Techniek: zo werken tweetaktmotoren!

Voordat deze techniek helemaal niet meer wordt gebruikt omwille van milieu-eisen, lichten we het verhaal nog een keertje toe.

Het principe van de meer conventionele viertaktmotor is waarschijnlijk bekend, maar we halen deze motor er kort bij omdat het eenvoudiger is om daarna de verschillen tussen twee- en viertakt aan te wijzen. Viertaktmotoren werken volgens het principe suck – squeeze – bang – blow, waarbij elk woord een bepaald type slag omschrijft. Vandaar inderdaad de benaming viertaktmotor. Uiteindelijk is de “bang” de arbeidsslag die power levert. Bij elke vier slagen is er één zogeheten arbeidsslag.

De diverse slagen doen het volgende, als we uitgaan van een benzinemotor:

• Suck: het mengsel van brandstof en lucht wordt door de neergaande zuiger de verbrandingskamer binnengezogen
• Squeeze: het mengsel wordt door de omhooggaande zuiger samengeperst. De druk en dus de temperatuur van het mengsel nemen toe
• Bang: de bougie zorgt voor een vonk waardoor het mengsel ontbrandt en in zeer korte tijd uitzet. De zuiger wordt met kracht naar beneden gedrukt. Dit is de arbeidsslag die zorgt voor de power
• Blow: de zuiger komt weer omhoog en stuwt het verbrande mengsel de cilinder uit

De volgende afbeelding geeft deze slagen schematisch weer:

Tweetakt, schematische weergave

Het belangrijkste verschil tussen twee- en viertaktmotoren, is dat tweetaktmotoren per twee slagen één arbeidsslag heeft in plaats van per vier slagen. Da’s inherent aan de werking van die dingen, die door onderstaande afbeelding wordt weergegeven:

We kunnen nu volstaan door te zeggen dat je net zo lang naar dit plaatje kunt kijken tot het kwartje valt, maar dat zou een beetje flauw zijn. Bovendien valt er genoeg interessants te melden over tweetaktmotoren dus dat gaan we ook (proberen te) doen.

De verschillende onderdelen

Voor we overschakelen naar de werking van tweetaktmotoren is het goed om kort de diverse onderdelen te benoemen. Bij beide weergaven hierboven zie je aan de rechterzijde de inlaatpoort. In sommige gevallen zit in deze poort nog een extra klep die open en dicht kan. Het kanaal dat links op de plaatjes van het carter naar de verbrandingskamer loopt, is de spoelpoort. Iets daarboven zie je de uitlaatpoort. Verder zie je uiteraard de krukas, de zuiger zelf en de bougie.

Merk verder op dat tweetaktmotoren geen traditionele kleppen kennen zoals dat bij de viertaktmotor wel het geval is. Afdichting van de diverse poorten doet de zuiger namelijk zelf! Zodra de zuiger zich in de laagste positie bevindt, staan de spoel- en uitlaatpoort tegelijkertijd open en is de inlaatpoort afgesloten, al dan niet middels een klep. Zit de zuiger helemaal bovenin de cilinder, dan zijn spoel- en uitlaatpoort netjes afgedicht terwijl de (klep in de) inlaatpoort open staat. Een animatie dan, om een en ander te verduidelijken:

De werking

Zo, die formaliteit is achter de rug, tijd voor business. Het mengsel van brandstof en lucht (en olie, komen we later op terug) wordt het carter in gezogen door de opwaartse beweging van de zuiger. Diezelfde zuiger komt omlaag waardoor het mengsel via de spoelpoort de verbrandingskamer in wordt gestuwd. De zuiger komt weer omhoog en als deze het hoogste punt bereikt, vonkt de bougie voor de arbeidsslag en wordt de zuiger weer naar beneden geduwd.

Bovenstaand verhaal lijkt rommelig. Er waren immers maar twee slagen, terwijl hierboven ogenschijnlijk meer stappen worden omschreven. Da’s niet zo, maar bepaalde dingen gebeuren tegelijkertijd of kennen een zekere mate van overlap.

