„Zweitaktmotor“ – Versionsunterschied
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[[Datei:Two-Stroke Engine.gif|mini|Schematische Darstellung eines membrangesteuerten Otto-Zweitaktmotors]] |
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Ein '''Zweitaktmotor''' ist ein [[Hubkolbenmotor|Kolben-]][[Verbrennungsmotor]], der für den [[Thermodynamischer Kreisprozess|thermodynamischen Kreisprozess]] die namensgebenden zwei [[Takt (Technik)|Takte]] (Hübe) benötigt; der [[Viertaktmotor]] hat vier Takte. |
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[[Datei:Lenoir Motor.jpg|mini|hochkant|Verdichtungsloser, direkt wirkender Zweitakt-Gasmotor von Lenoir, 1861]] |
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[[Umgangssprachlich]] bezeichnet der Begriff „Zweitakter“ einen ventillosen [[Ottomotor]] mit [[Gemischschmierung]] und Zündkerze, der einfach, kostengünstig und leicht ist. Beispiele der Anwendung des Zweitaktmotors sind [[Motorrad|Motorräder]], [[Kleinkraftrad|Mopeds]], [[Motorroller]] und die Mehrzahl der [[Kart#Motor|Karts]]. In Personenkraftwagen gab es Zweitakter unter anderem bei [[DKW]], [[Aero (Unternehmen)|Aero]], [[Saab]], [[Industrieverband_Fahrzeugbau|IFA]] ([[Trabant (Pkw)|Trabant]], [[Wartburg (Pkw)|Wartburg]]), [[Lloyd (Automarke)|Lloyd]], [[Suzuki]], [[Mitsubishi Motors|Mitsubishi]] und [[Rollermobil]]en. |
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[[Datei:SULZER 9RTA76.JPG|mini|9-Zylinder Zweitakt-Reihen-Dieselmotor von Sulzer]] |
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Es gab und gibt jedoch auch große [[Zweitakt-Dieselmotor]]en für [[Diesellokomotive]]n, LKW, Flugzeuge (z. B. [[Junkers Jumo 223]]), Schiffe („[[Schiffsdieselmotor|Schiffsdiesel]]“) und Boote. Die Zweitakt-Großdieselmotoren als Antrieb für Schiffe oder Generatoren zählen wegen ihres hohen [[Wirkungsgrad]]es zu den wirtschaftlichsten [[Wärmekraftmaschine]]n. |
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Im großen Umfang wird der Zweitaktmotor heute noch bei [[Außenbordmotor]]en, [[Kettensäge]]n und anderen tragbaren Geräten wie [[Motorsense]]n, [[Rasentrimmer]]n oder [[Laubsauger]]n verwendet, die zum einen leicht sein sollen, zum anderen eine lageunabhängige [[Motorschmierung]] benötigen. |
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== Geschichte des Zweitaktmotors == |
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=== Vorgeschichte === |
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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. Der [[Gaswechsel]] wurde über Schieber gesteuert. 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]] der Motoren. Auch der „Sylvestermotor“ des [[Carl Benz]] von 1879 arbeitete nach diesem Prinzip. Der „ortsfeste“ ''Zweitaktmotor System Benz'' wurde ab 1881 bei der [[Benz & Cie.|Mannheimer Gasmotorenfabrik]] gebaut und in Tausenden von Exemplaren hergestellt.<ref>[http://files.mercedes-fans.de/images/2011/05/daimler-patent-motorwagen-carl-bertha-fernsehfilm-ladenburg-carl-benz-museum-carl-benz-bertha-benz-alleinfahrt-erfindung-des-automobils-1886-1888-9-2-.jpg mercedes-fans.de] ''Zweitaktmotor System Benz'' (abgerufen am 19. Mai 2013)</ref> |
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[[Datei:Scott two-cylinder two-stroke motorcycle engine.jpg|mini|hochkant|Scott-Zweitaktmotor von 1912]] |
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=== Anfänge und technische Entwicklung === |
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[[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 [[Kurbelwelle]]numdrehung benötigte. Dieses Motorprinzip wurde erstmals 1887 im [[Petrol-Cycle]] von Edward Butler zum Antrieb eines Kraftwagens verwendet. [[Julius Söhnlein]] erhielt 1891 ein Patent auf die Kurbelkastenspülpumpe mit drei Überströmkanälen; dies nannte man später [[Zweitaktmotor#Querstromsp.C3.BClung|Querstromspülung]]. Gleichzeitig entwickelt [[Joseph Day]]<ref>[http://www.modelenginenews.org/etw/2s/images/2s-fig2.jpg Day-Motor] (abgerufen am 27. Mai 2013)</ref> ein ähnliches Prinzip mit einer Ablenkplatte auf dem Kolben, das er zum Patent anmeldete.<ref>Siegried Rauch: Der Zweitaktmotor im Motorradbau, S. 125. In: Christian Bartsch</ref><ref>Christian Bartsch: [http://www.automobil-industrie.vogel.de/antrieb/articles/106772/ automobil-industrie.vogel.de] ''Ideen und Rohrkrepierer'' (abgerufen am 26. Mai 2013)</ref><ref>[[Dinglers Polytechnisches Journal]]: [http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj303/ar303060 dingler.culture.hu-berlin] 1897, Band 303 (S. 246–251)</ref> 1904 konstruierte [[Alfred Angas Scott]] erfolgreich einen Zweizylinder-Zweitaktmotor, 1908 baute er eine weiterentwickelte Version in ein Motorrad ein. 1909 gründete er die [[Scott Motor Cycle Company]], die bis 1966 Zweitaktmotorräder herstellte. [[Hugo Ruppe]] entwickelte vor dem [[Erster Weltkrieg|Ersten Weltkrieg]] den Zweitaktmotor weiter; seine Patente gingen an [[DKW]], die den Zweitaktmotor in großen Stückzahlen fertigte. 1928 entwickelte der österreichische Hersteller ''Titan'' die Membransteuerung.<ref>1971 wurde die Membransteuerung von Yamaha perfektioniert</ref> Ein großer Entwicklungsschritt war die patentierte [[Umkehrspülung]] von [[Adolf Schnürle]], die ab 1932 die Querstromspülung und den Nasenkolben-Zweitakter ablöste. 1952 entwickelte Daniel Zimmermann den Plattendrehschieber und Yamaha 1978 die Auslasssteuerung. |
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== Arbeitsweise == |
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Zweitakter verwirklichen unabhängig von Bauart und [[Kreisprozess]] den nachfolgend beschriebenen Ablauf; die Beschreibung beginnt mit dem unteren [[Totpunkt]]. Die Vorgänge unter dem Kolben bei Zweitaktmotoren mit Kurbelkastenspülung sind zur Darstellung kursiv geschrieben. Größere Dieselzweitaktmotoren haben zum Gaswechsel Spülgebläse. |
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'''Erster Takt''': Verdichten / ''Ansaugen'' |
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* Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder befindliche Gas (Luft oder Brennstoff-Luft-Gemisch) [[Verdichtungsverhältnis|verdichtet]], wobei es nahezu keine Wärme mit der Umgebung austauscht ([[adiabatische Zustandsänderung]], [[isentrop]]). Dabei erhöht sich die Temperatur des Gases proportional zum Druckanstieg durch die Verdichtung. |
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:''Der nach oben laufende Kolben vergrößert das Volumen im Kurbelgehäuse, wodurch im Kurbelgehäuse ein Unterdruck entsteht. Sobald der Ansaugkanal vom Vergaser in das Kurbelgehäuse freigegeben wird, strömt Frischgas ein.'' |
