Dies ist der zweite Teil eines Mehrteilers, zum ersten Teil geht es hier

II) Takt ist nicht nur bei den Leuten wichtig

Zweitakter waren früher im Motorradbau allgegenwärtig, vor allem in den kleineren Klassen. Da Bikes bekanntlich lange leben, sind einige Exemplare der früher populären Zweitaktmodelle noch heute unterwegs – und bei den richtig alten Oldtimern taktet es sowieso noch oft zwei. Heute findet man bei größeren Moppeds praktisch nur noch Viertakter, weil man dem Zweitakter abgastechnisch kaum Manieren beibringen kann. Doch wie arbeiten nun Zweitaktmotoren und wie tun Viertakter das?

Ein Dampfmaschinenmacher hat es gut: Er muss nur am Anfang des Arbeitstaktes eine mehr oder weniger große Menge Dampf in den Zylinder zischen lassen, der den Kolben anschiebt. Der Dampf geht dabei freiwillig in den Zylinder, weil ihn der Kessel ja unter Druck gesetzt hat. Ist er mit seiner Arbeit fertig und nutzlos geworden, schiebt ihn der Kolben auf dem Rückweg mit sanfter Gewalt wieder aus dem Zylinder in den Auspuff. Der Verbrennungsmotorenmacher hingegen, muss Luft aus der Atmosphäre überreden, in den Zylinder zu kommen, um dort benutzt zu werden. Die Dampfmaschine muss nur arbeiten und auspuffen; eine Verbrennungsmaschine muss zuerst einmal ansaugen und verdichten, erst dann kann sie arbeiten und auspuffen.

Da ahnte man noch nichts von Abgasnormen: Der legendäre Wasserbüffel, die Suzuki GT 750 mit ihrem wassergekühlten 750 ccm-Dreizylinder-Zweitaktmotor, Zeitgenossin und direkte Konkurrentin der … (Bild: Andie Nordgren/Lizenz: Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic)

Zweitakter und Viertakter

Dabei gibt es zwei Methoden, nach denen sie das tun kann: Das Zweitakt- und das Viertaktprinzip. Auch beim Zweitakter passieren alle vier Dinge – Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Auspuffen – aber es laufen immer zwei davon gleichzeitig ab. Daher ist der Zweitakter im Grunde genial einfach oder einfach genial, aber es ist viel schwieriger einen zu bauen,der anständig läuft. Das Wort „Takt“ hat hier nämlich seine volle Berechtigung, denn in der Tat muss die Gassäule in einem Zweitakter im richtigen Rhythmus schwingen, soll er Leistung bringen. Der Viertakter dagegen knebelt die Gase mit seinen Ventilen und zwingt sie diktatorisch, zur richtigen Zeit den richtigen Weg einzuschlagen. Der Zweitakter hat wie Malcolm Young den Rhythmus in sich selbst, der Viertakter muss den richtigen Takt wie ein unbegabter Musikschulzögling mit dem Metronom der Ventile eingebläut bekommen.

Den Unterschied kann man übrigens auch hören: Während der Zweitakter fröhlich und beschwingt daher knattert, grummelt sich der Viertakter mit gravitätischen Ernst durch sein Motorenleben.

Das Viertakt-Prinzip

Der Viertakter arbeitet nun vom Prinzip her einfacher, ist aber komplizierter aufgebaut als ein Zweitakter, weil er Ventile hat, die den Zu- und Abstrom der Gase regeln. Beginnen wir also mit jenem. In der einen gezeigten Animation, der eines Viertakters, sieht man nun, was in ihm so vor sich geht. Die Vorgänge sind die gleichen wie beim Zweitakter, laufen aber schön einer nach dem anderen ab; deswegen ist er leichter zu erklären und zu verstehen als dieser.

