A kétütemű motor a belső égésű motorok egyik fajtája, abban különbözik a négyütemű motortól (avagy OTTO Motor), hogy mindössze két ütem (egy főtengelyfordulat) alatt hajtja végre azt a ciklust, amit a négyütemű motor két fordulat alatt. Így a kétütemű motornál minden fordulatra esik egy munkaütem, szemben a négyüteművel, ahol csak minden második fordulatra. A legtöbb kétütemű motor fontos tulajdonsága, hogy mindkét irányban megindítható és üzemben tartható.
Felhasználása
Kétütemű motorok használatosak a legnagyobb és legkisebb teljesítmények tartományában. Közepes teljesítményeknél sokkal kisebb a jelentőségük.
A legkisebb benzinmotorok általában forgattyúsház-elősűrítésű, keverék olajozású kétüteműek. Elterjedten használják motorcsónakok oldalmotorjánál, motorkerékpároknál, mopedeknél, robogóknál, hómobiloknál, go-kartoknál, repülőgép-modelleknél, láncfűrészeknél, fűnyíróknál, szegélynyíróknál. Mindezeknél az alkalmazásoknál azért népszerűek, mert egyszerű a szerkezetük (és ennélfogva olcsók), és nagyon jó a teljesítmény-súly viszonyuk mivel kétszer annyi munkaütemet végeznek adott fordulatszám alatt, mint a négyütemű motorok. Kézi szerszámoknál további előnyük, hogy mindkét irányban működnek, valamint az, hogy nincs olajtartályuk, ami a gravitációtól gyakorlatilag függetlenné teszi működésüket.
A legnagyobb hengerűrtartalmú kétütemű motorok általánosságban Diesel-ciklusúak és külön feltöltővel rendelkeznek. Nagy teljesítmény, egyenletes járás, magas hatásfok jellemző őket. A főtengely forgásirányának megváltoztathatósága és lassító áttétel mellőzhetősége a hajózásban elterjedtté tette alkalmazásukat. Továbbá főképp buszok, tehergépjárművek, mezőgazdasági és egyéb ipari nagy-gépek, aggregátorok, mozdonyok erőforrásaként kerültek beépítésre. Legelterjedtebb konstrukciós megoldásként vegyes vezérlésűek, de ellen-dugattyús és résvezérelt típusok is előfordulnak.
Története
Feltalálása
Az első kétütemű motort Sir Dugald Clerk skót mérnök alkotta meg 1878-ban, szabadalmaztatta 1881-ben. A motor viszont külön töltő (szivattyú) hengerrel is rendelkezett. A forgattyúház-elősűrítésű kétütemű motort (ahol a dugattyú egyben töltő-dugattyú is és a forgattyúsházba történik a szívás, elősűrítés) az angol Joseph Day találta fel 1889-ben, (hasonló konstrukciójára kapott német szabadalmat Julius Söhnlein 1891-ben) de a vezérlése még ennek is részben (szívás, átömlés) szelepekkel történt. Végül a teljesen dugattyú általi résvezérelést Day alkalmazottja Frederic William Caswell Cock 1894-ben alkotta meg. A kétütemű motornak ma is feltöltővel vagy forgattyúsház elősűrítéses változataival találkozhatunk.
Technológia fejlődése
Az első kétüteműeket – jellemzően motorkerékpárokban – az 1910-es évektől még az angol Vikers cég gyártotta. Az 1920-as évektől a német Zündapp majd DKW, és az osztrák Puch jártak az élen. Kezdetben a terelőgátas ("tarajos"- vagy "orros-") dugattyúval rendelkező keresztáramú öblítésű konstrukciók, illetve azzal nem rendelkező változatok terjedtek el. Utóbbi gázcseréje pazarló volt és nem öblítette át a hengert kielégítően. Mindkét módszernél alkalmaztak kompresszordugattyúkat is, feltöltőket is. Ezek vagy a forgattyúsház töltését növelték, vagy közvetlenül a hengert töltötték túl. Jellemzően a '30-as évek DKW versenymotorjainál találkozhatunk ezzel a megoldással. A töltéscsere-veszteség itt is nagy volt, de növelte a teljesítményt.
A töltési és öblítési hatásfok és a gázcsereveszteség csökkentésére született meg az ikerdugattyús kétütemű motor is, közös égéstérrel és külön hengerenként vezérelt felömlő és kipufogónyílásokkal, egymáshoz képest eltolt aszimmetrikus vezérlési idővel. A '10-es évektől az 1970-es évekig gyártották különféle változatait, alkalmazását az Alberto Garelli mérnök személyéhez köthető olasz Garelli cég kezdte meg. A kedvezőtlen égéstér és a bonyolultabb gyártás miatt nem terjedt el.