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* Kurz vor dem oberen Totpunkt wird bei Ottomotoren das Brennstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündkerze gezündet. Es verbrennt so schnell, dass der Kolben sich in der Verbrennungszeit fast nicht weiterbewegt, das Volumen bleibt nahezu konstant ([[isochore Zustandsänderung|isochor]]e Wärmezufuhr). Beim Diesel-Zweitaktmotor dauert die Verbrennung des erst dann eingespritzten Dieselöls etwas länger, der Druck bleibt annähernd gleich ([[isobare Zustandsänderung|isobare]] Wärmezufuhr). In beiden Fällen entsteht ein hoher Druck. |
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'''Zweiter Takt''': Arbeiten / ''Vorverdichten'' |
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* Das heiße Gas expandiert und drückt auf den Kolben, dieser läuft zurück. Das Gas kühlt sich dabei ab; Wärme wird in mechanische Energie umgewandelt. |
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:''Der nach unten laufende Kolben verkleinert wieder das Kurbelgehäusevolumen und verdichtet dabei das angesaugte Frischgas, sobald der Ansaugkanal verschlossen ist.'' |
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* In der Nähe des unteren Totpunktes öffnen sich Aus- und Einlassöffnungen oder Überströmkanäle, 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 ein Brennstoff-Luft-Gemisch sein oder, bei Direkteinspritzmotoren, Luft. |
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:''Mit dem Öffnen der Überströmkanäle kann das vorverdichtete Frischgas aus dem Kurbelraum in den Zylinder einströmen.'' |
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Auf dem Weg des Kolbens zum oberen Totpunkt werden Ein- und Auslassöffnungen wieder verschlossen, der Ablauf 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 extern ein Ladegebläse ([[Kolbenladepumpe|Ladepumpe]]) verwendet. Abgasturbolader (bei großen Dieselmotoren) werden mit Hilfsgebläsen kombiniert, da beim Anfahren oder bei niedriger Last das Abgas nicht ausreicht, um sie mit ausreichender Wirkung zu betreiben. |
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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. |
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== Technische Grundsätze == |
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=== Spülung === |
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[[Datei:Two-stroke deflector piston (Autocar Handbook, 13th ed, 1935).jpg|mini|hochkant|Querstromspülung mit [[Nasenkolben]]]] |
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[[Datei:Schnuerle porting, from above.svg|mini|hochkant|Schnürle-Umkehrspülung]] |
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Das Ziel der Spülung ist, in der kurzen Zeit, in der Ein- und Auslassöffnungen frei sind, das verbrannte Gemisch zu ersetzen, durch Luft (bei [[Direkteinspritzung]], zum Beispiel [[Dieselmotor]]) oder durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch (beim [[Ottomotor]] mit indirekter [[Benzineinspritzung#Arten|Einspritzung]] und [[Vergaser]]). Hierbei soll einerseits möglichst wenig Restgas im Zylinder bleiben, andererseits aber auch möglichst wenig Luft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den Auslass herausgeblasen werden. Man unterscheidet drei Varianten der Spülung:<ref>Richard von Basshuysen: ''Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven.'' Vieweg+Teubner Verlag, 2007, S. 440ff.</ref> |
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==== Querstromspülung ==== |
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Aus- und Einlasskanal liegen einander gegenüber und werden beide vom Kolben freigegeben und geschlossen. Dabei öffnet sich der Auslass zuerst und schließt sich zuletzt. Um den Zylinder möglichst gut zu spülen, ist entweder der Kolben so geformt, dass er den Einlassstrom in Richtung Zylinderkopf umlenkt ([[Nasenkolben]]), oder die Mündung des Überströmkanals ist schräg nach oben gerichtet. Diese Bauart wird nur noch selten angewendet, weil andere Spülarten effektiver sind. |
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==== [[Gleichstromspülung]] ==== |
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Aus- und Einlasskanal liegen an entgegengesetzten Enden des Zylinderraums. Das Frischgas strömt nicht vom Kolben zum Zylinderkopf und wieder zurück, sondern nur in einer Richtung. Als Einlass dienen in der Regel Schlitze in der Zylinderwand. Der Auslass wird dann als Ventil im Zylinderkopf ausgeführt, oder, beim [[Gegenkolbenmotor|Gegenkolben-]] und [[Doppelkolbenmotor]], auch als Schlitze, die der andere Kolben freigibt. Der Auslass kann vor dem Einlass geschlossen werden, was die Spülverluste verringert. Auch bei großem Hubraum ist eine gute Spülung erreichbar. Gleichstromspülung wird bei [[Motoraufladung|aufgeladenen]] Motoren bevorzugt. |
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==== [[Umkehrspülung]] ==== |
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Bei dieser von [[Adolf Schnürle]] 1925 entwickelten Variante verlaufen zwei Überströmkanäle etwa in Richtung der Zylinderachse, insofern „tangential“, und enden in „Fenstern“ der Zylinderwandung. Der Auslass liegt zwischen den Überströmkanälen, also auf einer Seite des Zylinders. Die beiden Gasströme der Überströmkanäle treffen aufeinander und kehren im Brennraum des Zylinderkopfs in Richtung Auslasskanal und Zylinderkopf um. Auch hier werden die Öffnungen vom Kolben freigegeben und geschlossen. Der Frischgasverlust ist geringer als bei der Querstromspülung und der Kolbenboden kann flach ausgeführt werden. Bei der ersten Umkehrspülung gab es nur zwei Überströmkanäle, später wurde ein System mit Haupt- und Nebenkanälen entwickelt, das in den 1980er-Jahren zu bis zu acht Überströmkanälen führte.<ref>Husák, S. 130</ref> Die Umkehrspülung ist bis heute Stand der Technik beim Zweitakt-Ottomotor. |
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; Beispiele für Steuerwinkel: |
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Je nach Anwendungszweck können die Überström- und Auslasssteuerwinkel erheblich variieren. Bei schlitzgesteuerten Zweitaktmotoren findet man Überströmwinkel im Bereich zwischen 115° und 140° Kurbelwellendrehung, und Auslasssteuerwinkel zwischen 135° und 200° vor, wobei der Auslass stets vor den Überströmkanälen öffnet. |
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=== Gasdynamik === |
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* Nutzung des Kurbelgehäuses als Pumpe |
