Spülverlust

Schematische Darstellung des Ottozweitaktprozesses

Ein Zweitaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, üblicherweise in der Bauart als Hubkolbenmotor, der für den thermodynamischen Kreisprozess im Gegensatz zum Viertaktmotor nur eine Kurbelwellenumdrehung benötigt. Ein Takt ist die Bewegung des Kolbens von einem sogenannten Totpunkt zum anderen; die Kurbelwelle vollführt daher während eines Taktes eine halbe Umdrehung.

Umgangssprachlich bezeichnet der Begriff „Zweitakter“ einen ventillosen Ottomotor, dessen Schmierung durch ein Zweitaktgemisch erfolgt, das im Arbeitstakt durch eine Zündkerze, teils auch Glühkerze, gezündet wird. Neben dieser Bauart gibt es auch Zweitakt-Dieselmotoren, so den sogenannten Detroit Diesel, Motoren von Krupp, den Antrieb des M113 Panzers oder Schiffsdiesel.

Beispiele für Fahrzeuge mit Zweitaktmotor sind Motorräder, die Mehrzahl der Karts, der Pkw Trabant, Lkw von Krupp sowie Automobile und Kleintransporter der Marke DKW, die meisten Mopeds und immer noch viele Motorroller.

Unverändert beliebt oder unersetzlich sind Zweitaktmotoren in der Dieselausführung bei Schiffen, Lokomotiven und Notstromgeneratoren – in der Benzinausführung (Ottoprozess) bei Kleinfahrzeugen mit 50 cm³, Rasenmähern, Benzin-Kettensägen, Kartsport, Rollern (Scootern), Schiffs-, Flugzeugmodellen und Modellautos. Die Zweitakter-Großdieselmotoren von Schiffen gehören wegen ihres hohen Wirkungsgrades zu den wirtschaftlichsten Wärmekraftmaschinen schlechthin.

Geschichte des Zweitaktmotors

Verdichtungsloser, direkt wirkender Zweitakt-Gasmotor von Lenoir, 1861

Die ersten, heute als verdichtungslose oder atmosphärische bezeichneten Zweitaktmotoren arbeiteten nach einem völlig anderen Prinzip und werden nur deshalb so genannt, weil sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung zündeten – wie auch der moderne Zweitakter. Im 1. Takt wurde angesaugt und unverdichtet gezündet, im 2. Takt ausgepufft. Die Gaswechselsteuerung erfolgte mittels Schieber. Versuche von Jean Joseph Etienne Lenoir, Siegfried Marcus, und anderen, sie für mobile Zwecke zu verwenden (zwischen 1860 und 1870), scheiterten nicht zuletzt am ungünstigen Leistungsgewicht. Auch der berühmte „Sylvestermotor“ des Carl Benz von 1879 arbeitete nach diesem Prinzip. Als stationäre Gasmotoren waren solche Maschinen jedoch zu Beginn der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zu Tausenden in Verwendung. Die „klassische“ Bauweise wurde von dem britischen Ingenieur Joseph Day 1888 entwickelt und 1889 patentiert.

Allgemeine Prinzipien

Alle Zweitakter haben unabhängig von ihrer Bauart folgenden Prozessablauf:

1. Takt: Arbeit

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

2. Takt: Ausspülen, befüllen, verdichten

Während der Kolben zum unteren Totpunkt gleitet, wird durch die Freigabe des Überströmkanals das Abgas mit Frischgas (beim Dieselmotor entsprechend nur mit Luft) ausgespült und gleichzeitig der Zylinder befüllt. Auf dem Weg zum oberen Totpunkt verschließt der Kolben den Auslasskanal und die Verdichtung beginnt. Schließlich zündet das Gemisch, und der erste Takt beginnt von neuem.

Um ein positives Spülgefälle zu erzeugen, ist eine Spülpumpe erforderlich. In der einfachsten Bauform wird hierzu das Kurbelgehäuse verwendet, aus dem der Brennraum über Überströmkanäle befüllt wird. Die Steuerung erfolgt hierbei meist vom Kolben selber, indem dieser Aus- und Einlasskanal sowie die Überströmkanäle überfährt und so öffnet oder schließt. Alternativ kommen externe Spül- (Pressluft, Kompressor, Turbolader) und Steuer-Mechanismen (Drehschieber, Membran) zur Anwendung.

