4-Takt oder 2-Takt? Ähhmmm… hmm… was ist denn eigentlich der Unterschied. Heute habe ich mich dazu entschlossen, meine Wissbegierde zu stillen und mich über den Unterschied zwischen 4- und 2-Takt-Motoren schlau zu machen. Folgendes habe ich herausgefunden und teile ich nun gerne mit euch.
Mit grösster Wahrscheinlichkeit gibt es einiges mehr zu erklären und miteinzubeziehen zu diesem Thema, aber wie bereits geschrieben, das ist, was ich mir mal erlesen und gelernt habe. Ergänzungen und Verbesserungsvorschläge nehme ich liebend gerne an, hinterlasst mir einfach eure Meinung in den Kommentaren.
4-Takt-Motor
Weshalb nennt man den 4-Takt-Motor überhaupt einen 4-Takt-Motor? Das kommt daher, dass der 4-Takt-Motor 4 Takte für einen Verbrennungszyklus benötigt. Jedes Mal, wenn der Kolben sich von oben nach unten bewegt, haben wir einen Takt abgeschlossen.
1 Takt ist also abgeschlossen, sobald der Kolben von oben nach unten geht oder von unten nach oben. Anders gesagt, eine 180 Grad Drehung der Kurbelwelle entspricht einem Takt.
Die 4-Takte
Schauen wir uns jetzt genauer an, was während diesen 4 Takten passiert.
Takt 1 – Zuerst wird die Benzin/Luft Mischung angesaugt.
Takt 2 – Dann wird die Benzin/Luft Mischung komprimiert.
Takt 3 – Ein Funke durch die Zündkerze erzeugt eine kontrollierte Verbrennung.
Takt 4 – Die Abgase werden „entsorgt“.
Takt 1
Während der Kolben von oben nach unten geht, entsteht im Zylinder ein Vakuum. Es entsteht ein kurzes Zeitfenster im Zylinder, in dem es keine Luft gibt. Weil wir keine Luft haben, haben wir auch keinen (geringen) Luftdruck. Während wir einen sehr geringen Luftdruck im Zylinder haben, besteht ausserhalb des Zylinders ein atmosphärischer Luftdruck.
Der Unterschied in Luftdruck kann nicht bestehen bleiben und die Luft wird versuchen den Druck auszugleichen. Sobald sich das Ventil öffnet, wird eine Benzin/Luft Mischung in den Zylinder angesaugt. Sobald der Kolben den untersten Punkt erreicht hat, schliesst sich das Ventil und der Kolben fährt hoch und der zweite Takt beginnt.
Takt 2
Während der Kolben wieder nach oben geht, wird die Benzin/Luft Mischung komprimiert. Kurz bevor der Kolben den obersten Punkt erreicht hat, erzeugt die Zündkerze einen Funken und zündet somit die Benzin/Luft Mischung an. Es handelt sich hierbei nicht um eine Explosion, sondern eine Verbrennung. Wenn bei einer Explosion die Ausbreitungsgeschwindigkeit der chemischen Umsetzung unter der Schallgeschwindigkeit liegt, sprich man von einer Deflagration, also was bei uns passiert, einer kontrollierten Verbrennung. Erfolgt die Ausbreitung mit Überschallgeschwindigkeit, spricht man von einer Detonation.
Der Funken, der durch die Zündkerze das Gemisch entzündet, überträgt durch Hitze an die nächste Schicht der Benzin/Luft Mischung und so weiter bis das ganze Benzin/Luft Mischung verbrannt ist.
Takt 3
Während sich die Verbrennungsflamme ausbreitet, steigt die Temperatur und der Druck im Zylinder. Der Zylinder ist versiegelt und der Druck kann sich somit nur noch nach unten ausbreiten und drückt den Kolben mit grosser Kraft nach unten. Dies ist der einzige Takt, welcher die bei der Umwandlung der bei der Verbrennung freigesetzten Energie, Kraft erzeugt. Diese Kraft bewegt die Kurbelwelle und letztendlich die Räder.
Takt 4
Sobald der Kolben wieder unten angelangt ist, wurde die Benzin/Luft Mischung verbrannt und was in Zylinder verbleibt, sind die Abgase. Während der Kolben sich wieder nach oben bewegt, wird das zweite Ventil geöffnet und die Abgase werden rausgedrückt und gelangen durch den Auspuff nach aussen.
Ein- und Auslass-Ventile
Die Benzin/Luft Mischung gelangt durch die Öffnung des Einlass-Ventils in den Zylinder. Das Ventil öffnet also während dem Ansaugen und schliesst sich, sobald der Kolben unten angelangt ist. Während der Kompression bleiben beide Ventile geschlossen, damit die Mischung nicht entweichen kann.
Auch beim nächsten Takt, nämlich während der Verbrennung, bleiben beide Ventile geschlossen, damit die Energie nicht entweichen kann. Sobald der Kolben nach der Verbrennung seinen tiefsten Punkt erreicht hat, öffnet sich das Auslass-Ventil, damit die Abgase raus können.