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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. |
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* Resonanz im Ein- und Auslasstrakt |
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[[Datei:Arbeitsweise Zweitakt.gif|zentriert|mini|900px|Arbeitsweise eines Zweitaktmotors mit Membran-Einlasssteuerung und [[Resonanzauspuff]] (blau: Luft, grün: Benzin-Luft-Gemisch, grau: Abgase)]] |
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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. |
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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. |
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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 mit hohem Kohlenmonoxid- (CO) und Kohlenwasserstoffgehalt (C<sub>m</sub>H<sub>n</sub>) im Abgas, bei geringen (NO<sub>x</sub>) Stickoxidemissionen. Auf einen Lastpunkt zum Beispiel in stationären Betrieb sind die Strömungsverhältnisse optimal abstimmbar mit entsprechend hohen Wirkungsgraden und gutem Abgasverhalten. |
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=== Schmierung === |
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[[Datei:Zapfsaeule (2-Takt-Gemisch).JPG|mini|hochkant|Zapfsäule für Zweitaktmischung]] |
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==== Mischungsschmierung ==== |
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Die Mischungsschmierung ist eine Verbrauchsschmierung, 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. Anfang der 1930er Jahre lag das Mischungsverhältnis bei 1 (ÖL):10 (Benzin), später wurde dieses auf 1:15 und 1:18 reduziert.<ref>[http://www.motorradonline.de/einzeltest/dkw-super-sport-ss-250-und-ss-350-technische-daten/451576?seite=2 motorradonline.de] ''Technische Daten DKW Super Sport 250 und SS 350'' (abgerufen am 2. August 2013)</ref> Bis in die 1970er Jahre fuhren Rennmotorräder mit einem Mischungsverhältnis von 1:20, teilweise mit [[Rizinusöl]] vermischt, um [[Kolbenfresser#Kolbenklemmer|Kolbenklemmer]] beim Schubbetrieb vorzubeugen. Für normale Motorräder oder Roller war lange Jahre das Verhältnis 1:25 üblich; so auch beim ersten Modell des [[Trabant P50]]. 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]]) und 1:100 reduziert.<ref>Husák, S. 164</ref><ref>[http://www.motorradonline.de/einzeltests/auf-achse-maico-md-250-wk-technische-daten/357675?seite=2 motorradonline.de] Maico MD 250 WK (abgerufen am 22. Mai 2013)</ref> Moderne Kettensägen und andere tragbare Motorgeräte werden mit einem Mischungsverhältnis von 1:50 betrieben (2% Öl).<ref>Stihl [http://www.stihl.de/kraftstoffgemisch.aspx] </ref><ref> Husquarna [http://www.husqvarna.com/files/Husqvarna/Germany/Downloads/Husqvarna_Product_Catalogue_2013_Germany%28German%29.pdf]</ref><ref>Dolmar [http://www.dolmar.de/produkte/oel_schmierstoff/motoroel/index.html#4659]</ref> |
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==== Getrenntschmierung ==== |
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Bei der Getrenntschmierung wird das erforderliche Schmieröl getrennt vom Kraftstoff bereitgestellt. Das erste Motorrad von [[Scott Motor Cycle Company|Scott]], das 1908 gebaute Grundmodell der [[Scott Modell 3 3/4|3 3/4]], hatte bereits Getrenntschmierung. Bei dem 1934 entwickelten [[Scott Modell 3S|Modell 3S]] förderten drei Ölpumpen das Frischöl an die Zylinderlaufbahnen.<ref name="Cat">Alan Cathcart in MOTORRAD CLASSIC 5/2013, S. 72–79</ref> 1961 brachte [[DKW]] für das Modell [[Auto Union 1000]] eine „Frischöl-Automatik“ auf den Markt; das Öl wurde von einem separaten Behälter von einer Dosierpumpe in die Vergaserschwimmerkammer zugeführt und dort im Verhältnis von 1:40 vermischt. 1964 entwickelte [[Yamaha]] das „Autolube-System“ für Motorräder, bei der das Öl in den Ansaugstutzen des Vergasers geleitet wurde. Bei [[Volllast]] erreichte das „Autolube-System“ ein Mischungsverhältnis von 1:20, bei Leerlauf 1:150. |
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Die „echte“ Getrenntschmierung bei Serienmotorrädern bot [[Suzuki]] im Jahre 1971 mit der [[Suzuki GT 750|GT 750]] wieder an, bei der eine Dosierpumpe das Öl direkt an die Schmierstellen (Lager, Zylinderwände) befördert. Die Pumpe befördert das Öl lastabhängig durch die Stellung des Gasgriffs, ein System, das später auch von [[Kawasaki Heavy Industries|Kawasaki]] angewandt wurde und der Ölsumpfschmierung des [[Viertaktmotor]]s entspricht.<ref>Husák, S. 166 ff</ref> |
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==== Ölumlaufschmierung ==== |
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Größere Zweitaktmotoren können mit geschlossenem Schmierölkreislauf gebaut werden, vergleichbar einem Viertaktmotor. Typische Vertreter solcher Motoren sind Zweitakt-Diesel für Nutzfahrzeuge. Sie müssen dann ein Ladegebläse haben, da das Kurbelgehäuse nicht zur Vorverdichtung genutzt werden kann. |
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==== Verlustschmierung ==== |
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Große Zweitaktmotoren wie Schiffsdiesel können als Kreuzkopfmotoren insbesondere bei älterer Bauart mit ''Verlustschmierung'' ausgelegt sein. Dazu werden die Schmierstellen wie Haupt- und Pleuellager oder [[Kreuzkopf]] direkt über eine Ölleitung mit Schmierstoff versorgt, der dann neben dem Lager ins Freie austritt und abtropft. |
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== Steuerungsverfahren == |
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=== Einlasssteuerung === |
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==== Kolbenkantensteuerung ==== |
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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. |
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==== Drehschiebersteuerung ==== |
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Bereits 1911 entwickelte [[Alfred Angas Scott]] einen wassergekühlten Motor im [[Scott Modell 3 3/4|Modell 3 3/4]] mit Drehschiebersteuerung.<ref>L.J.K. Setright: The Guinness Book of Motorcycling. Facts and Feats. 1982, ISBN 0-85112-255-8, S. 28</ref> Der Plattendrehschieber wie wir ihn heute kennen, wurde in den 1950er Jahren von Daniel Zimmermann entwickelt und in der [[Deutsche Demokratische Republik|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: [[Schiebermotor#Schiebersteuerung bei Zweitaktmotoren|Schiebersteuerung bei Zweitaktmotoren]] |
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==== Membransteuerung ==== |