Vergaser eines 50-cm³-Zweitaktmokicks

Verschiedene Spülverfahren

Bei Zweitakt-Motoren unterscheidet man verschiedene Spülverfahren.

• Querstromspülung: bei der Querstromspülung liegen Aus- und Einlasskanal auf der gleichen Zylinderseite. Besonderes Merkmal war früher die Verwendung eines Nasenkolbens. Dadurch entstanden aber hohe Spülverluste, verbunden mit hohem Kraftstoffverbrauch. Deshalb wurde später ein flacher Kolben benutzt und die Ansaug-und Auslasskanäle gegenüberliegend angeordnet. Der Auslass wurde von 70° vor UT bis 70° nach UT freigegeben, der Überströmkanal von 60° vor bis 60° nach UT geöffnet.

• Umkehrspülung: Die Umkehrspülung wurde von Dr.-Ing. Adolf Schnürle entwickelt und 1928 patentiert. Nach diesem Verfahren arbeiteten die DKW-Motoren. Beim Aufwärtsgehen des Kolbens wird im Kurbelgehäuse ein Unterdruck erzeugt, und sobald der Kolben den Einströmkanal freigibt, strömt das Frischgasgemisch in das Kurbelgehäuse. Der Frischgaseintritt kann auch durch Drehschieber gesteuert werden. Beim Abwärtsgehen wird der Kanal wieder verschlossen und das Gasgemisch wird vorverdichtet. Kurz vor dem unteren Totpunkt wird der Überströmkanal durch ein Fenster im Kolbenhemd freigegeben und das Gemisch strömt in den Verbrennungsraum. Dadurch wird das Abgas aus dem Zylinder getrieben. Bei der Umkehrspülung sind der Auslass von 65° vor UT bis 65° nach UT und der Einlass von 50° vor UT bis 50° nach UT geöffnet. Der Frischgasverlust ist gegenüber der Querstromspülung um über 10 % geringer.

• weitere Bauformen sind die Vierkanalspülung, Gleichstromspülung und Kreuzstromspülung.

Vor- und Nachteile des Zweitaktprinzips

Vorteile des Zweitakters gegenüber dem Viertakter

• Keine Leertakte: Der Arbeitsverlust der Ansaug- und Verdichtungstakte (Leerhub) entfällt; bei jeder Kurbelwellenumdrehung findet ein Arbeitstakt statt.
• Hohe Hubraumleistung: Im Vergleich zum Viertakter kann mit dem gleichen Hubraum die beinahe doppelte Arbeit verrichtet werden. Dadurch ergibt sich ein potentiell niedrigeres Leistungsgewicht. Dabei muss aber der effektive Hub berücksichtigt werden, denn der Zweitakter verdichtet erst nach dem Schließen der Schlitze. Bei gleichem effektiven Hub erreicht der Zweitakter somit etwa 40 bis 60 % mehr Drehmoment als ein Viertakter.
• Einfachere Motorsteuerung, da auf Ventile entweder ganz verzichtet werden kann oder diese wesentlich einfacher zu koordinieren sind, weil der Ausstoß- und Ansaugetakt entfällt. Damit entfallen auch Kosten, Volumen, Gewicht und Antriebsverluste für die Ventilsteuerung.
• Bei großvolumigen, schweren Motoren wie etwa Schiffsmotoren ist besonders die einfache wartungsfreundliche Konstruktion und die mögliche Nutzung von Schweröl relevant.
• Gleichförmigeres Drehmoment
• Lageunabhängigkeit: Die bei kleinen Zweitaktern gebräuchliche Mischungs-Schmierung ist bei Motoren von Vorteil, die oft ihre Lage ändern, da hier die Schmierung immer gewährleistet ist. Bei Gemischschmierung gibt es keine Ölwanne, deshalb kann der Motor in jeder Position arbeiten (das ist wichtig für handgeführte Geräte wie Motorkettensägen oder Rasenmähern auf Böschungen).
• Sehr einfache Bauweise: Der Motor hat weniger bewegte Teile als etwa ein Viertakter und ist dadurch robuster und auch wartungsfreundlicher.
• Geringere bewegte Masse: Dies hat den positiven Effekt eines geringeren Drehimpulses. Dies ist unter anderem bei Crossmotorrädern interessant, wo Zweitaktmotoren eine höhere Beweglichkeit im Sprung ermöglichen, nicht zuletzt auch durch das niedrigere Leistungsgewicht gegenüber dem Viertaktmotor.

