mini|Schematische Darstellung eines quergespülten Otto-Zweitaktmotors mit Membraneinlass Ein Zweitaktmotor ist ein Hubkolbenmotor, der aus der Verbrennung von Kraftstoff mechanische Leistung erzielt. Ein Arbeitsspiel (ein kompletter Kreisprozess-Umlauf) währt eine Kurbelwellen-umdrehung, also zwei Takte. Wie ein Viertaktmotor kann er als Otto- oder Diesel-Motor arbeiten. Der umgangssprachliche Begriff „Zweitakter“ bezeichnet im Alltag einen ventil-losen Ottomotor mit Gemischschmierung und Zündkerze(n), der nach dem Zweitaktprinzip arbeitet; die meisten Zweitaktmotoren sind einfach und kostengünstig, zudem haben sie ein geringes Leistungsgewicht.
Verbreitet wurden Zweitaktottomotoren angewendet in Motorrädern, Mopeds, Motorrollern und der Mehrzahl der Karts. In Personenkraftwagen gab es sie unter anderem bei Trojan, DKW, Aero, Saab, IFA (Trabant, Wartburg, Barkas), Lloyd, Subaru, Suzuki, Mitsubishi und Rollermobilen. Zweitakt-Dieselmotoren gab es auch für Diesellokomotiven, Lastkraftwagen (zum Beispiel Krupp Titan) und Flugzeuge (zum Beispiel Junkers Jumo 223).
Sie werden inzwischen noch bei Außenbordmotoren und tragbaren Geräten wie Kettensägen, Motorsensen, Rasentrimmern, Laubsaugern und Laubbläsern verwendet, die leicht und leistungsstark sein sollen und eine lageunabhängige Motorschmierung benötigen. Zweitakt-Großdieselmotoren werden in Kraftwerken als Antrieb für Elektro-Generatoren und in Schiffen verwendet („Schiffsdiesel“, zum Beispiel Wärtsilä RT-flex96C), sie sind die größten und stärksten Kolbenmaschinen und zählen zu den Wärmekraftmaschinen mit dem höchsten Wirkungsgrad.
Geschichte des Zweitaktmotors mini|hochkant|Verdichtungsloser, direkt wirkender Zweitakt-Gasmotor von Lenoir (1861) Vorgeschichte Die ersten, heute als verdichtungslos bezeichneten Zweitaktmotoren arbeiteten nach einem anderen Prinzip und werden nur deshalb so genannt, weil sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung zündeten – wie auch der moderne verdichtende Zweitakter. Im ersten Takt wurde angesaugt und unverdichtet gezündet, im zweiten Takt das verbrannte Gasgemisch ausgestoßen. 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 unter anderem 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 Mannheimer Gasmotorenfabrik gebaut und in Tausenden von Exemplaren hergestellt.Foto:
mini|hochkant|Scott-Zweitaktmotor von 1912
Anfänge und technische Entwicklung Dugald Clerk gilt als der Erfinder des Zweitaktmotors. Um das Patent von Nicolaus Otto zu umgehen, entwickelte er 1878 einen Motor mit getrennter Spülpumpe, der pro Arbeitstakt nur eine Kurbelwellenumdrehung benötigte. Er meldete das Prinzip zum Patent an. Dieses Motorprinzip wurde erstmals 1887 im Petrol-Cycle von Edward Butler (1862–1940) zum Antrieb eines Kraftwagens verwendet. Julius Söhnlein erhielt 1891 ein Patent auf die Kurbelgehäusespülung, bei dem die Unterseite des Arbeitskolbens als Spülpumpenkolben wirkte. Wie moderne Zweitaktmotoren hatte er Ein- und Auslassschlitze. Der Überströmkanal mündete im Kolbenboden. Gleichzeitig entwickelte Joseph DayScan: Day-Motor (abgerufen am 27. Mai 2013) ein ähnliches Prinzip mit einer Ablenkplatte auf dem Kolben, das er zum Patent anmeldete.Siegfried Rauch: Der Zweitaktmotor im Motorradbau. In: Christian Bartsch: Ein Jahrhundert Motorradtechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf 1987, ISBN 3-18-400757-X, S. 125.Christian Bartsch: Ideen und Rohrkrepierer, auf: automobil-industrie.vogel.de, 13. August 2007 (abgerufen am 26. Mai 2013) 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 Ersten Weltkrieg den Zweitaktmotor weiter; seine Patente gingen an die Zschopauer Motorenwerke, die den Zweitaktmotor in großen Stückzahlen fertigten. 1928 entwickelte der österreichische Hersteller Titan die Membransteuerung.1971 wurde die Membransteuerung von Yamaha perfektioniert Als großer Entwicklungsschritt gilt die 1924 patentierte Umkehrspülung von Adolf Schnürle, die ab 1932 beim Lizenznehmer Auto Union AG die Querstromspülung und den Nasenkolben-Zweitakter ablöste. Wenig später konnte auch Jawa eine Lizenz erwerben. Nach Erlöschen des Patentschutzes wurde das System bei weiteren Motorenherstellern angewendet. Daniel Zimmermann entwickelte 1952 den Flachdrehschieber und Yamaha 1978 die Auslasssteuerung. Auch Toyota setzte die Weiterentwicklung des Zweitaktmotors fort und präsentierte 1977 ein Aggregat mit Ladungsschichtung, Schmierölpumpe und katalytischer Nachverbrennung von Kohlenwasserstoffen. Alternativ dazu wurde in der DDR zu dieser Zeit an Zweitaktern mit elektronischer Kraftstoffeinspritzung gearbeitet.Zur Perspektive des Zweitakt-Ottomotors. In: Kraftfahrzeugtechnik 3/1978, S. 76–77.