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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.<ref>Gabriele Klinger, Andreas Winter: ''101 Jahre österreichische Motorradhersteller.'' Weishaupt Verlag, Gnas, 1. Auflage 2001, ISBN 3-7059-0093-5, S. 86</ref> 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<sup>−1</sup>.<ref>Husák, S. 134</ref> |
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Die schwachfedernde und leichte 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. |
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1971 entwickelte [[Yamaha]] das Membranventil neu, indem die Membranzungen nun eine Dachform aufwiesen. Dadurch wurde ein verhältnismäßig großer Durchflußquerschnitt erreicht.<ref>[http://u.jimdo.com/www54/o/s7de17c9dfdc43660/img/ibea02ec70b0dcc07/1346494992/orig/image.jpg jimdo.com] Zungenventil Yamaha RD 80 (abgerufen am 19. Mai 2013)</ref> 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, umso stärker – und saugen ein zusätzliches Quantum Frischgas an, direkt vom Ansaugweg in den Arbeitszylinder. |
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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<sup>−1</sup> zuverlässig.<ref>Husák, S. 135</ref> Neueste Technik ersetzt die Metall-Membranzungen durch glas- oder kohlenstofffaserverstärkte Membranzungen. Die Massenträgheit ist geringer als bei Metall-Membranplättchen. Ein weiterer positiver Nebeneffekt des membrangesteuerten Motors sind deutlich bessere Verbrauchswerte.<ref>''Membransteuerung – und wieder Yamaha.'' In: H. Hütten: ''Schnelle Motoren – Seziert und frisiert.'' 6. völlig neu bearbeitete Auflage. R. C. Schmidt, Braunschweig 1977, ISBN 3-87708-060-X, S. 252–253.</ref> |
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[[Datei:Bimota VDue 2.JPG|mini|Bimota 500 V–due]] |
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==== Kraftstoffeineinspritzung ==== |
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Der [[Gutbrod (Unternehmen)|Gutbrod]] Superior und der [[Goliath]] GP 700 mit Zweitaktmotor waren 1951 die ersten Pkw mit Benzindirekteinspritzung. Das unter der Leitung von [[Hans Scherenberg]] entwickelte System wurde von [[Robert Bosch GmbH|Bosch]] zugeliefert.<ref>[http://w311.info/userpix/46_MechanischeEinspritzung_1950_1.jpg Bosch-Benzineinspritzung bei Gutbrod] (abgerufen am 20. Mai 2013)</ref> Die [[NSU Motorenwerke]] stellten in den 1950er Jahren Versuche mit Benzindirekteinspritzung (mechanische Druckstoßeinspritzung) an Motorradmotoren an. [[Motobécane]] entwickelte 1974 zusammen mit Bosch eine analoge elektronische Benzineinspritzung in die Überströmkanäle an ihrem Dreizylinder-Zweitaktmotorrad zur Serienreife.<ref>[http://www.classicbikersclub.com/articles/2011-10/motobecane-350 classicbikersclub.com] ''Motobecane 350'' (abgerufen am 20. Mai 2013)</ref> 1996 stellte [[Bimota]] mit der 500 V–due einen Zweizylinder-Zweitaktmotor mit Benzindirekteinspritzung vor. Zwei Einspritzdüsen je Zylinder spritzten in Höhe der Überströmkanäle den Kraftstoff direkt in den Zylinder ein.<ref>Jürgen Stoffregen: ''Motorradtechnik. Grundlagen und Konzepte von Motor, Antrieb und Fahrwerk.'' Vieweg Verlag Wiesbaden. 7. Auflage 2010. ISBN 978-3-8348-0698-7, S. 62</ref> [[Aprilia]] folgte im Jahre 2001 mit dem 50-cm³-Roller ''SR 50 DiTech'' mit Benzindirekteinspritzung. |
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[[Datei:RD 350 1989 Brasil 1990.jpg|mini|Yamaha RD 350 LC YPVS]] |
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=== Auslasssteuerung === |
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Die erste Form der Auslasssteuerung stammt von Yamaha, durch eine Veränderung der Öffnungsdauer des Auslasskanals. Dabei wurde mit einem kleinen Walzendrehschieber der Öffnungsquerschnitt des Auslasskanals nur bei höheren Drehzahlen ganz freigegeben. Das erste ''Yamaha-Power-Valve-System'' (YPVS) erschien 1978 rein mechanisch gesteuert bei der OW35–Rennmaschine von Yamaha<ref>[http://www.yamaha-classic-racingteam.nl/site2/index.php?page=500cc_ow45 yamaha-classic-racingteam] (abgerufen am 21. Mai 2013)</ref>, die elektronische Steuerung folgte ab 1983, auch im Serienmotor bei dem Modell ''RD 350 LC YPVS''.<ref>[http://www.yamaha-motor.eu/designcafe/de/about-design/technology/index.aspx?segment=About%20Design%20-%20Technology&view=article&id=440980 yamaha-motor.eu] ''YPVS (Yamaha Power Valve System)'' (abgerufen am 19. Mai 2013)</ref> 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 Heavy Industries|Kawasaki]] (''Kawasaki Integrated Power-Vavle'').<ref>Husák, S. 151</ref> Bei der Auslasssteuerung von [[Honda]] (''Autocontrol Torque Amplification Chamber, kurz ATAC'') wird bei niedrigen Drehzahlen das Auspuffvolumen vergrößert (Beispiel Honda NS 400R).<ref>Husák, S. 154</ref> Der Füllungsgewinn der Auslasssteuerung erreicht zwischen 20 und 40 % gegenüber der ungesteuerten Version.<ref>Jürgen Stoffregen: Motorradtechnik: Grundlagen und Konzepte von Motor, Antrieb und Fahrwerk. 7. Auflage. Vieweg Verlag, Braunschweig, 2010, ISBN 978-3-8348-0698-7, S. 59</ref> |
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== Bauweise als Ottomotor == |
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* Einzylinder: Bei tragbaren Geräten wird der Zweitaktmotor üblicherweise als gebläsegekühlter Einzylinder ausgelegt. |
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* Zweizylinder: Zweizylinder in Reihe (Kurbelwelle quer zur Fahrtrichtung) waren anfangs luft- später wassergekühlt ([[DKW]]); mit Drehschiebersteuerung liegt der Primärantrieb zwischen den Zylindern. |
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* Dreizylinder: Das Motorrad [[Scott Modell 3S|Scott 3S]] von 1934 hatte einen Dreizylinder-Zweitaktmotor längs eingebaut; ein Motorenexemplar soll 1939 an DKW verkauft worden sein.<ref name="Cat" /> DKW brachte mit dem [[DKW F91]] von 1953 einen Dreizylinder im Pkw auf den Markt. Die Modelle [[Kawasaki 500 H1]] von 1969 (luftgekühlt) und [[Suzuki GT 750]] von 1971 (wassergekühlt) führten Dreizylinder-Reihenmotoren bei Motorrädern serienmäßig ein; [[Motobécane]] folgte 1973 mit dem Modell 350. Darüber hinaus wurden aus dem Rennsport die 3-Zylinder mit zwei stehenden und einem liegenden Zylinder von DKW (1953) entwickelt und eingesetzt; zwei liegende und ein stehender Zylinder wurden 1983 von Honda (NS400 R, wassergekühlt) gebaut. Als [[Sternmotor]] wurden Dreizylinder von der [[König Motorenbau|Firma König]] um 1937 mit 500 cm³ Hubraum als Bootsmotor, und in den 1990er Jahren in unterschiedlichen Hubraumvarianten als Antrieb für Ultraleichtflugzeuge gebaut. |