Nachteile des Zweitakters

• Die Befüllung muss entweder über externe Mechanismen (Spülgebläse) oder die Kurbelkastenpumpe geleistet werden.
• Schlechtere Befüllung der Zylinder (Spülverluste), was nur bei sehr langsamen Drehzahlen nicht ins Gewicht fällt. Abwechselnd Füllungsminima und -maxima in Verbindung mit der Kurbelkastenpumpe (dies fällt bei fremdgespülten Motoren weg).
• Bei höheren Drehzahlen eine größere thermische Belastung des Kolbens (und beim Ottomotor der Zündkerze), da die kühlenden Ansaug- und Verdichtungstakte fehlen.
• Bei Schlitzsteuerung hohe thermische Belastung im Bereich des Auslassschlitzes.
• Schieberuckeln (unruhiger Lauf im Schubbetrieb, vergleichsweise schlechtere Motorbremse als Viertaktmotoren)
• Schlechtes Abgasverhalten, hoher Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (hoher CH-Wert) beim Benzinmotor.
• Verlustölschmierung (teilweise durch Getrenntschmierung).
• Druckumlaufschmierung nur mit einem drucklosen Kurbelgehäuse möglich, erfordert deshalb ein Spülgebläse.
• Schmierung bei geringen Drehzahlen problematisch, da die Temperatur nicht hoch genug wird.
• Umweltbelastung: Da der Zweitakter sein Öl verbrennt, sind die Abgaswerte deutlich schlechter als die von vergleichbaren Viertaktmotoren
• Schlechte Spülung: Speziell bei der Auslegung als Ottomotor kommt es zu sogenannten Spülverlusten durch die teilweise Vermischung von Frischgas und Abgas während des Gaswechsels beim Otto-Zweitakter. Dadurch geht ein Teil des Frischgases unverbrannt in den Auspuff, was zu erheblichen Umweltbelastungen führt. Man versuchte die Spülverluste durch eine Nase auf dem Kolbenboden zu minimieren. Diese Nase lenkt das einströmende Frischgas in einen Wirbel, so dass es sich nicht direkt auf den Auslasskanal zu bewegen kann. Im Jahre 1925 entwickelte Adolf Schnürle die Umkehrspülung, die die Frischgasverluste minimierte. Die Vermeidung von Spülverlusten führt aber dazu, dass Abgas im Brennraum zurückbleibt. Die schlechte Spülung ist auch verantwortlich für den sehr schlechten Wirkungsgrad der Otto-Zweitakter (siehe auch: Fanggrad).
• Thermische Belastung: Ein weiterer Nachteil bei Otto-Zweitaktmotoren ist die höhere thermische Belastung von Kolben und Zylinder durch die doppelte Zündfolge. Dies führt vor allem bei Hochleistungs-Zweitaktmotoren häufig zu den sogenannten „Spardosen-Kolben“, welche in Folge thermischer Überlastung ein eingebranntes Loch im Kolbenboden aufweisen.

Aufgrund dieser Charakteristika kommt der Zweitakter heute entweder bei großen, langsamlaufenden Motoren zum Einsatz oder bei Anwendungen, bei denen geringe Kosten, kompakte Baugröße oder niedriges Gewicht wichtiger sind als der Wirkungsgrad, so etwa bei Leichtflugzeugen, Glühzündern im Modellbau oder Arbeitsgeräten wie Kettensägen und Außenbordmotoren.

