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Zweitaktmotor

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Definition: ein Verbrennungsmotor (meist in Form eines Hubkolbenmotors), bei dem bei jeder Abwärtsbewegung des Kolbens Arbeit geleistet wird

Englisch: two-stroke engine

Kategorie: Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 03.05.2015; letzte Änderung: 21.02.2016

Ein Zweitaktmotor ist ein Verbrennungsmotor in Form eines Hubkolbenmotors, der pro Arbeitszyklus nur zwei Takte absolviert, und zwar innerhalb nur einer Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens, anstatt wie beim Viertaktmotor mit vier Takten innerhalb von zwei Auf- und Abwärtsbewegungen. Die wesentlichen Vorteile dieses Ansatzes sind die folgenden:

Das Zweitaktprinzip hat mehrere grundsätzliche Vorteile – allerdings auch wesentliche Nachteile.

Diesen Vorteilen steht allerdings auch eine Vielzahl von Nachteilen gegenüber, die weiter unten diskutiert werden. Die Ausprägung von Vor- und Nachteilen hängt stark von der jeweiligen Bauart ab.

Es gibt extrem unterschiedliche Arten von Zweitaktmotoren mit entsprechend unterschiedlichen Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf Energieeffizienz und Abgasqualität.

Es gibt eine Vielzahl von Bauarten für Zweitaktmotoren. Viele davon arbeiten nach dem Grundprinzip des Ottomotors, andere dagegen sind Dieselmotoren. Besonders verbreitet sind einerseits mit Benzin betriebene Kleinmotoren (mit wenigen Kilowatt Leistung) beispielsweise für kleine motorisierte Zweiräder, Außenbordmotoren und Arbeitsgeräte wie Rasenmäher, Laubbläser, Motorsägen und Schneefräsen, und andererseits sehr große Zweitakt-Dieselmotoren beispielsweise für den Antrieb von Schiffen. Weniger häufig sind benzinbetriebene Zweitaktmotoren mit Dutzenden von Kilowatt für größere Boote und Snowmobile. Für den Antrieb von Pkw und Lastwagen haben Zweitaktmotoren heute praktisch keine Bedeutung mehr, außer in wenigen Ländern mit extrem laxer Abgasgesetzgebung. Zwar sind in den 1990er Jahren Bemühungen bekannt geworden, mit neu entwickelten Zweitaktmotoren Vorteile insbesondere im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch zu erreichen, jedoch scheinen diese an diversen Schwierigkeiten (wohl vor allem im Zusammenhang mit der Abgasqualität und eventuell mit der Komplexität und der Lebensdauer) gescheitert zu sein. Zudem hat insbesondere bei Dieselmotoren der Leistungsunterschied zwischen Zweitakt- und Viertaktmotoren wegen des verbreiteten Einsatzes der Turboaufladung abgenommen.

Funktionsprinzip des Zweitaktmotors

Das Grundprinzip eines einfach gebauten (schlitzgesteuerten) kleinen Zweitaktmotors für den Betrieb mit Benzin wird in Abbildung 1 gezeigt und im Folgenden erläutert:

Der Ladungswechsel wird im Zweitaktmotor auf eine relativ trickreiche Weise bewerkstelligt.

Zweitaktmotor

Abbildung 1: Die zwei Takte bei einem einfachen Zweitakt-Ottomotor mit Kolbenkantensteuerung.

Der Ladungswechsel wird häufig von Schwingungen der Gase im Auspufftrakt und im Einlasstrakt unterstützt. Bei geeigneter Auslegung beispielsweise des Auspufftrakts kann dort eine resonante Schwingung auftreten, die einen übermäßigen Frischgasverlust verhindert. (Die erfolgreiche Ausnutzung solcher Gasdynamik ist jedoch meist auf einen bestimmten Drehzahlbereich beschränkt, außer wenn eine drehzahlabhängige Anpassung der Geometrie des Auspufftrakts z. B. über steuerbare Ventile vorgenommen wird.) Hilfreich wirkt auch die gängige Umkehrspülung mit tangentialer Ausrichtung der Einlasskanäle, die gegen ein direktes Überströmen zum Auspuff hin wirkt.

Es gibt recht unterschiedliche Arten der Steuerung des Ladungswechsels in Zweitaktmotoren.

Die obigen Erklärungen gelten für eine einfache Bauart mit Kolbenkantensteuerung: der Einlass wie auch der Auslass wird dadurch gesteuert, dass der Kolben entsprechende Schlitze freigibt oder verschließt. (Zusätzlich dient ein Membranventil als Rückschlagventil.) Bei anderen Bauarten gibt es stattdessen eine Drehschiebersteuerung oder auch eine Steuerung durch einen anderen, phasenverschoben oszillierenden Kolben. Vor allem bei großen Zweitakt-Dieselmotoren verwendet man eine Steuerung durch Tellerventile ähnlich wie bei einem Viertakt-Ottomotor, zumindest für den Auslass oder auch für Ein- und Auslass (mit Kopfumkehrspülung).