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* Vierzylinder: Der 4-Zylinder-Zweitaktmotor mit quadratisch angeordneten Zylindern wurde in dem Motorrad-Modell [[RG 500 Gamma]] von [[Suzuki]], und in Form eines 50°-V-Motors mit zwei Kurbelwellen in der [[RD 500 LC]] von [[Yamaha]] eingesetzt. |
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* Sechszylinder: Im [[Rennboot]]bereich als V6 entwickelt und eingesetzt. |
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* Achtzylinder: Von [[Galbusera V8|Galbusera]] entwickelt. |
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== Sonderbauarten == |
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=== Doppelkolbenmotor === |
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[[Datei:Derbi 95 engine.JPG|mini|Doppelkolbenmotor]] |
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Beim [[Doppelkolbenmotor]] arbeiten zwei Kolben in einem gemeinsamen Brennraum, meist steuert ein Kolben die Überström-, der andere die Auslassöffnungen. Je nach Konstruktion des Kurbeltriebes kann man dadurch unsymmetrische Steuerzeiten erzielen. |
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Man unterscheidet nach den Kurbeltrieben folgende Bauarten: |
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* Ein quer zur Kurbelachse gegabeltes [[Pleuel]] mit Schiebestück (z. B. Puch 250-S4).<ref>[http://www.oldtimer-markt.de/ratgeber/technik-lexikon/doppelkolbenmotor-zwei-takte-im-doppelpack oldtimer-markt.de] ''Doppelkolbenmotor'' (abgerufen am 14. November 2013)</ref> |
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* Das Haupt- und Nebenpleuel (Anlenkpleuel) nach dem Patent von [[Arnold Zoller]].<ref>[http://tizedes.uw.hu/dkw/kurbelwelle.jpg DKW ULD 250] (abgerufen am 11. Mai 2013)</ref> |
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* Eine Kurbelwelle mit zwei, um mehrere Winkelgrade gegeneinander versetzten Kröpfungen und separaten Pleueln für jeden Kolben. ([http://www.f3d.de/BD4.JPG Triumph BD 250]) |
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* Eine Kurbelwelle mit einer Kröpfung und längs zur Kurbelachse gegabeltem Pleuel (Triumph BDG).<ref>[http://www.motor-lit-berlin.de/popup_image.php?pID=4286&imgID=0 motor-lit-berlin.de] ''Triumph'' (abgerufen am 14. November 2013)</ref> Diese Version ermöglicht Gleichstromspülung, jedoch keine unsymmetrische Steuerzeiten. |
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Vorteile: |
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* Gleichstromspülung, d.h. theoretisch geringere Durchmischung von Alt- und Frischgas. |
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* Größere Überströmkanäle und Auslassöffnungen, da man einen größeren Zylinderquerschnitt zur Verfügung hat. |
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* Geringere Spülverluste, besonders wenn keine spezielle Resonanzauspuffanlage vorgesehen ist. |
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Nachteile: |
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* Problematische Kühlungssituation der dünnen Wand zwischen den Zylinderbohrungen. |
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* Keine beliebige Gestaltung der Brennraumform möglich, da auf eine möglichst strömungsgünstige Umlenkung des Frischgases durch den Brennraum geachtet werden muss. |
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Durch die systematische Erforschung und Nutzbarmachung der Schwingungsvorgänge im Auspuffsystem seit Ende der 1950er Jahre überwiegen heute im Kleinmotorenbereich die Nachteile des Doppelkolbenmotors gegenüber dem umkehrgespülten Einkolbenzweitakter. |
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[[Datei:Tu ilmenau2 640 400.JPG|mini|Moderner Gegenkolbenmotor]] |
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=== Gegenkolbenmotor === |
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Beim [[Gegenkolbenmotor]] arbeiten zwei Kolben gegeneinander in einem Zylinder. Es gibt sie mit zwei per Getriebe gekoppelten Kurbelwellen oder mit einer Kurbelwelle seitlich und langen Zwillingspleueln, die über ein Joch auf den zweiten Kolben wirken, oder der Kurbelwelle in der Mitte und Kipphebeln mit je zwei Pleueln. Diese Lösung hat bei gleicher Kolbenanzahl geringere thermische Verluste, da die Zylinderköpfe fehlen. |
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=== Ventil-Zweitakter === |
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Tellerventile im Zylinderkopf zur Auslasssteuerung werden überwiegend in Großdieselmotoren verwendet. Dort überwiegen die Vorteile der Gleichstromspülung gegenüber der Umkehrspülung. (Spülstromstabilität, unsymmetrisches Steuerdiagramm) |
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== Rennsport == |
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=== Formel 1 === |
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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; 1934–1937 war in der [[Geschichte der Großen Preise vor 1950|Vorläuferklasse]] nur das Fahrzeuggewicht auf 750 kg limitiert, sodass es Versuche gab, mit aufgeladenem [[Doppelkolbenmotor]] an der Rennserie teilzunehmen.<ref>Arnold Zoller entwickelte 1934 einen 6-Zylinder-Zweitakt-Doppelkolbenmotor für den Rennwagen der von den [[Hans Gustav Röhr|Röhr]]-Werken gebaut wurde. → [http://www.roehrauto.de/html/zoller.html roehrauto.de] (abgerufen am 20. Mai 2013)</ref> |
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=== Motorradsport === |
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Erst der Zweitaktmotor von [[Alfred Angas Scott]] war gegenüber dem Viertaktmotor konkurrenzfähig. 1912 und 1913 gewannen [[Scott Modell 3 3/4|Scott-Motorräder]] die Rennen der Senior-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 [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]] die nahezu unschlagbare [[DKW ULD 250]]. Die 1949 eingeführte [[Motorrad-Weltmeisterschaft]] dominierten Zweitaktmotoren in den Klassen bis |
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[[Datei:Honda NSR500 engine front Honda Collection Hall.jpg|mini|Honda NSR500 Motor]] |
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* 50 cm³: von [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1962|1962]] bis zur Auflösung der Klasse [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1983|1983]]; unterbrochen nur in der [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1965|Saison 1965]] von Honda mit Viertaktmotor. |