Die hier geschilderten Vor- und Nachteile treffen für den herkömmlichen Zweitaktmotor zu; ganz eigene Vor- und Nachteile hat der Zweitakt-Gegenkolbenmotor.

Es gibt verschiedene Ansätze, die oben angegebenen Probleme zu lösen: Angefangen von Motoren mit Drehschiebersteuerungen, Ventilsteuerung oder Membransteuerungen bei der Motorsteuerung über die sog. Getrenntschmierung mittels extra lastabhängiger Schmierstoffzuführung bis hin zum aktuellen Stand der DEFI, moderner direkteinspritzender Zweitaktmotoren.

Trotz der zahlreich vorhandenen Lösungsansätze wird der Zweitaktmotor zunehmend von Viertaktmotoren verdrängt, weil bei den weitaus meisten Verbesserungen auch die mechanische Komplexität des Motors zunimmt. Damit gehen wichtige Vorteile, wie die einfache Herstellung oder das geringe Leistungsgewicht, zugunsten des Viertakters verloren.

Bauweisen des Zweitaktmotors

Klassischer Zweitaktmotor

Eine Besonderheit von Zweitaktmotoren ist ihre Eigenschaft, die Gemischaufbereitung auch ohne Ventile zu regeln. Dies ist sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren möglich. Diese Bauweise ist im allgemeinen Sprachgebrauch fast synonym zu Zweitakter.

Arbeitsweise eines Zweitaktmotors mit Membran-Einlaßsteuerung und Resonanzauspuff

Klassischer Otto-Zweitaktmotor

Um die Arbeitsweise dieses Motors besser verstehen zu können, verfolgt man am besten den Weg des Gases durch den Motor. Beim Zweitakt-Ottomotor erfolgt die Gasverarbeitung in folgenden Schritten:

1. Ansaugen – Der Kolben bewegt sich vom sogenannten unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) und erzeugt dadurch einen Unterdruck im Kurbelwellengehäuse. Dieser Unterdruck bewirkt bei geöffnetem Einlasskanal ein Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
2. Vorverdichten – Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt, nach dem Schließen des Einlasskanals durch die untere Kolbenkante (oder durch die Membrane, wie im Bild oben) wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch vorverdichtet.
3. Überströmen – Danach werden durch die obere Kolbenkante die Überströmkanäle geöffnet, und das vorverdichtete Gas strömt in den Brennraum. Es erfolgt die Spülung des Brennraumes, bei der Abgas durch Frischgas ersetzt wird.
4. Verdichten – Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt; durch die obere Kolbenkante werden zuerst die Überströmkanäle, dann der Auslass verschlossen. Danach erfolgt durch die weitere Hubbewegung die Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
5. Arbeiten – Das Gemisch wird entzündet und verbrennt. Die dabei entstehende Flammenwand innerhalb des Brennraumes breitet sich dabei mit ungefähr zweifacher Schallgeschwindigkeit aus. Durch die Reaktionswärme dehnen sich die Gase aus und erzeugen den Arbeitsdruck, der den Kolben in Richtung unterer Totpunkt drückt. Der Arbeitstakt ist der einzige Takt, bei dem nutzbare Energie freigesetzt wird.
6. Auslassen – Auf dem Weg vom oberen zum unteren Totpunkt wird der Auslass durch die obere Kolbenkante geöffnet; die Abgase können entweichen.

Die einzelnen Schritte laufen teilweise parallel ab, denn die gesamte Prozedur findet während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle statt. Dabei werden alle Schritte in zwei Takte unterteilt. Der erste Takt beinhaltet alle Abläufe, die während der Aufwärtsbewegung des Kolbens (von UT nach OT) erfolgen. Der zweite Takt umfasst die Abläufe, welche während der Abwärtsbewegung des Kolbens (von OT nach UT) erledigt werden.

• 1. Takt – Verdichten und ansaugen:
  • Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird zunächst der Überströmkanal, später die Auslassöffnung verschlossen.
  • Während der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder weiter verdichtet und kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts bereits entzündet (siehe hierzu Verdichtungsverhältnis, Kompressionsdruck).
  • Im Vorverdichtungsraum unter dem Kolben wird neues Frischgas durch den Einlasskanal angesaugt.

