuerten Version.

Sonderbauarten

Doppelkolbenmotor

Doppelkolbenmotor

Beim Doppelkolbenmotor arbeiten zwei Kolben in einem gemeinsamen Brennraum, was den Vorteil hat, dass ein Kolben die Einlass- und der andere die Auslassöffnung steuern kann. Man erreicht dadurch:

• Gleichstromspülung, d.h. besseren Gasaustausch
• Aufladbarkeit, weil man den Auslass früher schließen kann als den Einlass (siehe DKW ULD 250)
• Größere, strömungsgünstigere Ein- und Auslassöffnungen, da man jeweils den kompletten Zylinderumfang nutzen kann

Es gibt zwei Hauptvarianten:

• Das Gabelpleuel mit Haupt- und Nebenpleuel hält die Kolben neben- (System Triumph) oder hintereinander (System Puch)
• Das Knickpleuel oder Anlenkpleuel nach dem Patent von Arnold Zoller.

moderner Gegenkolbenmotor

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, nämlich Gleichstromspülung und Aufladbarkeit. Großdieselmotoren sind meist Ventilmotoren.

Rennsport

Formel 1

Theoretisch erreicht der Zweitaktmotor bei gleichen Voraussetzungen (Hubraum) die doppelte Leistung eines Viertaktmotors. In der Praxis erreicht er dies durch den geringeren Mitteldruck nicht. Das Reglement der Formel 1 verbietet seit 1984 den Einsatz von Zweitaktmotoren; 1934–37 war in der Vorläuferklasse nur das Fahrzeuggewicht auf 750 kg limitiert, sodass es Versuche gab, mit aufgeladenem Doppelkolbenmotor an der Rennserie teilzunehmen.

Motorradsport

Erst der Zweitaktmotor von Alfred Angas Scott war gegenüber dem Viertaktmotor konkurrenzfähig. 1912 und 1913 gewannen Scott-Zweitakt-Motorräder die Rennen der 500 cm³-Klasse der Isle of Man TT auf dem Snaefell Mountain Course. 1932 erschienen die ersten Rennmotorräder mit Doppelkolbenmotor von DKW; später mit Ladepumpe. Das erfolgreichste Modell in der Klasse bis 250 cm³ Hubraum war vor dem Zweiten Weltkrieg die nahezu unschlagbare DKW ULD 250. Die 1949 eingeführte Motorrad-Weltmeisterschaft dominierten Zweitaktmotoren in den Klassen bis

Honda NSR500 Motor

• 50 cm³: von 1962 bis zur Auflösung der Klasse 1983; unterbrochen nur in der Saison 1965 von Honda mit Viertaktmotor.
• 80 cm³: von 1984 bis zur Auflösung der Klasse 1989
• 125 cm³: von 1967 bis zur Auflösung der Klasse und dem Verbot des Zweitakters 2011
• 250 cm³: von 1968 bis zur Auflösung der Klasse und dem Verbot des Zweitakters 2009
• 350 cm³: von 1974 bis zur Auflösung der Klasse 1982
• 500 cm³: von 1975 bis zur Auflösung der Klasse und dem Verbot des Zweitakters 2001. Der letzte 500 cm³-Zweitakter war der Seriensieger ab der Saison 1994, die Honda NSR500, deren letzte Ausbaustufe mit wassergekühltem 60 Grad-V-Motor und Vierzylinder-Zweitaktmotor aus 498 cm³ Hubraum eine Leistung von über 200 PS (147 kW) erzielte.

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 (Einlass, Auslass), nur 70 bis 80 % der Energieabgabe pro Arbeitstakt. Hierdurch allein entstehen eine Reihe von Vorteilen:

• gleichförmigeres Drehmoment
• geringere statische und dynamische Masse mit kleineren Drehimpulsen und geringeren Vibrationen
• hohe Drehzahlen sind bei den ventillosen Varianten einfacher möglich

Für den kolbenkantengesteuerten Zweitakter ist noch anzuführen:

• Einfachheit und damit geringerer Fertigungsaufwand, da Ventile und ihr Antrieb wegfallen
• Lageunabhängigkeit (bei Gemischschmierung), wichtig für handgeführte Geräte wie Motorkettensägen

Nachteile des Zweitaktmotors

• Je nach Bauart eine gewisse Vermischung von Frisch- und Abgas. Dadurch Abwägung zwischen hohen Spülverlusten oder hohem Abgasanteil in der Zylinderfüllung (siehe auch Fanggrad)
• Hohe thermische Belastung von Kolben und Auslassöffnung wegen geringer Innenkühlung
• Unruhiger Lauf im Schubbetrieb. Bei Motoren mit Gemischschmierung kann es bei Schubbetrieb durch das zu geringe ölhaltige Gemisch zu Motorschäden (Kolbenfresser) oder Lagerschäden kommen
• Geringere Motorbremswirkung
• Je nach Bauart mehr oder weniger hoher Ölverbrauch und Abgasgeruch
• Emissionsprobleme (siehe nächster Abschnitt)
• 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.
• 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.