1925-ben a német Adolf Schnürle által kétütemű dízelmotorokhoz szabadalmaztatott hurkos (Schnürle-rendszerü) öblítés kedvezőbb átöblítést tett lehetővé. A dugattyú könnyebb lett, kevésbé melegedett, az égéstér alakja kedvezőbb, a szemben lévő felömlő csatornákból kilépő gázok hurkot leírva, a hengerfal mentél felhaladva, hatékonyabban öblítették át a hengert is, a töltésgázok nem távoztak olyan nagy mértékben a kipufogó csatornába. Ezen szabadalom licencét vásárolta meg a német DKW gyár 1932-ben és fejlesztette tovább kétütemű motorjait 1934-től. A DKW jelentős összegekért adta tovább szabadalmait más gyártóknak, ezért a hurkos öblítés csak a szabadalmi oltalom lejártával szorított ki minden más öblítési eljárást.
A szabadalom megkerülésére alkotta meg a Zündapp a három-felömlős rendszerét. A kipufogónyílással szemben is volt egy felömlő nyílás, az oldalsó felömlők forgattyúsház felőli belépőnyílása a dugattyúpalástba nyitott ablakon keresztül nyitotta acsatornát, a felfelé irányított gáztöltetek öblítik át a hengert. A Schnürle- és a háromcsatornás rendszer közötti különbség idővel összemosódott. A kipufogóval szemközti felömlő nyílást később a hurkos öblítésnél is használták.
A kétütemű motorok technológiájának következő nagy áttörése a gázok lengéseinek, nyomáshullámainak kihasználása a motor feltöltésének növelésre, hatásfokának javítására.
Ezen belül is legfőképp a kipufogórendszer hangolása, úgynevezett expanziós vagy tágulási kamra, más néven a rezonancia kamra/rezonátor alkalmazása hozta el. Az elvet már a '30-as évek végén átültették a gyakorlatba, komoly eredményeket az '50-es évek végén a kelet-német Walter Kaaden által kifejlesztett, MZ (korábban IFA névvel) verseny motorkerékpároknál értek el. Az MZ gyár motorkerékpár versenyzője, Ernst Degner disszidálása során 1961-ben, egy versenymotort is magával csempészett nyugatra, amely a Suzuki birtokába kerülve komoly lökést adott a technológia elterjedésének, ellenben a kelet-német gyár számára súlyos következményekkel járt.
További előrelépés volt a teljesen dugattyú általi vezérlés (szimmetrikus vezérlés) leváltása, a szívó- és kipufogó oldal aszimmetrikus idejű vezérlésére.
Már korán kísérleteztek forgóhengeres, forgóhüvelyes és forgótárcsás vezérlésekkel is. Előbbi a kipufogónyílást, utóbbiak a szívást vezérelték, ezek közül a forgótárcsás bizonyult életképesebbnek. A forgótárcsás vezérlés már korán megjelent, a belga Gillett-Herstal cég a '20-as években már alkalmazta. A forgódobos megoldás hasonló elven alapul mint a forgótárcsás, szovjet versenymotoroknál alkalmazták, a főtengelyről lánc hajtotta. Mindkét megoldás hátránya a súrlódásból adódó kopás. Hasonló megoldás volt a rezgőnyelves vagy membrános szívásvezérlés. Az osztrák Titán motorokon Karl Schuber 1928-ban már alkalmazta, szintén a belga Gillett és vele párhuzamosan a német DKW is kísérletezett vele. Kezdetben az acélból készült, előnytelenül kialakított nyelvek hamar eltörtek, így az 1970-es évek elejéig kellett várni tömeges elterjedéséig, amikor a Yamaha piacképes és tartós megoldással állt elő az üveg- vagy szénszálas erősítésű membrán nyelvek formájában. A kipufogórés tolattyús, forgódobos, nyelves vezérlésével a kipufogócsatorna nyitási és zárási idejét, keresztmetszetét, a rezonancia kamra felől visszaáramló gáztöltet hengerbe tódulásának idejét és ezzel a motor használható nyomatéktartományát lehet előnyösen szabályozni, a fordulatszám és terhelés függvényében. Az első ilyen sikeres mechanikus rendszert a Yamaha alkotta meg 1978-ban, majd elektronikus vezérlésűt 1983-ban (Yamaha Power Valve System). Hamarosan a többi japán és európai gyártó is előállt hasonló megoldásokkal.