• 2. Takt – Arbeiten, vorverdichten, überströmen und auslassen:
  • Der Kolben durchläuft den oberen Totpunkt. Die Zündkerze entzündet das Gemisch im Brennraum über dem Kolben. Durch die Temperaturerhöhung steigt der Druck im Brennraum. Der Kolben bewegt sich nach unten und verrichtet dabei mechanische Arbeit.
  • Im Raum unter dem Kolben wird das angesaugte Frischgas durch die Abwärtsbewegung des Kolbens verdichtet (Ladepumpen-Funktion des Kurbelraums).
  • Im unteren Teil der von der Kolbenoberkante überstrichenen Zylinderfläche liegen in der Zylinderwand die Überströmkanäle und die Auslassöffnung. Während der letzten Phase der Kolbenabwärtsbewegung werden die Auslassöffnung und die Überströmkanäle freigegeben. Das unter Überdruck stehende Frischgas strömt vom Vorverdichtungsraum unter dem Kolben durch die Überströmkanäle in den Zylinder und spült das verbrannte Abgas durch die Auslassöffnung in den Auspufftrakt hinaus.

Die Steuerung des Öffnens und des Schließens der Kanäle erfolgt meist durch den Kolben, kann aber auch durch Drehschieber und Membranen erfolgen.

Der Zweitaktmotor ist ein Resonanzsystem, dessen Leistungsentfaltung von den Schwingungseigenschaften der verwendeten Gase abhängig ist (Trägheit). Bereits beim Ansaugvorgang wird die Trägheit des Frischgases ausgenutzt. Das Frischgas strömt während der Aufwärtsbewegung des Kolbens in das Kurbelgehäuse, wobei alleine die Massenträgheit des Gases dafür sorgt, dass es bei der Abwärtsbewegung des Kolbens nicht wieder herausgedrückt wird.

Beim Auslass-Vorgang kann die Schwingung der Abgase durch geeignete Gestaltung der Auspuffanlage besonders effektiv genutzt werden (siehe Bild oben). Sobald der Kolben den Auslass-Schlitz freigibt, strömen die Abgase in den Auspuff. Die Strömungsgeschwindikeit 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 zititierte Irrglaube, das Abgas auf niedrigere Strömungsgeschwindikeit zu bringen, ohne das die Strömung dabei abreißt.

Am 2. Kegelstumpf wird etwas später eine positive Druckwelle reflektiert. Hier staut sich das Gas aufgrund der Trägheit und die so entstandene Welle setzt in Richtung Auslass fort. Dadurch wird Frischgas, das in den Auspuff gedrückt wurde, in den Zylinder zurückgeschoben. Durch diese Art der Aufladung werdem 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 Schallgeschwindikeit 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.

Klassischer Diesel-Zweitaktmotor

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

Diesel-Zweitaktmotor eines Krupp „Elch“

Die weltweit bekanntesten Zweitaktdieselmotoren sind die Baureihen 53, 71, 92, 149 der Detroit Diesel Corporation DDC. Die Zahlen geben den Hubraum eines Zylinders in Kubikzoll an. Diese Zweitaktmotoren haben immer Auslassventile im Zylinderkopf – idealerweise bis zu vier – und sind immer mit einem Rootsgebläse versehen – idealerweise mit vorgeschalteten Turboladern und nachgeschalteten Intercoolern (wassergekühlt).

Bei einem Zweitakt-Dieselmotor wird die Frischluft durch Einlassschlitze (ports) im unteren Bereich der Laufbüchse eingeblasen. Um die Brennraumgase über die Auslassventile in den Abgastrakt zu drücken, bedarf es eines höheren Druckes der Frischluft – welches das Rootsgebläse liefert.