Nockenwellen
Die Ventile werden durch die Nockenwellen betrieben, bzw. geöffnet und geschlossen. Die Nockenwelle hat exzentrische Nocken, welche auf die Kipphebel drücken. Sobald die Nocken auf den Kipphebel drücken, drückt der Kipphebel auf die Ventilfeder, welche dann das Ventil öffnen.
Die Form der Nocken entscheidet darüber, wie viel und wie lange das Ventil geöffnet ist. Je höher die Nocken sind, desto grösser wird die Öffnung des Ventils sein. Je breiter die Nocken sind, desto länger wird das Ventil geöffnet bleiben.
Nun muss die Bewegung der Nockenwelle synchron zur Bewegung der Kurbelwelle laufen und um dies zu ermöglichen wird die Nockenwelle durch eine Steuerkette, welche mit der Kurbelwelle verbunden ist gemacht.
Somit wird sichergestellt, dass während dem 1-Takt das Ventil geöffnet wird, während 2-Takt und 3-Takt die Ventile geschlossen bleiben und zum 4-Takt das Ventil wieder geöffnet wird.
2-Takt-Motor
Der 2-Takt-Motor hat im Vergleich zum 4-Takt-Motor keine Nockenwelle, Kipphebel, Ventilfedern, Steuerungskette und Ventile. Der 2-Takt-Motor hat lediglich einen Zylinderkopf, auf dem die Zündkerze ist.
Der 2-Takt-Motor hat also weniger Teile und ist somit günstiger und kann an weniger Stellen scheitern.
Während der 4-Takt-Motor nur den oberen Bereich während der Verbrennung nutzt, benützt der 2-Takt-Motor den oberen als auch den unteren Bereich. Soll heissen, dass die Benzin-Luft Mischung beim 4-Takt-Motor ausschliesslich im oberen Bereich ist, während es beim 2-Takt-Motor im oberen und unteren Bereich befindet.
Die 2-Takte
Starten wir zu dem Zeitpunkt (2. Takt), wo der Kolben in der höchst möglichen Position steht. Die Zündkerze zündet die Benzin-Luft Mischung an und der Druck, der dabei entsteht, drückt den Kolben nach unten. Währenddessen haben wir eine frische Benzin-Luft Mischung unter dem Kolben.
Während der Kolben sich nach unten bewegt, öffnet er den Auslasskanal, welches es den Abgasen erlaubt aus dem Zylinder zu entweichen. Zur gleichen Zeit komprimiert der Kolben mit der Bewegung nach unten das frische Benzin-Luft-Gemisch unterhalb des Kolbens und drückt es in den Einlasskanal, welcher immer noch durch den Kolben blockiert ist. Während der Kolben sich weiterhin nach unten bewegt, öffnet sich langsam der Einlasskanal. Dies erlaubt es der komprimierten Benzin-Luft-Mischung von unterhalb des Kolbens nach oben oberhalb des Kolbens zu gelangen. Der Druck im Zylinder hat sich bereits gesenkt, weil die Abgase durch den Auslasskanal bereits entweichen konnten. Die Abgase haben zu diesem Zeitpunkt einen tieferen Druck, während die Benzin-Luft-Mischung einen höheren Druck hat, also hilft die frische Mischung die Abgase herauszudrücken.
Zwar werden die Abgase durch das frische Benzin-Luft-Gemisch herausgedrückt, jedoch kann genau deshalb auch ein Teil des frischen Benzin-Luft-Gemisches entweichen. Was uns zum ersten Nachteil des 2-Takt-Motors bringt, nämlich die Ineffizient durch den Verlust des eben erwähnten frischen Gemisches. Während der Kolben sich nach oben bewegt und die Benzin-Luft-Mischung komprimiert, entsteht unterhalb des Kolbens ein Vakuum. Dieses Vakuum kann nicht bestehen bleiben und deshalb saugt es ein frisches Benzin-Luft-Gemisch an. Sobald der Kolben wieder am höchst möglichen Punkt angekommen, ist die nächste Benzin-Luft-Mischung komprimiert und bereit für die Verbrennung. Dies erklärt auch, weshalb der Kolben für den 2-Takt-Motor länger ist. Er muss nämlich den Auslasskanal als auch den Einlasskanal geschlossen halten.
Nun wissen wir, dass der 2-Takt-Motor bei jedem zweiten Takt (360 Grad Drehung) das Benzin-Luft-Gemisch verbrennt, während der 4-Takt-Motor 4 Takte (720 Grad Drehung) benötigt, um das Benzin-Luft-Gemisch zu verbrennen.
Reed Ventil
Wir haben gesehen, dass das Vakuum, welches entsteht, wenn der Kolben hochfährt, ein neues Benzin-Luft-Gemisch ansaugt. Doch wie wird verhindert, dass es dort bleibt, während der Kolben wieder nach unten fährt und nicht wieder durch den Einlasskanal entweicht?