Diesel-Zweitakter

Historische Diesel-Zweitakter

Einer der größten Lastkraftwagen mit Diesel-Zweitaktmotor war der Südwerke (Krupp) „Titan“

Diesel-Zweitaktmotor eines Krupp „Elch“

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 Spüldrucks ein Rootsgebläse – teilweise mit vorgeschalteten Turboladern - und wassergekühlte Ladeluftkühler. Zweitakt-Dieselmotoren für Lastwagen produzierten auch die Kruppwerke bis in die 1950er Jahre. Weitere Beispiele: Junkers Jumo 205 Gegenkolben-Diesel-Flugmotor, Commer Gegenkolben LKW-Motor.

Moderne, ventilgesteuerte Zweitaktmotoren

Viele der heutigen Zweitakter haben gesteuerte Auslassventile und Einlassschlitze. Gespült werden sie mit getrennten Ladepumpen. Hierdurch wird ein sauberer Gaswechsel erreicht. Es ist keine Gemischschmierung mehr notwendig, die Kurbelwelle läuft wie beim Viertakter in druckölgeschmierten Gleitlagern.

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 niedrige Drehzahl immer ausreichend Zeit für den Gaswechsel lässt und das Gewicht der externen Lader keine Rolle spielt. Wegen des verwendeten Treibstoffs (Bunkeröl) gibt es solche ventilgesteuerten Zweitakter nur als Diesel.

Typ-90-Panzer

Der große turbogeladene Zweitakt-Schiffsdieselantrieb wird in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad unter den Wärmekraftmaschinen nur von kombinierten Gas-und-Dampfturbinen 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 PKW-Turbodiesel kommen selten über 40 % Wirkungsgrad.

Ein besonderer Anwendungsfall ist der japanische Typ-90-Panzer, der von einem Mitsubishi-10ZG-Zweitaktmotor mit Dieseldirekteinspritzung und Rootsgebläse zur Aufladung angetrieben wird. Der US-amerikanische Transportpanzer M113 ist mit einem wassergekühlten Zweitakt-V6-Dieselmotor von General Motors ausgerüstet (die Produktionsabteilung wurde später ausgegliedert und in Detroit Diesel Corporation umbenannt). Er liefert eine Leistung von 156 kW (M113A1 und M113A2) bzw. 202 kW (M113A3).

→ Hauptartikel: Zweitakt-Dieselmotor

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. 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). Darüber hinaus 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 entsprechenden 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 deren potenziell geringeren Verbrauch nutzbar zu machen.

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.

Beim Kolbenladermotor von Helmut Kottmann lädt ein Kolbenlader einen oder mehrere Arbeitszylinder, wobei er gleichzeitig den Einlass und den Auslaß regelt, so dass es keine Spülverluste gibt. Im Arbeitszylinder findet nach jeder Umdrehung eine Verbrennung statt wie beim Zweitaktmotor. Die Schmierung ist jedoch wie beim Viertakter. Die Einspritzung kann in den Kolbenlader, in den Überströmkanal oder in den Brennraum direkt erfolgen.

Literatur

• Wolf Albrecht Doernhoeffer: Zweitakt-Praxis. 3. Auflage. Christian-Rieck-Verlag, Eschborn 2004, 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.)
• Michael Heise: Zweitakt-Fahrzeugmotoren. Leipzig : Fachbuchverlag, 1953
• Pavel Husák: Zweitaktmotoräder. Motorbuch Verlag Stuttgart, 1. Auflage 1987, ISBN 3-613-01161-1
• Hans List: Der Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine. Band 4, Teil 2: Der Zweitakt. Wien : Springer, 1950
• Christian Rieck: Zweitakt-Motoren-Tuning. Eschborn: Rieck, 2004, ISBN 3-924043-25-6. (erklärt die Funktionsweise des Zweitaktmotors und Möglichkeiten zur Leistungssteigerung)
• Herbert J. Venediger: Zweitaktspülung insbesondere Umkehrspülung. Stuttgart : Franckh, 1947

Weblinks

 Commons: Zweitaktmotoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Zweitaktmotor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wikibooks: Motoren aus technischer Sicht – Zweitaktmotor – Lern- und Lehrmaterialien

• Zweitaktprinzip