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Zweitakt Motor 2T

Umgangssprachlich bezeichnet der Begriff „Zweitakter" einen ventillosen Ottomotor mit Gemischschmierung und Zündkerze, der einfach, kostengünstig und leicht ist (in diesem Artikel zur Unterscheidung als „einkolbengesteuerter Zweitakter" bezeichnet). Es gibt aber auch große Zweitakt-Dieselmotoren für LKWs, Schiffe und Flugzeuge.
Arbeitsweise
Alle Zweitakter haben unabhängig von ihrer Bauart folgenden Prozessablauf (Kreisprozess) (Beginn am oberen Totpunkt):
Erster Takt:

Arbeiten und erste Hälfte des Spülvorgangs

* Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird durch eine Zündkerze gezündet. Durch die nahezu isochore (Volumen bleibt konstant) Wärmezufuhr entsteht ein hoher Druck. Beim Diesel Zweitaktmotor wird zur isobaren Wärmezufuhr (Druck bleibt konstant) Diesel eingespritzt. Der Kolbenboden wird mit der Wärme des Brenngases beaufschlagt, und dies führt zur nahezu isentropen (reibungsfrei und adiabat) Expansion des Gases bis zum Unteren Totpunkt (UT).

* In der Nähe des UT öffnen sich Aus- und Einlassöffnung, das Abgas entweicht durch seinen Restdruck. Dies kann durch das Öffnen von Ventilen oder das Freigeben der Öffnungen durch die Zylinder geschehen.

* Der Rest wird durch das einströmende Frischgas ausgespült. Das Frischgas kann Benzin-Luft-Gemisch sein oder, bei Einspritzmotoren Luft.

Zweiter Takt:

zweite Hälfte des Spülvorgangs und Verdichten

* Auf dem Weg des oder der Kolben zum oberen Totpunkt werden Ein- und Auslassöffnungen wieder verschlossen und das Frischgas wird adiabat (wärmedicht) verdichtet. Dabei erhöht sich die Temperatur des Gases analog zum Druckanstieg durch die Verdichtung.

* Schließlich zündet das Gemisch, und der erste Takt beginnt erneut.

Für die Spülung muss das Frischgas (entweder Gemisch oder Luft) einen Überdruck besitzen. Um diesen zu erzeugen wird entweder das Kurbelgehäuse wie eine Pumpe benutzt oder ein besonderer Ladelüfter verwendet.

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

Technische Grundsätze und Realisierungen

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

Der Zweitaktmotor ist ein Resonanzsystem, dessen Leistungsentfaltung von den Schwingungseigenschaften der verwendeten Gase abhängig ist (Trägheit). Bereits beim Ansaugvorgang wird die Trägheit des Frischgases ausgenutzt. Das Frischgas strömt während der Aufwärtsbewegung des Kolbens in das Kurbelgehäuse, wobei alleine die Massenträgheit des Gases dafür sorgt, dass es bei der Abwärtsbewegung des Kolbens nicht wieder herausgedrückt wird. Es gibt allerdings auch Varianten mit einem Rückschlag- oder Schieberventil am Kurbelgehäuse-Lufteinlass (siehe Grafik ganz oben).

Beim Auslass-Vorgang kann die Schwingung der Abgase durch geeignete Gestaltung der Auspuffanlage besonders effektiv genutzt werden (siehe Bild oben). Sobald der Kolben den Auslass-Schlitz freigibt, strömen die Abgase in den Auspuff. Die Strömungsgeschwindigkeit vermindert sich erst im Diffusor. Solange strömt das Gas unverändert weiter und durch dessen Trägheit entsteht ein Druckgefälle in Richtung Auspuff (bildlich: Die Gassäule saugt am Auslass). Dieser Effekt wird auch bei Viertaktmotoren eingesetzt um bei Ventilüberschneidung bessere Gaswechsel zu erreichen. Der Diffusor hat dabei nur die Aufgabe, anders als ein oft zitierter Irrglaube, das Abgas auf niedrigere Strömungsgeschwindigkeit zu bringen, ohne das die Strömung dabei abreißt.