So funktioniert ein Viertaktmotor (Bild: UtzOnBike/Lizenz: Creative-Commons „Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 nicht portiert

Zunächst geht im Takt Eins der Kolben nach unten. Dabei ist das Einlassventil geöffnet und er kann Kraftstoff-Luft-Gemisch (Otto) oder pure Luft (Diesel, über den Unterschied später) ansaugen. Deswegen heißt dieser Takt Ansaugtakt. Nun macht das Einlassventil wieder zu und der Kolben geht im Takt Zwei wieder nach oben. Das Einlassventil wird jetzt zu gemacht, so dass, was vorher vorwitzig dem Unterruck gefolgt und in den Zylinder geströmt ist, in der Falle sitzt und das Verdichten über sich ergehen lassen muss. Das ist der Verdichtungstakt.

Und nun, bei Numero Drei, geht es richtig los: Jetzt wird nämlich gnadenlos angezündet, was vorher heimtückisch angesaugt und brutal verdichtet wurde. Dabei wird es heiß, dehnt sich aus und gerät dabei mächtig unter Druck. Und muss arbeiten, indem es den Kolben nach unten drückt. Deswegen ist dieser Takt der Arbeitstakt. Dabei sind natürlich beide Ventile geschlossen, damit dem heißen Gas nicht etwa ein Fluchtweg winkt und ihm wirklich nichts anderes übrig bleibt, als die heiß ersehnte mechanische Arbeit zu leisten, die unsere Guffeln vorantreibt, wenn wir durch diese Welt reiten.

Im Zylinder sind jetzt nur noch ausgebrannte Abgase, die nicht mehr arbeiten können. Der Motor macht es jetzt, wie ein Fabrikherr zur Zeit der Industrialisierung: Was nicht mehr arbeiten kann, wird gnadenlos des Hauses verwiesen. Im Takt Vier, dem Auspufftakt, wird das Auslassventil geöffnet und das jetzt nutzlos gewordene, ehemalige Arbeitsvieh vom Kolben unerbittlich hinaus geschoben, damit im Zylinder Platz für neue, unverbrauchte Arbeitskraft ist und das Spiel von Neuem beginnen kann.

Der mechanische Aufbau

Man kann sich einen Viertaktmotor mit stehendenm/n Zylinder(n) wie ein mehrstöckiges Haus, sagen wir ein Firmengebäude vorstellen. Im Keller, wo man gerne die unsauberen Dinge versteckt, ist die unappetitliche Ölwanne, zu der das zur Schmierung benutzte Öl immer wieder zurückläuft, wie üble Subjekte in die Gosse. Von dort schickt es die Ölpumpe durch diverse Ölleitungen auf die Reise zu all den Stellen, wo sich etwas bewegt und dabei Reibung erzeugt, die mittels sachgemäßer Schmierung zu mindern ist.

… ebenfalls legendären Honda CB 750 Four mit ihrem 750 ccm-Vierzylinder-Viertaktmotor (Bild: Maysy/Lizenz: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)

Im Erdgeschoss, in der Fabrikhalle sozusagen, sitzt die Kurbelwelle. Sie ist der Arbeiterschaft vergleichbar, die ja angeblich nur etwas tut, wenn sie von oben angetrieben wird. Das besorgen die Kolben, die in ihren Zylindern im ersten Stock das mittlere Management darstellen. Noch einen Stock höher, in der Chefetage sitzen die Ventile, die Manager, die den Takt des Ganzen angeben, indem sie unaufhörlich den Mund auf und zu machen.

Ein- und Mehrzylinder

Von jeweils vier Takten ist bei einem Viertakter nur einer ein Arbeitstakt, die anderen drei leisten keine Arbeit sondern verlangen, dass man gefälligst welche an ihnen verrichte. Die muss natürlich aus der im Arbeitstakt geleisteten stammen. Daher braucht so ein viertaktiger Motor eine gewichtige Schwungmasse oder aber mehrere Zylinder, die abwechselnd im Arbeitstakt unterwegs sind. Vierzylinder-Viertaktmotoren sind sehr verbreitet; man kann sie so konstruieren, dass jeweils ein Zylinder im Arbeitstakt ist und aktiv an der Kurbelwelle kurbelt. Ein Einzylinder-Viertaktmotor hingegen bekommt von einem Konstrukteur eine großzügige Schwungmasse, damit er ordentlich läuft. Dafür ist er natürlich weniger aufwendig im Aufbau als der Vierzylinder.