Die bei kleinen Motoren üblichen Verfahren, um den Ladungswechsel zu gestalten (v. a. mit Kolbenkantensteuerung) ergeben einerseits eine einfache und kostengünstige Bauweise (z. B. ohne Ventile und deren aufwendigen Antriebs- und Steuermechanismus), haben andererseits aber erhebliche Nachteile:

Eine vollständige Entfernung des Abgases und eine vollständige Füllung des Brennraums mit Gemisch gelingt beim einfachen Zweitaktmotor kaum.

Spülungsverluste sind beim Zweitaktmotor ein wesentlicher Grund für schlechte Abgaswerte und hohen Kraftstoffverbrauch.

Die ungewollt starke Abgasrückführung beim Betrieb mit geringer Last kann die Hauptursache für einen unruhigen Motorbetrieb und eine unvollständige Verbrennung sein.

Verbesserungen des Ladungswechsels sind mit verschiedenen Methoden möglich, die allerdings meist auch zu einer Erhöhung des technischen Aufwands führen:

Etliche Nachteile einfacher Zweitaktmotoren lassen sich mit zusätzlichen Maßnahmen mildern oder vermeiden – was freilich den technischen Aufwand entsprechend erhöht.

Einfachere Maßnahmen, beispielsweise die Optimierung von Kolben- und Brennraumformen, bieten geringere Verbesserungspotenziale.

Schmierung

Große ventilgesteuerte Motoren haben normalerweise eine Druckumlaufschmierung, wie sie auch bei Viertaktmotoren üblich ist. Dieses Verfahren schließt allerdings die Verwendung des Kurbelgehäuses als Pumpkammer für das Gemisch aus, da es damit schnell zu einer Schmierölverdünnung kommen würde. Somit wird ein separates Gebläse für den Ladungswechsel benötigt.

Die Gemischschmierung ist eine technisch einfache und wartungsarme Lösung, die allerdings erhebliche Nachteile und Einschränkungen mit sich bringt.

Bei kleinen benzingetriebenen Zweitaktmotoren ist dagegen eine Gemischschmierung die häufigste Variante. Hier wird dem Kraftstoff eine gewisse Menge von Schmieröl beigegeben, beispielsweise im Verhältnis 1:50, d. h. 1 / 50 = 2 % des Zweitaktgemischs besteht aus Schmieröl. (Meistens wird diese Beimischung schon vor dem Tanken vorgenommen, d. h. man muss ein Zweitaktgemisch mit passendem Ölanteil tanken und nicht reines Benzin.) Es ist dann kein Ölwechsel notwendig, was den Wartungsaufwand verringert. Diese Art der Schmierung funktioniert auch bei verschiedenen Orientierungen des Motors, was insbesondere bei handgehaltenen Arbeitsgeräten von Bedeutung ist. Das Schmieröl wird nach seiner Verwendung verbrannt (Verbrauchsschmierung) – allerdings recht unvollständig, was zu hohen Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen führt und häufig auch zu störenden Ablagerungen im Motor und in der Auspuffanlage. Natürlich ist diese Art der Schmierung nicht mit einer Direkteinspritzung kombinierbar.

Längerer Schubbetrieb kann bei Zweitaktmotoren mit Gemischschmierung zum Totalschaden führen!

Problematisch ist an der Gemischschmierung auch die Abhängigkeit der Schmierung von der Kraftstoffzufuhr. Zwar ist es im Prinzip richtig, bei verringerter Last auch weniger Schmieröl einzusetzen. Bei längerem Schiebebetrieb (beispielsweise bei einer Bergabfahrt) kann die Schmierung aber unzureichend sein, was zu einem Motorschaden führen kann. (Eine Schubabschaltung wäre in dieser Situation ohnehin nicht anwendbar.) Unter anderem deswegen gibt es Systeme mit Getrenntschmierung, bei denen das Schmieröl in einem separaten Tank mitgeführt und dann besser dosiert werden kann. Das Schmieröl kann beispielsweise mithilfe einer oder mehreren Ölpumpen zu den Zylinderlaufbahnen gebracht werden. So kann eine ausreichende Schmierung in allen Situationen erreicht werden, während der durchschnittliche Ölverbrauch reduziert wird. Auch damit liegt der Ölverbrauch allerdings weit höher als bei einem Viertaktmotor.