Am zweiten Kegelstumpf wird etwas später eine positive Druckwelle reflektiert. Hier staut sich das Gas aufgrund der Trägheit und die so entstandene Welle setzt in Richtung Auslass fort. Dadurch wird Frischgas, das in den Auspuff gedrückt wurde, in den Zylinder zurückgeschoben. Durch diese Art der Aufladung werden die Frischgasverluste gemindert (Resonanzauspuff). Die Länge und Form des Auspuffs in Verbindung mit der Höhe des Auslass-Schlitzes entscheiden über das Drehzahlband, welches der Auspuff unterstützt. Bei kurzen Auspuffen und hohen Auslass-Schlitzen ist die Zeit, in der das verbrannte Abgas wieder reflektiert bzw. herausgesogen wird, kürzer und somit eher für höhere Drehzahlen konzipiert. Das Gegenteil gilt für lange Auspuffe und flache Auslass-Schlitze. Die Gase strömen mit Schallgeschwindigkeit, die wegen der sehr hohen Abgastemperatur sehr viel höher als bei 20 °C ist. Deswegen ist es bei Hochleistungsmotoren üblich, die Schallgeschwindigkeit durch zusätzliches Quenchen zu regeln.

Da in erster Näherung am Ende des Ansaugvorganges immer atmosphärischer Druck im Zylinder ist, kann beim Otto-Zweitaktmotor von Qualitätsregelung gesprochen werden. Variiert über die Drosselklappe des Einlasssystems wird nur das Verhältnis von Gemisch zu Restabgas im Zylinder. Der im Teillastbereich hohe Anteil von Abgasen im Zylinder führt zu schlechten Verbrennungsgüten und hohen CO- und CH-Gehalten. Auf einen Lastpunkt z.B. in stationären Betrieb sind die Strömungsverhältnisse optimal abstimmbar mit entsprechend hohen Wirkungsgraden und gutem Abgasverhalten.

Spülungsvarianten

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

* Querstromspülung: Aus- und Einlasskanal liegen einander gegenüber.

* Umkehrspülung: Ein-und Auslasskanal liegen auf einer Zylinderseite. Der Frischgasverlust ist gegenüber der Querstromspülung geringer. Bei der von Schnürle entwickelten Variante, die sich durchgesetzt hat, erfolgt der Einlass beiderseits tangential, während der Auslass zentral geschieht.

Schmierung

Welche Schmierungsart verwendet wird, hängt von der Art der Erzeugung des Spüldrucks ab.

Wird das Kurbelgehäuse als Pumpkammer zur Erzeugung des Spüldrucks genutzt, kann keine Ölsumpfschmierung angewandt werden, bei der das Öl ständig an die Schmierstellen gepumpt wird und wieder zurückläuft. In diesem Fall wird das Öl dem Kraftstoff zugesetzt und schmiert so Pleuelgelenke, Kurbelwelle und Zylinderwand (Gemischschmierung). Dies führt zu hohem Ölverbrauch und hoher Belastung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen und Ruß.

Bei der sog. Getrenntschmierung wird das Öl aus einem extra Tank lastabhängig mit dem Kraftstoff vermischt, also ein variables Mischungsverhältnis erzielt, so dass in unkritischen Lastbereichen weniger Öl verwendet werden kann.

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, nur 70 bis 80 % der Energieabgabe pro Arbeitstakt [2]. Hierdurch allein entstehen eine Reihe von Vorteilen:

* geringerer Hubraum. Dadurch geringere thermische und Reibungsverluste und Potential zu geringerem Verbrauch

* geringere Masse

* gleichförmigeres Drehmoment

* geringere bewegte Masse: Dies ist eine Folge der geringeren Gesamtmasse und hat den positiven Effekt eines geringeren Drehimpulses; dies macht den Motor elastischer.

* hohe Drehzahlen bei den ventillosen Varianten einfacher möglich