Der Einzylinder mit seiner großen Schwungmasse wird nun nicht so prompt auf einen Dreh am Gashahn reagieren, weil er ja beim Hochdrehen sein respektables Trägheitsmoment, seine Drehmasse auf Trab bringen muss. Der Vierzylinder ist da deutlich flotter, nicht umsonst wählten die Japaner oft diese Bauart für ihre flotten Mühlen, mit denen sie in den neuen Motorradboom der späten Sechzigerjahre stießen und den Markt aufrollten: Honda CB 500 Four, CB 750 Four etwa, Anfang der Siebziger dann auch die Kawa Z1 mit ihren 900 Kubik und 79 PS. Dafür lässt sich ein schwerer Einzylinder mit satter Schwungmasse nicht so leicht beeindrucken, wenn er auf einmal stärker ziehen muss, etwa wenn die Straße beginnt anzusteigen.

Der Zweitakter

Der pfiffige, leichtlebige Kleine Bruder des Viertakters ist der Zweitaktmotor. Seine Wirkungsweise ist in der zweiten Animation dargestellt. Hier passieren immer je zwei der Dinge gleichzeitig, die beim Viertakter hübsch der Reihe nach abgewickelt werden. Dazu wird normalerweise das Kurbelgehäuse mit in den Ansaugvorgang einbezogen.

So arbeitet ein Zweitaktmotor (Bild: A. Schierwagen/Lizenz: Creative-Commons-Lizenz Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 nicht portiert)

Geht der Kolben nach oben, um das bereits im Zylinder befindliche Gemisch zu verdichten, saugt er frisches Gemisch mit dem Kurbelgehäuse an, das sich ja sozusagen vergrößert, wenn der Kolben aufwärts geht. In der Animation ist schematisch ein Rückschlagventil dargestellt, welches nur hinein aber nicht hinauslässt. In der Praxis wird dieses oft mit einer Membran gelöst. Das Rückschlagventil gibt es nicht immer, sehr oft wird der Zustrom zum Kurbelgehäuse nämlich von der Kolbenunterkante geregelt, die den Einlasskanal zu den richtigen Zeiten verschließt bzw. freigibt. Manchmal erledigt das auch ein Drehschieber auf der Kurbelwelle.

Wenn der Kolben ganz oben ist, wird wie üblich gezündet und die heißen Gase treiben ihn nach unten, so dass er jetzt seine Arbeit verrichtet. Dabei verdichtet er das Gemisch im Kurbelgehäuse schon mal vor, so dass es unter einem gewissen Druck steht.

Ist der Kolben dann fast unten angelangt, gibt er mit seiner Oberkante erst mal den Auslassschlitz frei, so dass die Abgase in den Auspuff strömen können, und gleich darauf auch einen Durchlass vom Kurbelgehäuse in den Zylinder, den Überströmkanal. Oder die Überströmkanäle, den typischerweise sind in der Realität deren zwei vorhanden.

Viertaktmotoren erkennt man typischer Weise an der „hohen Stirne“, weil im Kopf Platz für die heutzutage stehenden Ventile (OHV) sein muss. (Bild: Ken Haines von Pixabay)

Und jetzt passiert das, was beim Bau von Zweitaktmotoren die hohe Kunst ist: Der Gaswechsel. Dass die Verbrennungsgase durch den Auspuff entschleichen, leuchtet ja ein, da im Zylinder ein hoher Druck herrscht. Aber wie geht das zu, dass gleichzeitig das Frischgas aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder strömt? Das steht zwar durch die Vorverdichtung unter einem gewissen Druck, aber der ist doch viel geringer als der im Zylinder, oder?