Die Anforderungen an Schmieröle für Zweitaktmotoren sind deutlich anders als bei Viertaktmotoren. Wichtig ist beispielsweise, dass das Öl bei der Verbrennung möglichst wenig Rauch und übelriechende Stoffe erzeugt sowie möglichst wenig Ablagerungen im Motor und in der Auspuffanlage verursacht. Weitere Aspekte sind eine gute Löslichkeit im Kraftstoff und ein erhöhter Korrosionsschutz für den Motor, da dem Kurbelgehäuse ja ständig Sauerstoff zugeführt wird. Dagegen sind die Temperaturabhängigkeit der Viskosität und das Dispergiervermögen kaum von Bedeutung.

Abgasqualität und Kraftstoffverbrauch

Benzinmotoren

Die weit verbreiteten benzinbetriebenen Zweitakt-Kleinmotoren mit einfacher Bauart (Kolbenkantensteuerung und Gemischschmierung) weisen meistens eine miserable Abgasqualität auf, zumal sie in der Regel über keinerlei Abgasreinigungsanlage verfügen. Sie emittieren zwar nicht allzu viel Stickoxide, dafür aber große Mengen von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, wobei letztere zum Teil durch die Spülungsverluste und zum Teil durch die Gemischschmierung entstehen und im Sommer stark zum Ozon-Smog beitragen. Auch der häufige Betrieb mit einem recht fetten Gemisch (→ Volllastanreicherung) und eine sehr ungenaue Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses tragen zu diesem Problem bei. Unverbrannte Ölbestandteile tragen auch Partikelemissionen (Feinstaub) bei, die als Blaurauch oft sogar gut sichtbar sind. Diverse Kohlenwasserstoffe verursachen auch den markanten Geruch solcher Abgase.

Die Abgase vieler Zweitaktmotoren sind sehr giftig und damit eine gesundheitliche Belastung für Personen, die solche Abgase einatmen müssen. Auch der Kraftstoffverbrauch ist oft unverhältnismäßig hoch

Kleine Zweiräder, die von solchen Motoren angetrieben werden, stoßen pro Kilometer Fahrstrecke weitaus mehr giftige Schadstoffe aus als ein Auto. (Die geltenden Abgasgrenzwerte sind sehr viel weniger streng als bei Autos; der Artikel über Kohlenmonoxid nennt ein Zahlenbeispiel.) In Städten, wo Mopeds häufig benutzt werden, erzeugen sie einen Großteil des Feinstaubs in der Luft, selbst wenn sie nur einen Bruchteil des gesamten Kraftstoffverbrauchs verursachen. Wegen ihres geringen Wirkungsgrads verursachen sie auch einen unverhältnismäßig hohen Kraftstoffverbrauch – selbst bei Mopeds mit 40 km/h oft sogar mehr als ein kleines Auto, obwohl die benötigte Motorleistung ja viel geringer ist.

Die genannten Nachteile kleiner Zweitaktmotoren fallen natürlich wenig ins Gewicht, soweit solche Motoren nur wenige Betriebsstunden im Jahr erreichen. Beispielsweise wird eine Schneefräse oft nur für einige Stunden innerhalb eines Winters eingesetzt, sodass der Aufwand für einen besseren Motor (und für einen erhöhten Wartungsaufwand, z. B. für den beim Viertaktmotor nötigen Ölwechsel) unverhältnismäßig hoch wäre. Dies gilt für viele handgehaltene Arbeitsgeräte. Ein Problem ist allerdings, dass mit solchen Geräten arbeitende Personen häufig lokal sehr starken Belastungen der Atemluft ausgesetzt sind. Die Abgasproblematik ist also weniger ein ökologisches als ein gesundheitliches Problem.

Abgaskatalysatoren sind bei Zweitaktmotoren nur begrenzt anwendbar, da für eine gute Wirksamkeit ein gut geregeltes Verbrennungsluftverhältnis benötigt würde. Die herkömmliche Regelung mit einer Lambdasonde funktioniert nicht gut, wenn die Verbrennung nicht stabil erfolgt, sondern immer wieder Aussetzer zeigt, wie es bei Zweitaktmotoren vor allem im unteren Teillastbereich häufig vorkommt. Ein hoher Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Rohabgas kann außerdem zu einer starken thermischen Belastung des Katalysators führen, in dem die Kohlenwasserstoffe dann oxidiert werden. Hinzu kommt, dass die Belastung des Katalysators mit Resten von Schmieröl dessen Wirksamkeit beeinträchtigen kann.

Wo kann man Zweitaktmotoren problemlos durch Viertaktmotoren ersetzen?