Op het moment dat de zuiger omhoog gaat, wordt het mengsel boven de zuiger (en in de verbrandingskamer) samengedrukt. Tegelijkertijd wordt echter een nieuwe lading brandstof en lucht het carter in gezogen. Zodra de bougie vonkt en de zuiger omlaag wordt gedrukt, komt het nieuwe mengsel vanuit het carter via de spoelpoort de verbrandingskamer in gezogen en wordt het reeds verbrande mengsel via de uitlaatpoort de cilinder uitgebonjourd. Er vinden dus meerdere zaken tegelijkertijd plaats, wat de tweetaktmotor gemeen heeft met de wankelmotor.

De voordelen

Wie weleens op een tweetakt kart zit weet dat je uit dit type motor relatief veel vermogen kunt halen. Je hebt dus niet veel cc’s nodig om aardig wat pk’s uit het blok te halen en dat heeft te maken met het feit dat tweetakt motoren per twee slagen een arbeidsslag leveren, in tegenstelling tot viertaktmotoren die daar vier slagen voor nodig hebben. Verder is deze techniek door het gebrek aan kleppen relatief simpel. Daardoor zijn ze makkelijker te bouwen en wegen ze vrij weinig. Ook hoeft geen rekening te houden met olie die van boven naar beneden moet sijpelen voor de smering van het blok. Tweetaktmotoren kunnen dus ook op hun kop werken want zwaartekracht speelt geen rol meer, maar daarmee komen we meteen op een paar fikse nadelen.

De nadelen

Smering! Bij viertakt motoren (met wet sump-smering) wordt de olie bovenaan de motor ingespoten. De olie komt door de zwaartekracht vanzelf weer in het carter terecht en wordt vervolgens omhoog gepompt. Alle tussenliggende onderdelen worden netjes gesmeerd en gekoeld en klaar is kees. Bij tweetaktmotoren gaat dat principe niet op, want het carter wordt al gebruikt om het nog onverbrande mengsel de verbrandingskamer in te krijgen. Geen plek dus voor een oliebad, maar daar is een oplossing voor.

Om die reden wordt aan het mengsel van brandstof en lucht ook nog olie toegevoegd, oftewel mengsmering. Ook tweetakten hebben immers smering nodig, anders loopt de boel gruwelijk vast. Geen ramp als het je grasmaaier betreft, wel heel vervelend als je op een racemotor zit. Die toegevoegde olie maakt dat tweetakten veel meer troep uitstoten dan viertakten en dat verklaart waarom je ze tegenwoordig steeds minder vaak ziet. Mengsmering werkt bovendien minder goed dan “gewone” smering, waardoor alsnog meer wrijving optreedt en de levensduur van tweetakten over het algemeen beperkter is.

Rotax Max 125 cc tweetakt motor voor karts, levert 30 pk @ 11.500 rpm

Nog een puntje: verbruik. Zoals reeds beschreven staan de spoelpoort en de uitlaatpoort op een zeker moment gelijktijdig open. Dat betekent dus ook dat een deel van het onverbrande mengsel linea recta via de uitlaatpoort de verbrandingskamer uit wordt gedreven. Niet goed voor het verbruik en natuurlijk ook niet voor het milieu. Om dit probleem te ondervangen zie je op scooters en motoren (zoals die gruwelijk gave Cagiva hierboven) een zogeheten terugloop uitlaat die dit probleem min of meer ondervangt. Verder is het hogere verbruik inherent aan de werking van tweetaktmotoren, want er vinden twee keer zoveel arbeidsslagen plaats.

Verder leveren tweetakten hun vermogen vaak in een zeer beperkt en vrij hoog toerengebied, precies het tegenovergestelde van een elektromotor met z’n vlakke koppelkromme. Op zich geen probleem, maar je zult secuur moeten schakelen om in het juiste toerengebied te blijven. Om die reden worden veel scooters met tweetaktmotoren ook uitgerust met een CVT, want daarmee draait de motor altijd het juiste toerental.

Tot besluit

Bovenstaand verhaal geeft slechts een zéér beknopte weergave van de werking van tweetaktmotoren, want er valt nog veel meer over deze interessante techniek te vertellen. Belangrijkste om te onthouden is in elk geval dat dit type motoren twee keer zoveel arbeidsslagen kent als een viertaktmotor en daardoor meer vermogen levert bij eenzelfde cilinderinhoud. Verder is het vrij simpele techniek en dus goedkoop te produceren. Tweetakten zijn echter slecht voor het milieu vanwege de mengsmering én omdat het verbruik aanzienlijk hoger ligt dan bij tweetaktmotoren.

Headerfoto: Saab Sonett II met tweetaktmotor