Nun, nicht nur Festkörper und Flüssigkeiten, auch Gase sind mit Massenträgheit behaftet. Wie gesagt: Der Auspuffschlitz wird vor dem oder den Überströmkanal/-kanälen geöffnet. Deswegen hat das Abgas im Zylinder bereits Fahrt in Richtung Auspuff aufgenommen und erzeugt einen Unterdruck, wenn das Frischgas kurz darauf Zutritt bekommt. Das folgt nun den Auspuffgasen und nimmt deren Platz ein.

… und wenn nicht, weil der Motor wie bei dieser urtümlichen Harley-Davidson Flathead noch stehende Ventile aufweist, doch an den hoch angesetzten Auspufkrümmern (Bild: Piero at Dutch Wikipedia/Lizenz: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)

Wenn nun der Kolben wieder aufwärts geht und mit seiner Oberkante wieder am Auspuffschlitz und den Überströmkanälen vorbei ist und diese dabei verschließt, sitzt das Frischgas genauso in der Falle wie beim Viertakter, wenn das Einlassventil geschlossen wird. Und genau wie dort, muss es jetzt das Verdichten durch den aufwärts gehenden Kolben über sich ergehen lassen und nach Überschreiten des OT anschließend im Arbeitstakt schuften, bis es – ausgebrannt und seiner chemischen Energie beraubt – als nutzloses Abgas durch den Auslassschlitz entlassen wird.

Die Genialität des Gaswechsels

Dieser schnelle Gaswechsel auf dem letzten kleinen Stück des Arbeits- und dem genau so kleinen ersten Stück des folgenden Verdichtungstaktes ersetzt nun also den vierten und den zweiten Takt des Viertakters. Und hier steckt die hohe Kunst der Zweitakt-Konstrukteurs: Er muss die Schlitze für Überströmen und Auspuffen, den Auspuffkrümmer und -topf – und eigentlich auch den Brennraum im Zylinderkopf wie wir gleich sehen werden – so gestalten, dass dieser Gaswechsel möglichst perfekt abläuft, sich also ganz genau mit der Gasdynamik in einem Zweitaktmotor auskennen.

So funktioniert die Umkehrspülung (Bild: Simon Schäler, PD)

So ziemlich am besten dürfte ein Zweitakter funktionieren, wenn der Gaswechsel mittels einer Schnürle-Umkehrspülung bewerkstelligt wird. Wie die funktioniert wird anhand der dritten Animation klar: Die beiden Überströmkanäle sind seitlich angeordnet und lenken die ihre Frischgasströme schräg vom Auslassschlitz weg in Richtung der dem Auspuff gegenüber liegenden Zylinderwand. An dieser und aneinander richten sie sich auf und strömen nach oben in den Zylinderkopf. Dort werden sie umgelenkt – kehren also um, deswegen Umkehrspülung – und strömen auf der anderen Seite hinter dem entfleuchenden Abgas her wieder hinunter.

Der zweitakter verrät sich damit, dass sowohl der vergaser als auch der Auspuffkrümmer unten am Zylinder sitzen. (Bild: Michael Kauer von Pixabay)

Und jetzt wird’s richtig genial: Das Frischgas verfolgt das Abgas sogar noch ein Stück in den Auspuff hinein. Im Auspufftopf gibt es nun aber eine Art Wand, die man Prallblech nennt, weil das Abgas dagegen prallt. Die Druckwelle des Abgases wird reflektiert, das Abgas kehrt um und scheucht das verfolgende Frischgas wieder zurück in den Zylinder. Und genau dann, wenn alles Frischgas wieder in den Zylinder zurückgeströmt ist, aber noch kein Abgas, macht die Oberkante des Kolbens den Auslassschlitz dicht – die Überströmkanäle sind dann bereits zu – und das Verdichten kann beginnen.

DKW hatte vor dem Zweiten Weltkrieg das Patent für die Schnürle-Umkehrspülung lizenziert und durfte sie als einziger Auto- und Motorradhersteller verwenden. Das gab der Firma einen gewaltigen Vorteil beim Zweitakt-Motorenbau. Konkurrenten mussten mehr oder weniger seltsame technische Klimmzüge machen, um das Patent nicht zu beleidigen, kamen damit aber halt doch nicht an die Zweitakter von DKW heran.

