Sie kennen wahrscheinlich den Viertakt-Dieselmotor. Es ist das Arbeitstier unter der Motorhaube Ihres Pickups oder dem Motorblock Ihrer Limousine. Es atmet ein, komprimiert, feuert und atmet in einem rhythmischen vierteiligen Tanz aus. Dann ist da noch der Zweitaktmotor, den Sie vielleicht am schrillen Heulen einer Kettensäge oder am Dröhnen eines Jetskis erkennen. Diese kleinen Motoren sind einfacher, leichter und feuern bei jeder zweiten Umdrehung.
Aber was passiert, wenn man die Zweitakt-Effizienz auf die Größe eines Hauses skaliert?
Sie bekommen die Giganten, die den Welthandel am Laufen halten. Die riesigen Dieselmotoren, die Lokomotiven, Containerschiffe und sogar große Stromerzeugungsanlagen antreiben, verwenden nicht nur Dieselkraftstoff. Sie kombinieren häufig die Verbrennungseffizienz von Diesel mit dem schnellen Zyklus eines Zweitaktmotors. Durch diesen Hybridansatz entstehen einige der leistungsstärksten mechanischen Geräte, die jemals gebaut wurden.
Wir werden uns damit befassen, wie diese riesigen Zweitakt-Dieselmotoren tatsächlich funktionieren. Es handelt sich nicht nur um eine vergrößerte Version Ihres Automotors. Die Physik, die Technik und die schiere Größe spielen in einer völlig anderen Liga.
Die Mechanik des Riesenzyklus
Um zu verstehen, warum diese Motoren unterschiedlich sind, muss man sich den Zyklus selbst ansehen. Bei einem Standard-Viertaktdiesel bewegt sich der Kolben bei jedem Arbeitstakt zweimal auf und ab. Einlass, Kompression, Leistung, Auslass. Es ist zuverlässig. Es ist ausgereift. Es ist aber auch dadurch begrenzt, wie oft Sie den Kolben in einer Stunde bewegen können.
Ein Zweitaktmotor halbiert das. Einer nach oben, einer nach unten. Power bei jeder Umdrehung.
Für eine Kettensäge bedeutet das mehr Leistung bei weniger Gewicht. Für einen 60-Tonnen-Schiffsmotor bedeutet dies ein kontinuierliches, unerbittliches Drehmoment ohne die Komplexität hängender Ventile und Nockenwellen im herkömmlichen Sinne. Aber es gibt einen Haken. Wie bekommt man Frischluft rein und Abgas raus, wenn der Kolben die ganze Arbeit erledigt?
Die Antwort liegt im Aufräumen.
„Spülung ist der Prozess, bei dem Abgase aus dem Zylinder entfernt und durch Frischluft ersetzt werden.“
Bei kleinen Zweitaktern erfolgt dies häufig über Öffnungen in der Zylinderwand. Der Kolben selbst fungiert als Ventil. Während es sich nach unten bewegt, gibt es die Auslassöffnung frei. Wenn es sich nach oben bewegt, deckt es die Ansaugöffnung ab. Es ist grob. Es ist chaotisch. Es verschwendet etwas Kraftstoff. Aber bei massiven Motoren überwiegt die Einfachheit die Ineffizienz.
Dabei handelt es sich jedoch nicht nur um große Kettensägen. Es sind Präzisionsinstrumente. Die Größe verändert alles. Ein 9-Zylinder-Zweitaktdiesel kann so hoch sein wie ein dreistöckiges Haus. Allein der Kolben kann mehrere Tonnen wiegen. Und sie laufen viel langsamer als Ihr Automotor und drehen oft mit weniger als 100 U/min.
Warum Zweitakt? Warum jetzt?
Sie fragen sich vielleicht, warum die Hersteller nicht bei allem bei Viertaktmotoren geblieben sind. Schließlich sind Viertaktmotoren bei kleineren Anwendungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs pro Meile effizienter. Sie haben eine bessere Emissionskontrolle. Sie sind einfacher abzustimmen.
Warum also für die Giganten Zweitakter fahren?
Drehmoment.
Schiffsmotoren müssen nicht hochdrehen. Sie müssen nicht umschalten. Sie müssen pushen
Warum Diesel im Zweitakt den Benziner schlägt
Wenn Sie bereits die Grundlagen der Funktionsweise von Zweitaktmotoren kennen, kennen Sie wahrscheinlich die Schlagzeile: Sie zünden die Zündkerze doppelt so oft wie ein Viertaktmotor. Einmal pro Kurbelwellenumdrehung. Dieses theoretische Potenzial bedeutet, dass ein Zweitakter die doppelte Leistung eines vergleichbaren Viertakters abpumpen kann. Aber es gibt einen Haken.