Emisszió
A feltöltéses dízel motorokat kivéve a legtöbb kétütemű Otto-motor keverékolajozású. A kétütemű motorok egyik előnyét – egyszerűség – adó olajozási módszer egyben rendkívül pazarló és környezetszennyező is. Így már korán folytak kísérletek ennek javítására. Kezdetben az olaj hozzákeverési arányának csökkentésével, majd külön olajozó rendszerek kifejlesztésével. Ennek legegyszerűbb módja hogy az olajat külön pumpával juttatjuk a forgattyúsházba, leghatékonyabb módja hogy furatokon át jut el a kenendő pontokhoz, a csapágyakhoz és a hengerhez, dugattyúhoz. Előbbire példát az olasz (Aprilia) és japán motorokon kívül, a Kelet-európai (Jawa, MZ) gyár bizonyos modelljeinél is megtalálhattuk. Utóbbira példa például az olasz Bimota verseny-motorkerékpárja, vagy számos japán (Suzuki) utcai modellje is.
A károsanyag kibocsátás és a fogyasztás további csökkentésére megoldás, ha az üzemanyagot közvetlenül juttatjuk a hengerbe nagy nyomású befecskendezővel. A korábbi Bimota erre is példa. Így elkerülhető hogy az öblítés során a kipufogórendszerbe távozzon.
Ennek egyszerűbb olcsóbb módja viszont a Stihl és Husqvarna láncfűrészeknél alkalmazott úgynevezett öblítőlevegő rendszer, amikor a dugattyú palástjában kialakított kamra a hengerfallal bezárólag, egy külön leömlőcsatornát nyit egybe a felömlőcsatornákkal a felső holtpontban. Ezen keresztül olaj és üzemanyag mentes levegőréteg áramlik a felömlőcsatornákba, miközben a karburátorból egy másik leömlőn keresztül üzemanyag-olaj-levegő keverék áramlik a forgattyúsházba. A tiszta légréteg a keverék előtt haladva öblíti át a hengert, a kipufogórés még a keverék kiáramlása előtt zárul, így öblítési veszteségként csak levegő távozik.
Az emisszió csökkentéséhez hozzátartozik még az utóbbi évtizedekben a katalizátor alkalmazása is, ami a kipufogóba távozó maradék olaj elégetését végzi.
Visszaszorulása
Az utóbbi évtizedekben a kétütemű (Otto-) motorok gyártása és forgalmazása sok területen erősen lecsökkent és visszaszorulóban van, vagy stagnál, továbbiakba pedig nem tudott betörni.
Ennek oka többek közt a jelentős fejlesztések ellenére a négyüteműhöz képest még mindig szennyezőbb üzem, valamint a fogyasztás, emisszió, élettartam javítására alkalmazott technológiák, eljárások magasabb ára és bonyolultsága, de nemcsak a korábbi kétüteműekhez képest. Ami viszont különösen a korábban kétüteműek uralta, jellemzően az olcsóságot, egyszerűséget előtérbe helyező gyártmányok, felhasználási területek terén szorította őket vissza. Ez esetben a döntő ok az emisszió, fogyasztás, élettartam terén növekvő egyre magasabb piaci és törvényi elvárások voltak.
Bár az igények, elvárások magasabbak, a négyütemű motor gyakran még a bonyolultabb vezérlése, magasabb alkatrész száma esetében is könnyebben és olcsóbban teljesíti a vonatkozó követelményeket, az olcsó és egyszerű karburátorral is jobb kibocsátást produkál a kétüteművel szemben, szélesebb a használható fordulatszám tartománya és magasabb az élettartama.
Jó példa erre a legutóbbi új-generációs négyütemű német Stihl és a japán Shindaiwa láncfűrész motorok, amelyek forgattyús hajtóműve és vezérlése keverékolajozással történik és karburátoros kialakításukkal is kedvezőbb károsanyag-kibocsátást produkálnak kétütemű társaiknál, mivel gázcsereveszteségük kisebb. Ugyanezen értékeket a kétüteműek csak drágább technológiákkal (közvetlen befecskendezés, adagolószivattyús olajozás, katalizátor) képesek elérni, miközben zajterhelésük is magasabb. A speciálisan a teljesítmény növelésére kifejlesztett forgattyúsház elősűrítésű és keverékolajozású négyütemű pl YS modell-motorok teljesítménye pedig közelíti, eléri a kétüteműekét.
Emiatt a drágább kétütemű technológiák csak bizonyos területeken tudtak megjelenni, megmaradni. Jellemezően ott ahol a kétüteműek addig is jelen voltak, a négyüteműeket kiszorítani vagy jelentős konkurenseivé válni továbbra sem tudták. Az olcsóbb, egyszerűbb, de szennyezőbb kétüteműek pedig ott maradtak piacvezetők vagy tudtak megmaradni, ahol a károsanyag-kibocsátás nem fő szempont, alacsonyabbak a határértékek, illetve az élettartam és fogyasztás terén sincsenek nagy elvárások. Például a versenysportban, hobbijárműveknél és a segédmotoros kerékpároknál.