Wo es möglich ist, sollten Zweitaktmotoren durch Viertaktmotoren ersetzt werden, vor allem um eine massiv reduzierte Schadstoffbelastung der Luft zu erreichen. In manchen Bereichen, etwa bei motorisierten Zweirädern, Rasenmähern und Bootsmotoren, gibt es auch keinerlei zwingenden Grund, weiterhin Zweitaktmotoren zu verwenden. (Zunehmend besteht sogar die Möglichkeit zum Einsatz eines Elektroantriebs.) Schwieriger ist es bei handgehaltenen Arbeitsgeräten, die mit einem Viertaktmotor wesentlich schwerer und unhandlicher würden.

Dieselmotoren

Völlig andere Verhältnisse liegen bei Zweitakt-Dieselmotoren vor, die eine wesentlich andere Bauart und Betriebsbedingungen haben. Der Wirkungsgrad solcher Motoren kann bei Volllast deutlich oberhalb von 50 % liegen, sodass solche Zweitaktmotoren zu den energieeffizientesten Wärmekraftmaschinen gehören. Die Abgasproblematik ist hier ebenfalls eine völlig andere:

Bei Schiffsdieselmotoren sind die Hauptprobleme der Betrieb mit minderwertigem Schweröl sowie fehlende Partikelfilter und Entstickungsanlagen.

  • Ein Hauptproblem ist, dass vor allem Schiffsmotoren aus Kostengründen häufig mit billigem, aber sehr minderwertigen Schweröl betrieben werden. Vor allem hat dieses einen hohen Schwefelgehalt (mehrere Prozent), was zu entsprechend hohen Emissionen von giftigem Schwefeldioxid führt. Dieses Problem kann freilich durch Verwendung hochwertigeren Dieselkraftstoffs gelöst werden.
  • Hinzu kommen Partikelemissionen (Feinstaub) als Folge einer nicht vollständigen Verbrennung, gegen die ein Rußpartikelfilter wirksam eingesetzt werden kann. Mangels entsprechender Vorschriften z. B. für Schiffsmotoren geschieht dies bisher allerdings selten.
  • Außerdem entstehen Stickoxide, die beispielsweise durch eine Entstickungsanlage auf einem Schiff beseitigt werden könnten (aber meistens nicht werden).

Schallemissionen

Geräte und Fahrzeuge mit Zweitaktmotor fallen oft durch besonders unangenehme Geräuschemissionen auf.

Viele Fahrzeuge und Geräte (z. B. Kettensägen und Laubbläser), die mit einem Zweitaktmotor ausgerüstet sind, fallen durch sehr lästige Geräuschemissionen auf – insbesondere durch ein scharfes, sägendes Geräusch bei hoher Last. Solche Schallemissionen entstehen hauptsächlich durch scharfe Druckstöße, die beim Entweichen des Abgases durch den Auslassschlitz und teils auch durch das Einsaugen der Luft an einem Einlassschlitz verursacht werden. Im Prinzip könnte man solche Geräuschemissionen beispielsweise mit optimierten Auspuffanlagen stark dämpfen, aber gerade bei Kleingeräten, die sehr kompakt sein sollen, ist dies in der Praxis schwierig zu erreichen. Bei großen Zweitakt-Dieselmotoren gibt es diese Problematik nicht, zumal hier meistens Ventile verwendet werden, die von vornherein nicht so starke Druckstöße erzeugen.

Im Leerlauf sind Zweitaktmotoren relativ leise, zumal sie weniger vibrieren als Viertaktmotoren, und sind auch wegen des dann oft sehr unruhigen (“nervösen”) Motorlaufs von Viertaktmotoren akustisch sehr leicht unterscheidbar.

Generell haben die meisten Viertaktmotoren einen eher “bulligen” Klang mit starken Emissionen vor allem bei niedrigen Frequenzen, während bei Zweitaktmotoren hochfrequente Emissionen (bei Volllast) dominieren.

Umschaltung zwischen Zweitakt- und Viertaktbetrieb

Es ist im Prinzip möglich, einen Motor zu bauen, der je nach der geforderten Leistung und Drehzahl entweder als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor arbeitet. Dies könnte beispielsweise vorteilhaft sein, um im unteren Drehzahlbereich ein stark erhöhtes Drehmoment zu erzielen, ohne einen großen Hubraum zu benötigen (→ Downsizing). Natürlich wäre ein solcher Motor konstruktiv nicht einfacher als ein Viertaktmotor, sondern im Gegenteil deutlich aufwendiger; insbesondere wird eine vollvariable Ventilsteuerung benötigt. Von daher ist unklar, ob sich diese Idee wird durchsetzen können. Es gibt aber bereits etliche Patente hierzu.

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Hubkolbenmotor, Viertaktmotor, Ottomotor, Dieselmotor, Abgasqualität, Abgasrückführung, Abgaskatalysator
sowie andere Artikel in der Kategorie Kraftmaschinen und Kraftwerke

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