Nach dem Krieg fand man dann irgendwann praktisch in jedem Mopedmotor diese Schnürle-Umkehrspülung. Offenbar ist sie die optimale Lösung für kleine Zweitakter, weil sie – wie der ganze Zweitaktmotor – genial einfach und deswegen einfach genial ist.

Einfache Mechanik

Vergleichen wir auch den Zweitakter mit einer Fabrik, fehlen die auf- und zugehenden Münder, äh, die Ventile in der Chefetage. Offensichtlich geht es auch ganz gut ohne solche, getreu dem alten Anarcho-Spruch: Jeder macht, was er will, keiner macht, was er soll, aber alle machen mit! Tatsächlich ist der Zweitakter „der Motor mit den drei beweglichen Teilen“ – wenn man den Unterbrecher in der Zündung nicht mitrechnet. Aber den gibt es ja bei modernen elektronischen Zündungen auch gar nicht mehr.

Kleine Motorchen in Mofas… (Bild: Bicanski vonPixnio)

Was dem Zweitakter ebenfalls fehlt, ist die beim Viertakter heute allgemein übliche Druckumlaufschmierung mit Ölpumpe, Ölleitungen und Ölwanne. Typischerweise wurde er früher und wird er teilweise noch heute mittels des Kraftstoffs geschmiert, dem man einen gewissen Anteil an Öl beimischt, was dann die berühmt-berüchtigte Zweitaktmischung ergibt. Sie sorgt für die unverkennbaren blauen Auspuffwölkchen und den unverwechselbaren Zweitaktduft. Das Zweitaktöl nimmt – oder nahm zumindest früher – einen unverkennbaren Geruch an, wenn es alt wird. Dieser typische Altes-Moped-Geruch eines Mopeds, das in den 50ern oder 60ern abgestellt worden war und in den 70ern seiner Wiederbelebung durch schraubfreudige, motorradbegeisterte Jünglinge harrte, gehört zu meinen 70er-Jahre-Jugenderinnerungen, so wie die Düfte von Patschuli und Haschisch.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass Öl separat mit einer Pumpe in den Ansaugtrakt bzw. das Kurbelgehäuse gebracht wird. Das nennt sich komischerweise Frischölschmierung, wobei doch mit dem Zweitaktgemisch auch immer frisches Öl zugeführt wird. Vielleicht kommt das Wort ja aus dem Viertaktmotorenbau, wo es so etwas auch schon gab. Hier macht „Frischölschmierung“ als Unterscheidung Sinn, weil bei einem Viertakter mit Druckumlaufschmierung eben das Öl nicht dauernd frisch zugeführt, sondern von Ölwechsel bis Ölwechsel immer wieder verwendet wird. Beim Zweitakter trifft es das Wort Getrenntschmierung besser.

… Mopeds, Mokicks… (Bild: Hans Linde vonPixabay)

Der Vorteil der Mischungsschmierung ist nicht nur, dass sie den Motor mechanisch einfach macht, sondern auch, dass automatisch immer auch Öl da ist, wenn Benzin im Tank ist. Bei der Getrenntschmierung muss man immer auf ausreichenden Inhalt des Öltanks achten. Dafür wird es bei der Mischungsschmierung gefährlich, wenn der Motor z.B. bergab länger ohne Gas im Schiebebetrieb läuft. Ohne Gas kein Benzin und auch kein Öl. Eine Getrenntschmierung kann man so bauen, dass sie auch im Schiebebetrieb Öl zuführt.