Vor- und Nachteile des Verfahrens Bis in die 1950er Jahre wurde dem Zweitaktmotor auch für Pkw und Lkw viel Entwicklungspotential zugesprochen.Der gebrauchstüchtige Zweitakt-Ottomotor für den Personen- und Lieferkraftwagen. In: Motortechnische Zeitschrift. 4/1949, S. 92–94. In vielen Bereichen hatte der Zweitaktmotor auch besondere VorteileÜberwiegend entnommen aus : Höheres maximales Drehmoment, in Kfz daher potentiell größeres Beschleunigungsvermögen als hubraumgleiche ViertaktmotorenDer Zweitaktmotor und seine besonderen Vorzüge. In: Kraftfahrzeugtechnik. 10/1964, S. 371–374. Gleichmäßigere Drehmomentabgabe eines einzelnen Zylinders, da er bei jeder Umdrehung zündet, während ein Viertaktmotor nur bei jeder zweiten Umdrehung zündet („3=6“ Werbung von DKW) Im einfachsten Fall nur drei bewegte Teile: Kolben, Pleuel und Kurbelwelle, dadurch wartungsarmer und zuverlässiger Betrieb. Die Ventilsteuerung historischer Viertakter war ausgesprochen wartungsintensiv und somit ein Argument für den Zweitakter. Durch stetige Verbesserungen der Ventilsteuerung verlor dieser Aspekt im Laufe der Zeit jedoch an Bedeutung. geringes Gewicht Sehr kurze Warmlaufphase, besseres Kaltstartverhalten Geringe Stickoxid-Rohemissionen Lageunabhängiger Einsatz bei Gemischschmierung, was für mobile Arbeitsgeräte besonders vorteilhaft ist
Es stellte sich jedoch heraus, dass sich viele prinzipbedingte Nachteile dieser Motorbauart nicht beseitigen ließen. Zu den wesentlichen Punkten gehören: Gaswechsel: Für das Ausstoßen des Abgases und das Füllen des Zylinders mit Frischgas steht nur eine kurze Zeit um den unteren Totpunkt herum zur Verfügung. Viertaktmotoren hingegen arbeiten zwei Arbeitstakte als Kolbenpumpe, schieben in einem Takt das Abgas aus und saugen im folgenden Takt Frischgas an. Zweitaktmotoren brauchen hierzu ein eigenes Spülgebläse. Bei kleinen Ottomotoren ist eine Kurbelgehäusespülung üblich, bei denen der Kolben mit seiner Unterseite als Spülpumpe wirkt. Sie erfordert bei mehrzylindrigen Motoren eine gasdichte Trennung der einzelnen Kurbeltriebe. Alternativ kann mit externen Gebläsen gespült werden, beispielsweise mit Roots-Gebläsen oder Drehschieberpumpen. Da bereits beim Start Spüldruck vorliegen muss und bei symmetrischen Steuerzeiten eine kurze Zeit Abgas- und Ansaugluftkanal gleichzeitig offen stehen, eignen sich Turbolader nur bei einigen Bauarten und nur mit Unterstützung, beispielsweise durch ein elektrisch angetriebenes Anfahrgebläse. Spülverluste entstehen, weil sich Ab- und Frischgas beim Ladungswechsel vermischen können und so Frischgas in den Auslass gelangen oder Abgas im Zylinder verbleiben könnte. Der sich daraus ergebende Verbrauchsnachteil lässt sich durch eine Kraftstoff-Direkteinspritzung erheblich vermindern. Ohne Direkteinspritzung ergibt sich ein Zielkonflikt zwischen Restgas und ausgespültem Frischgas, siehe auch Fanggrad. Infolgedessen ist der Kraftstoffverbrauch von Zweitakt-Ottomotoren mit Vergasern vergleichsweise hoch. Hubverlust: Die Verdichtung beginnt erst, wenn der Kolben Einlass- wie Auslassschlitze verschlossen hat. Der Viertakter kann mit der Verdichtung ab dem unteren Totpunkt beginnen, wenn man von der Gasdynamik oder speziellen Zyklen wie Miller oder Atkinson absieht. Thermische Belastung: Durch die höhere Zahl der Arbeitstakte und den Energieumsatz stellen sich für Zylinder, Kolben und Kolbenbolzen höhere Wärmeströme