Um das zu verhindern, sitzt ein Reed Ventil vor dem Einlasskanal. Man kann sich das bildlich so vorstellen, dass beim Ansaugen die Türen aufgehen und sobald der Kolben absteigt, schliessen sich die Türen durch den Druck. Etwa so, wenn man das Fenster zum Lüften offen lässt und dann knallt es die Türe durch den Windzug zu. Ein solches Reed Ventil sieht etwa so aus wie hier.
Das Schmiermittel Öl
Öl ist unumgänglich in einem Motor, da die Reibung von Metall auf Metall ansonsten zu katastrophalen Fehlern führen kann, ohne einen Ölfilm dazwischen zu haben.
Schmierung 4-Takt vs. 2-Takt
Bei einem 4-Takt-Motor ist befindet sich das ganze Öl unterhalb des Kolbens. Dieses Öl wird gleichzeitig zirkuliert, gefiltert (Ölfilter) und durch eine Ölpumpe unter Druck gesetzt.
Beim 2-Takt-Motor haben wir jedoch eine Benzin-Luft-Mischung unter dem Kolben. Die gleiche Menge an Öl wie bei einem 4-Takt-Motor zu haben und gleichzeitig den Motor am Laufen zu halten ist unmöglich. Es würde in die Verbrennungskammer gelangen und die Verbrennung verhindern. Wie also schafft es der 2-Takt-Motor Metall auf Metall Reibung zu verhindern?
Die Antwort ist ein Kompromiss, anstatt nur Luft und Benzin unter den Kolben zu bringen, kommt ein kleiner Anteil Öl hinzu. Der Ölanteil ist so gering, dass er die Verbrennung nicht verhindert, jedoch die Schmierung gewährleistet.
Hierbei gibt es eine altmodische und eine modernere Version, das Öl einzuspeisen. In der altmodischen Version mischt man das Öl mit dem Benzin, bei der modernen Version hat man einen separaten Ölbehälter, welcher das Öl üblicherweise in den Vergaser pumpt.
Das Verhältnis von Luft zu Benzin liegt bei ca. 13:1 und das Verhältnis von Benzin zu Öl liegt bei ca. 24:1 bis 50:1. Um das mal bildlich darzustellen…
Da das Öl mit dem Benzin und der Luft gemischt wird, landet es letztendlich auch in der Verbrennung. Deshalb auch der einzigartige 🙂 „Duft“ und Rauch von 2-Takt-Motoren. Das Öl von 2-Takt-Motoren wird also komplett verbrannt/verbraucht. Im Gegensatz zum 4-Takt-Motor, wo das Öl regelmässig ausgewechselt wird. Heisst also, dass es beim 2-Takt-Motor regelmässig kontrolliert und nachgefüllt werden muss. Was natürlich sehr schlechte Emissionen erzeugt. Dies hat dazu geführt, dass die Produktion von 2-Takt-Motoren in vielen Ländern bereits verboten worden ist.
Dies bedeutet auch, dass die Schmierung des Motors eines 2-Takt-Motors nicht so zuverlässig ist wie die eines 4-Takt-Motors. Was wiederum Auswirkungen auf die Lebensdauer eines 4-Takt-Motors hat. Die durchschnittliche Lebensdauer eines 2-Takt-Motors liegt bei ca. 15’000 – 20’000 km oder 2500 Arbeitsstunden. Im Vergleich, ein 4-Takt-Motor kann eine Lebensdauer bis zu 50’000 km, einige sogar bis 100’000 km oder mehr erreichen.
Der Unterschied in der Art und Weise, wie die beiden Motoren geschmiert werden, zeigt sich auch auf den Kolben. Der 4-Takt-Motor hat 3 Ringe, während der 2-Takt-Motor nur 2 Ringe hat.
Der dritte Ring in einem 4-Takt-Motor ist für die Öl-Kontrolle zuständig und verhindert, dass das Öl in die Verbrennungskammer gelangt.
Kompressions-Verhältnis
125CC, 400CC, 750CC, 900CC oder 1200CC … habt ihr euch schon mal gefragt, wofür das CC steht? Es steht für Cubic Centimetres und misst das Volumen des Raumes in das, das Benzin-Luft-Gemisch angesaugt wird. Das Kompressionsverhältnis wird zwischen dem grössten und dem kleinsten Volumen des Zylinders gemessen. Am Beispiel der unteren Darstellung eines 125CC wäre dies ein Verhältnis von 10:1.
Je höher dieses Verhältnis ist, desto mehr können wir komprimieren, was zu einer höheren Verbrennungsgeschwindigkeit und -stärke und somit höherer Effizienz führt.
Wo beginnt die Messung bei einem 4-Takt-Motor? Sobald der Kolben absteigt und am untersten Punkt angekommen ist, fängt die Komprimierung an und sie hört dort, auf wo der Kolben am höchsten Punkt ist.
Wo beginnt die Messung bei einem 2-Takt-Motor? Sobald der Kolben aufsteigt und der Einlass und Auslasskanal geschlossen sind.
Das Verhältnis ist somit beim 4-Takt-Motor höher als beim 2-Takt-Motor. Dies limitiert die Effizienz und Performanz beim 2-Takt-Motor im Vergleich zum 4-Takt-Motor.