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* 80 cm³: von [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1984|1984]] bis zur Auflösung der Klasse [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1989|1989]] |
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* 125 cm³: von [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1967|1967]] bis zur Auflösung der Klasse und dem Verbot des Zweitakters [[Motorrad-Weltmeisterschaft 2011|2011]] |
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* 250 cm³: von [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1968|1968]] bis zur Auflösung der Klasse und dem Verbot des Zweitakters [[Motorrad-Weltmeisterschaft 2009|2009]] |
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* 350 cm³: von [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1974|1974]] bis zur Auflösung der Klasse [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1982|1982]] |
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* 500 cm³: von [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1975|1975]] bis zur Auflösung der Klasse und dem Verbot des Zweitakters [[Motorrad-Weltmeisterschaft 2001|2001]]. Der letzte 500 cm³-Zweitakter war der Seriensieger ab der [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1994|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 [[Pferdestärke|PS]] (147 [[Watt (Einheit)|kW]]) erzielte.<ref>[http://www.visordown.com/motorcycle-top-10s/the-10-best-motorcycle-engines--ever/9854-5.html visordown.com] ''HONDA NSR500'' (abgerufen am 20. Mai 2013)</ref> |
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* [[Motorradgespann|Seitenwagen]]: von [[Motorrad-Weltmeisterschaft_1975#Gespanne_.28500_cm.C2.B3.29|1975]] bis [[Motorrad-Weltmeisterschaft 1996#Gespanne (500 cm³)|1996]], sowie im Sidecar-Worldcup 1997. 2001 wurden auch hier die 500-cm³-Zweitakter verboten und durch 1000-cm³-Viertakter ersetzt. |
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=== Rennboote === |
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Der Zweitaktmotor wird heute noch regelmäßig als Antrieb für [[Rennboot]]e im [[Motorbootsport]] der [[Union Internationale Motonautique]] eingesetzt.<ref>[http://www.uimpowerboating.com/vsite/vcontent/page/custom/0,8510,4916-152033-169249-33471-144542-custom-item,00.html uimpowerboating.com] ''Engines'' (abgerufen am 27. Mai 2013)</ref> In der Klasse bis 2600 cm³ erreicht z. B. ein V-60-Grad-6-Zylinder-Außenbordmotor 200 [[Pferdestärke|PS]] (149 [[Watt (Einheit)|kW]]) bei 6500–7000 min<sup>–1</sup>.<ref>[http://www.mercuryracing.com/outboards/optimax200xsros/specs.php mercuryracing.com] ''OptiMax 200XS ROS'' (abgerufen am 27. Mai 2013)</ref> |
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== Bootsmotoren == |
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Als [[Außenbordmotor]]en finden Zweitakter Grenzen hinsichtlich der Öl-Emissionen, die beim Verbrennungsvorgang auch in die Gewässer gelangen. Erste Regelungen finden sich in der 1993 erlassenen [[Bodensee-Schifffahrtsordnung]], deren Grenzwerte mittlerweile für alle [[Binnengewässer]] in Deutschland übernommen worden sind.<ref>[http://www.lrakn.de/servlet/PB/menu/2887463/index.html lrakn.de] ''Zulassungsfähigkeit von Motoren/Motorenänderung auf dem Bodensee'' (abgerufen am 26. Mai 2013)</ref> Seit 1. Januar 2007 gelten die Emissionsvorschriften für Zweitaktmotoren europaweit.<ref>[http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2003:214:0018:0035:DE:PDF eur-lex.europa.eu] ''2003/44/EC''</ref> Die Grenzwerte sind für Zweitaktmotoren, wenn überhaupt, nur mit Direkteinspritzung zu erreichen.<ref>[http://www.seespiegel.de/html/archiv/Artikel/Nummer13/0101_003.htm seespiegel.de] ''Strenge Grenzwerte am Bodensee machen den Motorenbauern zu schaffen'' (abgerufen am 26. Mai 2013)</ref><ref>[http://www.radolfzell.dlrg.de/evinrude.htm radolfzell.dlrg.de] ''2-Takt-Aussenbordmotor unterschreiten die Grenzwerte für 4-Takt-Aussenbordmotoren'' (abgerufen am 26. Mai 2013)</ref><ref>[http://www.bootsport.info/files/LRA_Konstanz._MotorenlisteAllgemein.pdf LRA Konstanz] (PDF; 96 kB) ''Motorenliste'' (abgerufen am 27. Mai 2013)</ref> |
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== Vor- und Nachteile des Zweitaktprinzips == |
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=== Vorteile des Zweitakters gegenüber dem Viertakter gleicher Leistung und Drehzahl === |
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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.<ref>Cornel Stan: ''Alternative Antriebe für Automobile.'' Springer-Verlag, Berlin u. a. 2008, ISBN 978-3-540-76372-7, S. 126.</ref> Hierdurch allein entsteht eine Reihe von Vorteilen: |
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* gleichförmigeres Drehmoment |
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* geringere statische und dynamische Masse mit kleineren [[Drehimpuls]]en und geringeren Vibrationen |
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* hohe Drehzahlen sind bei den ventillosen Varianten einfacher möglich |
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Für den kolbenkantengesteuerten Zweitakter ist noch anzuführen: |
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* Einfachheit und damit geringerer Fertigungsaufwand, da Ventile und ihr Antrieb wegfallen |
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* Lageunabhängigkeit (bei Gemischschmierung), wichtig für handgeführte Geräte wie [[Kettensäge|Motorkettensägen]] |
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=== Nachteile des Zweitaktmotors === |
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* Je nach Bauart eine gewisse Vermischung von Frisch- und Abgas. Dadurch Abwägung zwischen hohen Spülverlusten oder hohem Abgasanteil in der Zylinderfüllung (siehe auch [[Fanggrad]]) |
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* Hohe thermische Belastung von Kolben und Auslassöffnung wegen geringer [[Innenkühlung]] |
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* Unruhiger Lauf im [[Schubbetrieb]]. Bei Motoren mit Gemischschmierung kann es bei Schubbetrieb durch das zu geringe ölhaltige Gemisch zu [[Motorschaden|Motorschäden]] ([[Kolbenfresser]]) oder Lagerschäden kommen |
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* Geringere [[Motorbremse|Motorbremswirkung]] |
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* Je nach Bauart mehr oder weniger hoher Ölverbrauch und Abgasgeruch |
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* Emissionsprobleme (siehe nächster Abschnitt) |