Der herkömmliche Benzin-Zweitakter saugt eine vorgemischte Luft-Kraftstoff-Ladung an. Dieser Kreislauf ist chaotisch. Jedes Mal, wenn der Zylinder aufgeladen wird, tritt ein Teil unverbrannten Kraftstoffs aus. Es verschwendet Treibstoff und verschmutzt die Umwelt.
Steigen Sie in den Diesel-Ansatz ein.
Dieselmotoren verdichten zunächst reine Luft. Anschließend spritzen sie Kraftstoff direkt in die heiße, komprimierte Luft. Diese Methode eignet sich weitaus besser für den Zweitaktzyklus. Da Sie keinen Rohbrennstoff aus dem Auspuff pumpen, steigt die Effizienz sprunghaft an. Emissionen sinken. Aus diesem Grund nutzen große Hersteller großer Dieselmotoren dieses Layout, um Hochleistungsmonster zu bauen.
Die Anatomie eines Zweitaktdiesels
Schauen Sie sich den Aufbau eines typischen Zweitakt-Dieselmotors an. Es sieht überhaupt nicht so aus wie das, was man unter der Motorhaube eines Autos finden würde.
Oben am Zylinder sitzen zwei oder vier Auslassventile. Sie brechen alle gleichzeitig auf. Genau dort befindet sich auch der Diesel-Einspritzer (in den Diagrammen gelb hervorgehoben). Der Kolben ist verlängert. Durch diese zusätzliche Länge fungiert der Kolben selbst als Einlassventil. Am Ende seines Hubs gibt der Kolben Öffnungen für den Lufteinlass frei.
Die Ansaugluft wird durch einen Turbolader oder Kompressor unter Druck gesetzt. Das Kurbelgehäuse ist abgedichtet und hält Öl, genau wie bei einem Standard-Viertaktmotor.
Hier ist der Zweitakt-Dieselzyklus in Aktion:
- Der Kolben befindet sich am oberen Ende seines Hubs. Der Zylinder enthält hochkomprimierte Luft. Der Dieselkraftstoffeinspritzer sprüht Kraftstoff in die Kammer. Hitze und Druck entzünden es sofort. Gleiche Zündphysik wie ein Standarddiesel.
- Der Verbrennungsdruck treibt den Kolben nach unten. Dies ist der Krafthub.
- Am unteren Ende des Hubs öffnen sich alle Auslassventile. Abgase strömen aus und entlasten den Druck.
- Unten gibt der Kolben die Lufteinlassöffnungen frei. Unter Druck stehende Luft strömt ein und verdrängt die restlichen Abgase.
- Auslassventile schließen. Der Kolben bewegt sich wieder nach oben, deckt die Einlassöffnungen ab und komprimiert die Frischluft. Dies ist der Kompressionshub.
- Ganz oben wiederholt sich der Zyklus.
Der Unterschied zu einem Benzin-Zweitaktmotor ist gewaltig. Nur Luft füllt den Zylinder. Es tritt kein unverbrannter Kraftstoff aus. Keine Umweltalbträume. Aber es gibt einen Kompromiss. Ein Diesel-Zweitakter benötigt einen Turbo oder Kompressor. Das erhöht die Kosten und die Komplexität. In einer Kettensäge werden Sie nie einen Diesel-Zweitakter finden. Es wäre übertrieben. Und viel zu teuer.
EMD-Motoren von General Motors
Die EMD-Motorenreihe von General Motors definiert die Gattung der Zweitakt-Diesel. Diese in den 1930er Jahren eingeführten Giganten treiben einen großen Teil der Diesellokomotiven an, die auf US-Gleisen verkehren.
Es gab drei aufeinanderfolgende Serien: die 567, die 645 und die 710. Die Zahlen beziehen sich auf Kubikzoll pro Zylinder. Ein typischer Aufbau hat 16 Zylinder. Gesamtverdrängung? Ungefähr 10.000 Kubikzoll. Bedenken Sie, dass ein 5-Liter-Motor (305 Kubikzoll) in einem Auto als massiv gilt. Ein EMD-Motor ist eine ganz andere Spezies.
Nehmen Sie den EMD 645E3. Hier sind die Spezifikationen:
- Zylinderdurchmesser: 9-1/16 Zoll
- Kolbenhub: 10 Zoll
- Hubraum pro Zylinder: 654 Kubikzoll
- Zylinder: 16 oder 20
- Kompressionsverhältnis: 14,5:1
- Auslassventile pro Zylinder: 4
- Gewicht (16 Zyl): 34.526 lbs (15.661 kg)
- Gewicht (20 Zyl): 40.144 lbs (18.209 kg). Hinweis: Allein die Ölwanne wiegt über eine Tonne.
- Leerlaufdrehzahl: 315 U/min
- Volle Geschwindigkeit: 900 U/min
- Leistung: ~4.300 PS
Das ist kein Auto. Das ist ein bewegliches Kraftwerk.
Weitere Informationen zu Diesel-Zweitaktmotoren und anderen Motorarchitekturen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.
