Glühzündermotor
Glühzündermotoren (auch einfach Glühzünder genannt) sind Verbrennungsmotoren mit äußerer Gemischbildung durch Vergaser in Hubkolbenbauweise, die keine gesteuerte Zündeinrichtung (Hochspannungszündmodule mit Zündspule, Verteiler und Zündkerze) besitzen. Diese Motoren werden für Autos der Modell-Maßstäbe 1:10, 1:8, seltener für 1:6,5, 1:6 und 1:5 eingesetzt.
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Allgemein
Sie können in Zweitakt- und Viertakt-Ausführung gebaut werden. Es gibt sogar einen Hersteller eines Wankel-Glühzünders.
Ihr Einsatzbereich liegt nahezu ausschließlich im Modellbau. Flugzeug-, Auto-, Boots-, Traktoren-Modelle in größeren Maßstäben (beim Auto etwa Maßstab 1:10 und 1:8) werden mit Glühzündern ausgerüstet.
2-Takt-Glühzünder werden in einem Hubraum bzw. Hubvolumen bis etwa 30ccm hergestellt. Im RC-Carbereich werden überwiegend Motoren mir 2 bis 6,5 ccm eingesetzt. Motoren um 3 ccm Hubraum arbeiten heute im Standard bis etwa 25.000 1/min, können aber mit Drehzahlen bis 40.000 1/min arbeiten. Bei steigendem Hubraum sinken die Drehzahlen aufgrund der bewegten Massen.
Funktionsweise
Das Funktionsprinzip ähnelt dem (heute nicht mehr hergestellten) Glühkopfmotor.
Die Zweitakt-Ausführung (häufigste Bauform) ist ein schlitzgesteuerter Motor mit Kurbelkastenspülung. Die Einlass-Steuerzeit wird durch eine Einfräsung an der Kurbelwelle, dem sog. Zimmermannsschieber, bestimmt.
Die Treibstoff-Entflammung erfolgt an einer dauerhaft im Rotbereich glühenden Drahtwendel, die mit Platin-Iridium (ähnlich Katalysator) beschichtet ist.
Als Treibstoff wird Methanol verwendet. Als leistungssteigernder Zusatz wird häufig Nitromethan verwendet, der bis etwa 35% dem Methanol zugesetzt wird. Nitromethan hat zudem positive Auswirkungen auf die Zündwilligkeit und bewirkt einen ruhigeren Leerlaufbetrieb.
Motorschmierung
Glühzündermotoren haben in der Regel keinen eigenen Schmierstoffkreislauf, weshalb das erforderliche Schmieröl für alle bewegten Bauteile des Motors dem Treibstoff zugesetzt wird.
Der Schmierstoff besteht bei Car-Motoren meist aus einer Komponente Rizinusöl (mind. etwa 3%) und einem synthetischen Öl speziell für Glühzündermotoren, im Modellbaujargon auch oft nur „Verbrenner“ genannt. Flugmotoren können aufgrund der durch die Luftschraube effizienteren Kühlung auch mit reinem Synthetiköl betrieben werden.
Reiner Rizinus-Betrieb zur Schmierung ist möglich. Gesamtölmengen von bis zu 17% sind üblich, nur im Rennbetrieb wird unter 10% Ölanteil gefahren.
Das Schmiermittel wird dem Treibstoff zugesetzt. Ein fetteres Gemisch hat daher einen positiven Effekt auf die Schmierung und Haltbarkeit des Motors.
Kühlung
Auto- und Flugmotoren sind luftgekühlt. Eine Verrippung der Motoroberfläche, sowie (bei Automotoren) große Kühlkörper, die auf den Zylinderkopf montiert werden, stellen die Voraussetzungen für eine effiziente Kühlung her. Bei Flugzeugmodellen wird die Kühlung zudem durch die Luftschraube (Propeller) sichergestellt, Automodelle werden durch den Fahrtwind, Bootsmotoren können mit Flüssigkeitskühlung ausgeführt werden. Dazu wird der Zylinderkopf anstatt mit einem Kühlkörper durch einen Flüssigkeitsmantel im Kopf gekühlt. Das Medium ist das umgebende Wasser.
Ein weiterer, sehr wichtiger Faktor bei der Kühlung von Glühzündern ist das Kraftstoffgemisch und die Ölmenge (Schmierstoff) im Kraftstoff.
Glühzünder dürfen vom Gemisch her nicht an der Magergrenze gefahren werden, da sie sonst überhitzen. Eine leicht fette Einstellung des Gemisches verhindert dies. Ein höherer Ölanteil reduziert ebenfalls die Betriebstemperatur.
Kraftstoffaufbereitung
Glühzündermotoren besitzen überwiegend einfache Drosselschieber-Vergaser, die als Drehschieber oder Axialschieber ausgelegt sind. Einstellmöglichkeiten gibt es nur für die Gemischaufbereitung (Hauptdüse), für die Leerlaufdrehzahl und das Teillastgemisch (Leerlaufgemisch).
Abgasführung
Die Abgasführung ist entscheidend für einen gleichmäßigen Lauf und die Entfaltung des Drehmomentes des Glühzünders, besonders in der Zweitakt-Ausführung. In den meisten Fällen kommen auf den Hubraum und die Drehzahl ausgelegte Resonanzrohre zum Einsatz, die in Länge, Form und Durchmesser auf das Schwingverhalten der meist einzylindrigen Motoren optimiert sind. Eine gute Abgasführung bewirkt eine optimale Zylinderfüllung.
Spezifische Leistung
Die Hubraumleistungen der Glühzünder sind, im Verhältnis gesehen, gewaltig. Ein Motor mit einem Hubraum von 2,5 ccm entfaltet bei 29.000 1/min eine Leistung von 0,9 kW, was einer Literleistung von 360 kW entspricht.