ein, die beispielsweise durch Kühlung oder geringere Leistung gemindert werden können. Der Kolbenkühlung mit Spritzöl steht allerdings speziell die Kurbelgehäusespülung entgegen. Wenn das Abgas über Schlitze ausgeblasen wird, stellen sich an der Gleitfläche der Kolbenringe und am Schmierfilm höhere Temperaturen ein als beim Viertaktmotor. Das Problem vergrößert sich, weil beim Zweitaktmotor wesentlich mehr Wärme über den Kolben abgeführt werden muss als beim Viertakter. Mechanische und elektrische Belastung: Speziell die Kolbenringe sind im Bereich der Auslassschlitze gefährdet. Dadurch, dass der Kolben und Lager ständig unter Druck stehen, ist die Erhaltung des trennenden Schmierfilms schwieriger. Beim Viertakter ändert sich die Druckrichtung auf diese Bauteile beim Ausschieben und Ansaugen, so dass Öl in den Spalt von selbst nachströmen kann. Die Zündanlage unterliegt aufgrund der doppelt so großen Zündfrequenz einer besonders starken Beanspruchung und damit auch Störanfälligkeit, vor allem bei hochdrehenden Motoren. Der Verschleiß der Zündkerzen ist bedeutend größer. Ölversorgung: Bei einer Kurbelgehäusespülung mit minimierter Schmierung müssen Wälzlager, meist in der Form von Nadellagern statt Gleitlager verwendet werden, um die Schmiersicherheit zu gewährleisten. Zwar verursachen Wälzlager geringere Reibungsverluste, aber sie verursachen mehr mechanische Geräusche und fallen früher aus als Gleitlager. Steuerzeiten: Die Steuerzeiten können bei Kolbenkantensteuerung nicht verändert werden. Bauhöhe: Wenn die Schlitze durch den Kolben verschlossen werden, muss ein längeres Kolbenhemd und ein entsprechend langer Zylinder vorgesehen werden. Um weiterhin einen Tauchkolben verwenden zu können, muss auch das Pleuel entsprechend länger ausgeführt werden. In der Praxis kann ein Viertaktmotor trotz der Ventilsteuerung kompakter gebaut werden als ein Zweitakter. Abgase: Die Gemischqualität ist wegen der Forderung nach sicherer Entflammbarkeit schlechter bei λ=1 zu regeln als beim Viertaktmotor. Daher ist die Reduktion der Schadstoffe durch einen Abgaskatalysator schwieriger. Da die Schlitze in der geschmierten Zylinderlauffläche liegen und bei Mischungsschmierung die Ölzufuhr weniger genau auf den tatsächlichen Bedarf einstellbar ist, führen Zweitakter mehr Öl als Viertakter im Abgas mit.Bosch Kraftfahrtechnisches Handbuch 25. Auflage Seite 472 Nachteile des Zweitaktmotors Die Folge ist eine erhöhte Menge von Kohlenwasserstoffen im Abgas. (Beim Trabant 30-fach größer als bei einem vergleichbaren Viertakter.) Laufruhe: Gleichmäßiger Motorlauf nur im belasteten Zustand. Im Leerlauf läuft der Motor durch hohen Restgasanteil im Brennraum unruhig. Im Schubbetrieb treten (sofern keine Schubabschaltung verbaut ist) häufig unregelmäßige Zündungen (das sogenannte Schieberuckeln) auf. Einige Zweitakt-Fahrzeuge sind mit einem Freilauf ausgestattet, der Schubbetrieb verhindert. Bremskraft: Der Zweitakter entwickelt eine geringere Motorbremskraft im Schubbetrieb. Im Falle eines nicht-sperrbaren Freilaufs kann die Motorbremskraft überhaupt nicht genutzt werden. Schubabschaltung: Im Schubbetrieb kann zwar die Kraftstoffversorgung abgeschaltet werden, aber bei längeren Fahrten im Gefälle muss die Schmierung sichergestellt werden, so dass Motoren mit Gemischschmierung nicht als Motorbremse verwendet werden können, da längerer Schiebebetrieb zum Kolbenfresser führt.