Der Zweitaktdiesel hat – ebenso wie sein Benzinäquivalent – einen schlechten Ruf – jedoch vollkommen zu Unrecht. In mehrfacher Hinsicht ist er eindeutig dem 4-Takter überlegen. Deutlich geringeres Leistungsgewicht – bevorzugte Verwendung beim Traktorpulling, als Bootsmotor und Schiffsdiesel. Deutlich höhere Laufleistung – in den USA sind Industriemotoren mit 150.000 Betriebsstunden bekannt. Höherer Wirkungsgrad durch höhere Brennraumtemperaturen – kein unnützes Abkühlen durch den zusätzlichen Gaswechsel beim 4-Takter. Läuft mit allen erdenklichen Betriebsstoffen – einschließlich Alkohol/Ethanol.

Jedoch sind die Herstellungskosten eines Zweitaktdieselmotors nahezu doppelt so hoch wie die eines gleichwertigen 4-Takt-Dieselmotors.

So ist auch die Firma Krupp an den hohen Herstellungskosten ihrer Zweitaktmotoren im Wettbewerb gescheitert. Nach heutigem Stand ist die Zukunft des totgeglaubten Zweitaktdiesels besser den je – gerade der technische Vorteil des besseren Wirkungsgrades und günstigeren Leistungsgewichts kann bei weiter steigenden Kraftstoffpreisen und mit innovativem Motormanagement zu einer Renaissance dieses Motortyps führen.