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* Hoher mechanischer Verschleiß des Kolbens und der Kolbenringe bei Zylinderwänden mit Öffnungen. |
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== Emissionen von Zweitaktmotoren == |
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=== Ursachen === |
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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: |
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* Überströmverluste (Spülverluste) bringen unverbranntes Kraftstoff-Öl-Gemisch ins Abgas. |
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* Inhomogene, d.h. unvollständige Verbrennung des Gemischs führt zu Emission von Verbrennungszwischenprodukten wie [[Feinstaub]].<ref>G. Merker, Chr. Schwarz, G. Stiesch, F. Otto: ''Verbrennungsmotoren.'' 2. Auflage. Teubner, Stuttgart u. a. 2004, ISBN 3-519-16382-9.</ref> |
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* Die [[Kolbenring]]e überlaufen die Spülöffnungen; dadurch wird Öl von der Zylinderwand in den Gasstrom gerissen, was zu mehr Emissionen, auch bei Motoren mit Ölsumpfschmierung, führt. Der Zweitaktmotor hat ein oder zwei Kolbenringe, der Viertaktmotor in der Regel drei (Verdichtungsring, Zwischenring und Ölabstreifring).<ref>[http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/Kapitel_PDFs_02_13/Kapitel15_02_13.pdf fachwissen-dichtungstechnik.de] (PDF; 484 kB) ''Kolbenringe'' (abgerufen am 28. Mai 2013)</ref><ref>[http://www.mahle.com/C1256F7900537A47/vwContentByKey/W26QPJLS933STULEN/$FILE/Motorenteileprogramm_de.pdf mahle.com] (PDF; 4,3 MB) ''Motorenteile'' (abgerufen am 28. Mai 2013)</ref> |
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Durch Verwendung von Ölsumpfschmierung, separater Auslasssteuerung mit Ventilen (oder dem zweiten Kolben beim Gegenkolbenmotor) und Einspritzung kann man diese Emissionen verringern. |
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=== Gesetzliche Grenzwerte === |
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Für Zweiräder gelten je nach Hubraum die [[Abgasnorm]]en Euro 2 (Kleinkrafträder bis 50 cm³ Hubraum) oder Euro 3 (Krafträder), unabhängig davon ob ein Zweitaktmotor oder Viertaktmotor verwendet wird. Dies führte oberhalb von 150 cm³ Hubraum zu einer weitreichenden Verdrängung von Zweitaktmotoren, da die Euro-3-Norm für Zweitaktmotoren meist nur mit Benzineinspritzung und [[Fahrzeugkatalysator#Zweitakt-Ottomotor|Oxidationskatalysator]] zu erreichen ist. Das letzte Motorrad über 150 cm³ Hubraum mit Zweitaktmotor war die bis 2002 gebaute Aprilia RS 250 mit 249 cm³ Hubraum und 55 PS/40 kW Leistung, die den überarbeiteten Motor der [[Suzuki RGV 250 Gamma]] besaß. |
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Motoren von [[Kleinkraftrad|Kleinkrafträdern]] (bis 50 cm³ Hubraum) dürfen zur Zeit z. B. das 7,5-fache an Kohlenwasserstoff- und Stickoxidmengen ausstoßen als Pkw-Motoren, der Partikelausstoß ist unbegrenzt. |
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{| class="wikitable" style="text-align:center" |
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! ||colspan="3" | Emissionsgrenzwerte für Kleinkrafträder, Motorräder und Pkw<br />Angaben in mg/km |
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|- bgcolor="#FFDEAD" |
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| Norm || Euro 2<br />Kleinkrafträder || Euro 3<br />Krafträder || Euro 5<br />Pkw |
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|- |
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| [[Betriebserlaubnis|Typprüfung]] || ab 1. Jan. 2006 || ab 1. Jan. 2006 || ab 1. Jan. 2011 |
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|- |
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| [[Kohlenstoffmonoxid|CO]] || 1.000 || 2.000 || 1000 |
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|- |
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| [[Kohlenwasserstoffe|HC]]<br />[[Stickoxide|NO<sub>''x''</sub>]] || 1.200 || 800 / 300{{FN|1}}<br />150 || 100<br />60 |
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|} |
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{{FNBox| |
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{{FNZ|1|ab 150 cm³ Hubraum}} |
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}}<ref>[http://www.umweltbundesamt-daten-zur-umwelt.de/umweltdaten/public/document/downloadImage.do?ident=23343 umweltbundesamt] Grenzwerte für Schadstoffemissionen motorisierter Zweiräder (abgerufen am 21. Mai 2013)</ref> |
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(Stand Mai 2013) |
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=== Zukünftige Grenzwerte === |
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{| class="wikitable" style="text-align:center" |
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! ||colspan="4" | Emissionsgrenzwerte für Kleinkrafträder.<br>Angaben in mg/km |
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|- bgcolor="#FFDEAD" |
|||
| Norm || Euro 4<ref>[http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2013:060:0052:0128:EN:PDF''Regulation (EU) No 168/2013''] – PDF page 116</ref> || Euro 5 <ref>[http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2013:060:0052:0128:EN:PDF''Regulation (EU) No 168/2013''] – PDF page 117</ref> |
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|- |
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| [[Betriebserlaubnis|Typprüfung]] || ab 1. Jan. 2016 || ab 1. Jan. 2020 |
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|- |
|||
| [[Kohlenstoffmonoxid|CO]] || 1.000 || 1.000 / 500 {{FN|3|}} |
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|- |
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| [[Kohlenwasserstoffe|HC]] || 630 || 100 |
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|- |
|||
| [[Stickoxide|NO<sub>''x''</sub>]] || 170 || 60 / 90 {{FN|3|}} |
|||
|- |
|||
| [[Feinstaub|PM]] || || 4,5 {{FN|3|}} |
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|} |
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{{FNBox| |
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{{FNZ|3|mit Dieselmotor}} |
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}} |
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== Diesel-Zweitakter == |
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=== Historische Diesel-Zweitakter === |
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[[Datei:LKW Krupp Titan.jpg|mini|Einer der größten Lastkraftwagen mit Diesel-Zweitaktmotor war der [[Südwerke]] ([[Fried. Krupp Motoren- und Kraftwagenfabriken|Krupp]]) „Titan“]] |