Da der Zweitaktmotor ja nicht nur alle zwei Umdrehungen, sondern bei jeder Kurbelwellenumdrehung einmal arbeitet, läuft er mit weniger Schwungmasse bzw. weniger Zylindern rund als ein Viertakter. DKW warb mit dem Slogan „3=6“ im Modellnamen eines seiner Autos, weil der Dreizylinder-Zweitakter aus diesem Hause so ruhig laufe wie ein Sechszylinder-Viertakter. Bei den japanischen Guffeln der Siebziger gab es 750er Dreizylinder-Zweitakter, die es durchaus mit den Vierzylinder-Viertaktern in dieser Klasse aufnehmen konnten.

… und kleinen Motorrollern sind fast immer Zweitakter (Bild: Andreas Bodio von Pixabay)

Wichtig bei einem Zweitakter ist der Auspuff. Während es bei einem Viertakter im Grunde nur darauf ankommt, den Gasdurchsatz im Auspuff möglichst wenig Widerstand entgegenzusetzen, ist er beim Zweitakter integraler Bestandteil der Motorsteuerung. Eine Schalldämpfer-Resektion als „Tuningmaßnahme“ lässt einen Zweitakter vielleicht stärker klingen, weil er natürlich lauter wird, macht ihn aber in Wirklichkeit schwächer.

Verdichtung, Verdichtungsverhältnis und Kompressionsdruck

Egal ob knatternder Zwei- oder brummender Viertakter: Was den Ottomotor ausmacht, ist außer der Fremdzündung mit einer Zündkerze die der Verbrennung vorgeschaltete Verdichtung. Letztere gibt es auch beim Diesel, der aber kein Fremd- sondern ein Selbstzünder ist. Dazu später mehr.

Grundlegender Wert für die Verdichtung ist das Verdichtungsverhältnis. Das ist das Verhältnis der jeweiligen Rauminhalte von Zylinder plus Kopf, wenn der Kolben unten bzw. oben steht. Nehmen wir an, ein Zylindern hat 600 ccm Hubraum und der Brennraum ist 100 ccm groß. Steht nun der Kolben im UT ist der gesamte Zylinderraum 600 ccm + 100 ccm = 700 ccm groß. Steht der Kolben im OT ist sozusagen der Hubraum weg und nur noch der Inhalt des Brennraumes mit seine 100 ccm da. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Rauminhalten ist also 700 ccm : 100 ccm oder 7 : 1.

Ausnahmen wie die Honda Dax bestätigen die Regel: Honda baute früher konsequent nur Viertakter, auch in der 50 ccm-Klasse (Bild: Rikita/Lizenz: Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International)

Das Verdichtungsverhältnis beeinflusst den Kompressionsdruck maßgeblich. Aber es ist nicht so, dass daraus jetzt direkt der Kompressionsdruck – hier wären das dann 7 bar – einfach nur der Regel folgt, die besagt das Volumen mal Druck immer ein konstanter Wert ist. Das gilt nämlich nur, solange keine Wärme sprich Temperaturänderung im Spiel ist. Das hat man aber nur, wenn man ein Gas langsam komprimiert, alles absolut dicht ist und die entstehende Wärme abgeführt wird.

Zum einen sind nun aber weder der Kolben im Zylinder noch – so vorhanden – die Ventile absolut dicht und zum anderen geht das Verdichten im Betrieb recht fix. Deswegen kommt da Thermodynamik ins Spiel. Das ist jedoch nur für die Theorie wichtig, nicht für die Schrauber-Praxis. Für die muss man einfach aus einem Werkstatthandbuch oder dergleichen wissen, welcher Kompressionsdruck beim jeweiligen Motor vorhanden sein muss und wie man genau messen muss,

Geprüft wird der Kompressionsdruck mit einem speziellen Manometer, welches man statt der Zündkerze ins Zündkerzenloch schraubt. Das zeigt den tatsächlichen Druck im Zylinder an. Liegt der im vorgegebenen Bereich, ist der Jockel in dieser Beziehung gesund, sprich die Kompression okay. Das lässt dann darauf schließen, dass der Kolben im Zylinder und die Ventile hinreichend dicht sind.

Das war’s für diesmal; im nächsten Teil soll es dann um Otto- und Dieselmotoren gehen und darum, was sie unterscheidet.