Leistungssteigernde Konstruktionslösungen

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

• Verdichtungssteigerung – Je höher die Verdichtung eines Motors, desto besser sein Wirkungsgrad. Die maximale geometrische Verdichtung für Zweitakt-Ottomotoren liegt allerdings zwischen 1:12 und 1:15, bei höheren Verdichtungsverhältnissen neigt der Motor zu thermischer Überlastung und Selbstzündungen. Es tritt dann das sogenannte „Klopfen“ auf.
• Resonanzauspuff – Wenn der Auspuff aus Krümmer, Diffusor, Mittelteil und Gegenkonus besteht, spricht man von einem Resonanzauspuff (den viele Motorräder bereits von Haus aus haben). Je kürzer der Abstand zwischen dem Auslass und dem Ende des Gegenkonus gewählt wird, desto höher liegt die Resonanzdrehzahl des Motors.
• Drehschieber-Steuerung – Sie wurde konzipiert, um die einlassseitigen Gasschwingungen in einem breiteren Bereich als durch die Kolbenbewegung erzwungen kontrollieren zu können. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine von der Kurbelwelle angetriebene Scheibe, die einen Schlitz aufweist. Nur wenn diese Öffnung den Einlasskanal freigibt, kann das Frischgas passieren. Die Öffnungszeit des Einlasskanals wird nun allein durch die Länge des Schlitzes bestimmt, die leicht an die Betriebsbedingungen des Motors angepasst werden kann.
• Einlassmembrane – Da das Frischgas außerhalb der Resonanzdrehzahl des Kurbelgehäuses dazu tendiert, vom Kolben wieder in den Einlasskanal zurückgedrückt zu werden, wurde zwischen Kurbelgehäuse und Einlasskanal eine Membran angebracht. Sie erfüllt die Funktion eines Rückschlagventils und sorgt so für eine bessere Füllung des Kurbelgehäuses (und damit auch des Brennraums). Der Nachteil dieser Membran liegt jedoch darin, dass das einströmende Frischgas nun einem Strömungswiderstand ausgesetzt ist. Um dem entgegenzutreten, wird bei Motoren mit Einlassmembran der Einlasskanal wesentlich größer gewählt als bei herkömmlichen Modellen. Da der Strömungswiderstand besonders bei niedrigen Drehzahlen (wenn die Membrane sich nur leicht öffnet) stark ins Gewicht fällt, sind bei manchen Motoren zusätzliche kleine, nicht mit Membranen versehene Einlaßkanäle vorhanden.
• Einlass-Schwingungsdämpfer – Ein Problem der Gasschwingungen am Einlasstrakt des Motors ist die Tatsache, dass die Frischgassäule außerhalb der Resonanzdrehzahl mehrmals durch den Vergaser schwingen kann. Dies bewirkt vor allem im Teillastbereich ein Überfetten des Frischgasgemisches, da dieses bei jedem Vergaserdurchlauf mit Treibstoff angereichert wird. Dieses Problem lässt sich dadurch lösen, dass der Kanal entlüftet wird: zwischen Vergaser und Einlasskanal wird ein Schlauch angebracht, der in einen leeren, geschlossenen Behälter mündet. Dieser Behälter dämpft die Schwingungen der Frischgassäule, weil in ihm während des Ausaugens zunächst ein Unterdruck erzeugt wird, der die zurückschnellende Frischgaswelle einfach "aufsaugt". Äußerst wichtig dabei ist, dass sich die Resonanzfrequenz des Einlass-Schwingungsdämpfers außerhalb des Drehzahlbereiches befindet, da er bei Resonanz wirkungslos ist.
• Kolbenfenster – Da das Kolbenhemd den Einlasskanal erst freigibt, wenn die Kurbelwelle einige Grad vor OT entfernt ist, bleibt dem Frischgas relativ wenig Zeit, um in das Kurbelgehäuse zu strömen. Um diese Zeit zu verlängern, haben einige Konstrukteure Fenster am Kolbenhemd angebracht. Dadurch wird die Einlasszeit länger, und es strömt mehr Gemisch in das Kurbelgehäuse. Bei richtiger Dimensionierung bewirkt diese Maßnahme eine Erhöhung der Resonanzdrehzahl; das Drehzahlband wird spitzer und verschiebt sich in höhere Drehzahlregionen.
• Auslasssteuerung – Beim Zweitakt-Ottomotor hat die Auslasssteuerung die Aufgabe, die Höhe des Auslass-Schlitzes zu regeln. Je geringer seine Höhe, desto niedriger ist auch die Resonanzdrehzahl des Motors. Weil Hochleistungsmotoren ihre maximale Leistung erst bei sehr hohen Drehzahlen entwickeln, entsteht das Problem, dass der Motor in niedrigen Drehzahlbereichen kaum noch Leistung abgeben kann. Ist man durch eine Auslasssteuerung jedoch in der Lage, die Resonanzdrehzahl an die momentane Drehzahl anzupassen, so erhält man einen Motor, der auch in niedrigen Drehzahlregionen durchzugsstark ist, ohne in hohen Drehzahlbereichen Leistung einbüßen zu müssen.
• Kurbelgehäuseoptimierung – Je kleiner das Volumen des Kurbelgehäuses ausgelegt ist, desto höher ist auch die Pumpleistung des Kolbens (bessere Füllung). Bei Serienmotoren ist dies automatisch gegeben, da die Wuchtgewichte der Kurbelwelle bereits den meisten Raum des Kurbelgehäuses ausfüllen. Da der Effekt dieser Maßnahme nur mäßig ist, wird nur bei Hochleistungsmotoren auf die Minimierung des Kurbelgehäusevolumens Wert gelegt.
• Aufladung - Durch einen Kompressor wird das zündfähige Gemisch vor dem Eintritt in den Brennraum komprimiert, sodaß eine größere Menge davon in den vorhandenen Hubraum gelangt, was eine höhere Leistung ermöglicht. Prinzipiell ist dies auch mit einem Turbolader möglich, jedoch werden bei den relativ langsamdrehenden Motoren in Nutz- und Militärfahrzeugen mechanisch angetriebene Kompressoren eingesetzt, etwa ein Roots-Gebläse.

Moderne, ventilgesteuerte Zweitaktmotoren

Viele der heutigen Zweitakter haben gesteuerte Auslassventile und Einlassschlitze. Befüllt werden sie von getrennten Ladepumpen. Hierdurch wird ein sauberer Gaswechsel erreicht, und es ist keine Gemischschmierung mehr notwendig, sondern die Kurbelwelle lagert wie beim Viertakter in Öl. Allerdings ist ein solcher Zweitakter ähnlich kompliziert wie ein Viertakter.