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[[Datei:Krupp Elch Feuerwehr Motor.jpg|mini|Diesel-Zweitaktmotor eines Krupp „Elch“]] |
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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. |
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=== Moderne, ventilgesteuerte Zweitaktmotoren === |
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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. |
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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 ([[Schweröl|Bunkeröl]]) gibt es solche ventilgesteuerten Zweitakter nur als Diesel. |
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[[Datei:JGSDF MBT Type 90 at JGSDF PI center 2.jpg|mini|Typ-90-Panzer]] |
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Der große turbogeladene Zweitakt-Schiffsdieselantrieb wird in Bezug auf den thermischen [[Wirkungsgrad]] unter den [[Wärmekraftmaschine]]n nur von kombinierten [[Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk|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. |
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Ein besonderer Anwendungsfall ist der japanische [[Typ 90|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). |
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<!--Zu den Besonderheiten eines ---welchen denn?-- Zweitakt-Dieselmotors gehört das Roots-Gebläse, das für eine Verdichtung der angesaugten Luft in der Ladeluftkammer sorgt und somit die Leistung verbessert. Die auf 1,5 bar komprimierte Luft gelangt über 18 Einlassschlitze im Zylinder, die beim unteren Totpunkt des Kolbens geöffnet sind, in den Brennraum und spült die Verbrennungsgase über vier Auslassventile in den Abgaskrümmer. Für Ottomotoren ist diese Bauweise nach heutigem Stand der Technik ungeeignet, da der [[Otto-Prozess]] nur für hochdrehende Motoren sinnvoll ist. Bei einer Direkteinspritzung sind Abgasemission und Kraftstoffverbrauch geringer.--> |
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{{Hauptartikel|Zweitakt-Dieselmotor}} |
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== Aktuelle Entwicklungen == |
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Aktuell erlebt der Zweitaktmotor eine gewisse Renaissance im Bereich von Bootsmotoren, beim [[Jet-Ski]] oder auch im [[Ultraleichtflug]]. Beispiele hierfür sind u. a. [[BRP-Powertrain]]-Motoren, welche unter Verwendung eines Direkteinspritzungsystemes (Ficht FFI) umweltfreundlicher wurden, so die Baureihe von ROTAX, die auch in Schneemobilen der Ski-Doo-Serie eingesetzt werden.<ref>[http://www.brp-powertrain.com/desktopdefault.aspx/tabid-204/368_read-343/ brp-powertrain.com] (abgerufen am 14. Juni 2013)</ref> Tohatsu setzt mit dem TLDI-System (''Two stroke Low pressure Direct Injection'') bei Bootsmotoren ebenfalls auf Zweitaktmotoren,<ref>[http://www.tohatsu.de/ tohatsu.de] (abgerufen am 14. Juni 2013)</ref> Yamaha hat das sogenannte HDPI-System (''High Pressure Direct Injection''). |
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Darüber hinaus existiert seit 2007 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.<ref>[http://www.cleanenergyawards.com/fileadmin/redaktion/factsheets/factsheet_webversion_2.pdf cleanenergyawards.com] (abgerufen am 14. Juni 2013; PDF; 272 kB)</ref> |
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Eine Reihe von kleinen Firmen haben funktionsfähige [[Gegenkolbenmotor]]en entwickelt oder sind dabei, sie zu entwickeln, um deren potenziell geringeren Verbrauch nutzbar zu machen. |
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Ungewöhnlich ist die Bauweise des ''Pivotalmotors'', der es mit wassergekühltem Pivotal-Kolben und Direkteinspritzung 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.<ref>[http://www.pivotalengine.com/solutions.html#animation pivotalengine.com] Kolbenbauweise sowie Flash Animation (abgerufen am 14. Juni 2013)</ref> |
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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 wie beim Zweitaktmotor bei jeder Umdrehung eine Verbrennung statt, die Schmierung erfolgt durch eine Ölsumpfschmierung. Die Einspritzung kann in den Kolbenlader, den Überströmkanal oder direkt in den Brennraum erfolgen. Das ''Kottmann Motor Team'' bezeichnet diesen Motor als ''Sechstaktmotor''.<ref>[http://www.sechstaktmotor.de/D/infos.html sechstaktmotor.de] (abgerufen am 14. Juni 2013)</ref> |
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== Literatur == |
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* Christian Bartsch (Hrsg.): ''Ein Jahrhundert Motorradtechnik''. VDI-Verlag, Düsseldorf 1987, ISBN 3-18-400757-X. |
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* 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.) |
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* Michael Heise: ''Zweitakt-Fahrzeugmotoren''. Fachbuchverlag, Leipzig 1953 |
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* Pavel Husák: ''Zweitaktmotoräder''. Motorbuch Verlag, Stuttgart, 1. Auflage 1987, ISBN 3-613-01161-1 |
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* Hans List: ''Der Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine. Band 4, Teil 2: Der Zweitakt''. Springer, Wien 1950 |
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* Christian Rieck: ''Zweitakt-Motoren-Tuning''. Rieck, Eschborn 2004, ISBN 3-924043-25-6. (erklärt die Funktionsweise des Zweitaktmotors und Möglichkeiten zur Leistungssteigerung) |
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* Herbert J. Venediger: ''Zweitaktspülung insbesondere Umkehrspülung''. Franckh, Stuttgart 1947 |
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== Einzelnachweise == |
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<references /> |
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== Weblinks == |
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{{Commonscat|Two-stroke engines|Zweitaktmotoren}} |
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{{Wiktionary|Zweitaktmotor}} |
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{{Wikibooks|Motoren aus technischer Sicht/ Zweitaktmotor|Motoren aus technischer Sicht – Zweitaktmotor}} |
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* [http://www.schwabenkart.de/knowhow/2Takte.html Zweitaktprinzip] |
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[[Kategorie:Verbrennungsmotor]] |
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Version vom 12. Dezember 2014, 10:43 Uhr
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