Diese Bauweise eignet sich besonders für langsamlaufende Motoren mit großem Hubraum (Schiffsdiesel, mit Bohrungen von einem Meter und Hüben von ca. drei Metern), da die langsame Drehzahl immer eine ausreichende Befüllung ermöglicht und das Gewicht der externen Lader kaum eine Rolle spielt. Wegen des verwendeten Treibstoffs (Bunkeröl) gibt es solche ventilgesteuerten Zweitakter nur als Diesel.

Der große Zweitakter-Schiffsdieselantrieb wird in Bezug auf den thermischen Wirkungsgrad unter den Wärmekraftmaschinen nur von modernen Gasturbinen übertroffen: Es gelingt mit ihm, bis zu 55 % der chemisch gebundenen Energie des Kraftstoffes in nutzbare mechanische Arbeit zu verwandeln. Im Vergleich hierzu werden bei PKW-Ottomotoren selten mehr als 30 % herausgeholt, und bei PKWs haben nur moderne Turbodiesel mehr als 40 % Wirkungsgrad.

Für Ottomotoren ist diese Bauweise nach heutigem Stand der Technik ungeeignet, da der Otto-Prozess nur für hochdrehende Motoren sinnvoll ist. Direkteinspritzung gibt es auch. Bei einer Direkteinspritzung sind Abgasemission und Benzinverbrauch geringer.

Aktuelle Entwicklungen

Eine weitere Bauform ist der Gegenkolbenmotor mit zwei Kurbeltrieben pro Zylinder, der als schlitzgesteuerter Motor eine Gleichströmung ermöglicht.

Ebenfalls ungewöhnlich ist die Bauweise des Pivotalmotors, der es mit wassergekühltem Pivotal-Kolben und Direkteinspritzung (aktuell Entwicklung mit Orbital-System) ermöglicht, die Spülverluste auf ein Minimum zu reduzieren und mit Gemischen von bis zu 1:300 gegenüber herkömmlichen Kolbenanordnungen (i.d.R. 1:50 - 1:100) zu arbeiten.

Aktuell erlebt der Zweitaktmotor eine gewisse Renaissance. Besonders im Bereich Bootsmotoren, etwa bei Jet Ski oder auch im Ultralightflug werden wieder verstärkt Zweitaktmotoren eingesetzt, welche nicht mehr die klassischen Nachteile der herkömmlichen Bauart besitzen. Beispiele hierfür sind u.a. ROTAX Motoren, welche unter Verwendung eines Direkteinspritzungsystemes (Ficht FFI) eine neue Generation von Motoren darstellen, so ROTAX 600 H.O. E-Tec, die in den Schneemobilen der Ski-Doo-Serie eingesetzt werden und den Viertaktmotoren deutlich überlegen sind.

Nissan setzt mit dem TLDI (Two stroke Low pressure Direct Injection)-System ebenfalls auf Zweitaktmotoren bei Bootsmotoren. Yamaha hat das sogenannte HDPI (High Pressure Direct Injection)-System. Weiterhin existiert das Envirofit International - Projekt, bei dem herkömmliche Zweitaktmotoren zu Direkteinspritzern unter Verwendung der Orbital-Einspritzung mit umweltfreundlicheren Abgaswerten umgerüstet werden. Dies wird durch Austausch des Zylinderkopfes und Nachrüstung einer Einspritzung (Bausatz) erreicht. Das Ziel dieses Projektes ist es, die millionenfach in Asien anzutreffenden Leichtkrafträder mit herkömmlichen Zweitaktmotoren und damit entsprechendem Umweltproblemen durch eine Umrüstung zu umweltfreundlicheren Fahrzeugen zu machen.

Literatur

• Christian Rieck: Zweitakt-Motoren-Tuning. Eschborn 2004, ISBN 3-924043-25-6 (Erklärt die Funktionsweise des Zweitaktmotors und Möglichkeiten zur Leistungssteigerung)
• W. A. Doernhoeffer: Zweitakt-Praxis. Christian Rieck Verlag, Eschborn 2004, 3. Auflage, 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, Motormanagment und Schadstoffreduzierung durch CWI und dergleichen ist dieses Buch auch heute noch aktuell.)

Weblinks

• Zweitaktprinzip