Bei den bis an die Grenze des machbaren hochgezüchteten 3,5 ccm Motoren gibt es bereits Modelle mit über 2,25 kW. Tuningmaßnahmen erzielen (bei stark reduzierter Lebensdauer) noch wesentlich mehr. Prototypen und Einzelanfertigungen mit Turboaufladung existieren, werden aber nicht als Standard angeboten.
Motorstart
Glühzünder werden, um Gewicht zu sparen, im professionellen Einsatz (Wettbewerbe, Rennen) ohne eigene Startvorrichtung eingesetzt. Das Starten erfolgt dann über eine sog. Startbox, einen Elektromotor mit einer Reibrolle, die an die Schwungscheibe des Motors ansetzt und diesen startet. Bei Automodellen ist dieser Elektromotor meist in einer Metallbox aufgehoben, auf die das Fahrzeug passgenau aufgesetzt werden kann und zum Starten nur leicht nach unten gedrückt werden muss.
Bei Flugmodellen kann man auch Elektrostarter einsetzen, die mit einem Gummieinsatz axial auf die Propellernase gesetzt werden und den Motor damit starten, Handanwurf ist ebenfalls meist möglich. Reversierstarter oder auch fest angebaute Elektrostarter können angebaut werden.
Zum Starten wird die Glühkerze mit Spannung beaufschlagt; einige Sekunden nach dem Start kann die Spannung wieder weggenommen werden. Automatische Glühvorrichtungen sind möglich.
Steuerung der Entflammung (Zündzeitpunkt)
Die Technik der Glühzünder ist zwar einfach, ihr Betrieb erfordert jedoch eine genaue Einstellung der Einflussgrößen.
Wie für alle Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung gilt auch für den Glühzünder, dass ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis abhängig zum Kraftstoffgemisch, sowie ein Zündzeitpunkt in einem engen Winkel-Bereich vor dem oberen Totpunkt einzuhalten ist, da der Motor sonst nicht funktioniert.
Da die Hubräume von Glühzündern sehr klein sind, bewirken bereits geringfügige Änderungen an den Einflussgrößen große Veränderungen.
Die Zündung erfolgt über eine permanent glühende Glühkerze, sodass kein Zündzeitpunkt am Motor eingestellt werden kann.
Der richtige Zündzeitpunkt in Abhängigkeit zur Verdichtung und Drehzahl ist für den Betrieb von Glühzündern aber genauso wichtig wie bei allen anderen Motorenbauarten. Er ist von Einflussgrößen abhängig, die außerhalb des Motors liegen. Das sind im wesentlichen die Größen:
- Kraftstoff-Mischung,
- Wärmewert der Glühkerze,
- Verdichtung
Kraftstoff
Der Kraftstoff für diese Motoren besteht aus einem Gemisch aus Methanol (Treibstoff) und Rizinus-Öl oder synthetisches Öl (Schmierung aller bewegten Bauteile). Zusätzlich ist ein variabler Anteil an Nitro-Methan möglich.
Das Nitromethan bewirkt mit steigendem Anteil eine frühere Zündung in einem weiten Bereich. Je mehr Nitromethan, desto früher zündet der Motor.
Achtung: Die Bedienungsanleitung beachten! Darin ist der höchstmögliche Nitromethan-Anteil festgelegt!
Glühkerze
Die Glühkerze glüht beim Betrieb des Motors dauernd.
Gestartet wird der Motor mittels Fremderwärmung der Glühkerze über elektrischen Strom (i.d.R. 1,2 bis 2V=). Bei Betriebstemperatur glüht die Kerze durch die Platin-Iridium-Beschichtung von allein weiter und die Spannungsversorgung der Glühkerze kann abgenommen werden.
Die Glühkerzen werden in verschiedenen Wärmewerten (ähnlich Zündkerzen) hergestellt. Eine "heiße" Glühkerze bewirkt eine frühere Zündung, eine "kalte" eine entsprechend spätere Zündung. Die Wärmewerte gehen von 1 (heiß) bis 9 (sehr kalt). Der Zündzeitpunkt verschiebt sich durch kältere Kerzen wesentlich zum Spätzünden.
Verdichtung
Die Verdichtung des Motors ist an sich fest eingestellt und motorinterne Veränderungen dieses Wertes sind nur über mechanische Bearbeitung von Kolben oder Zylinder möglich. Dennoch gibt es eine einfache Möglichkeit, die Verdichtung zu ändern:
Die Glühkerzen werden in 2 unterschiedlichen Gewindelängen hergestellt. Die Motoren, welche lange Kerzen einsetzen können, kann man in der Verdichtung durch den Einsatz einer kurzen Kerze herabsetzen.
Achtung: Bei Kleinstmotoren bis ca. 2ccm können keine Glühkerzen mit langem Gewinde eingebaut werden, sonst schlägt der Kolben gegen die Kerze. Ein schwerer Motorschaden ist dann die Folge!
Zudem ist die Glühkerze mit einem Kupferring abgedichtet. Durch Einsatz von Dichtringen verschiedener Stärken kann die Verdichtung in einem weiten Bereich beeinflusst werden.
Zuletzt kann durch eine zusätzliche oder dickere Kopfdichtung das Verdichtungsverhältnis beeinflusst werden, die beim Zweitakt-Glühzünder in wenigen Minuten montiert werden kann.
Gegenseitige Beeinflussung der Größen
Entscheidend für einen erfolgreichen Betrieb von Glühzündern ist die richtige Auswahl und Abstimmung aller drei Einflussgrößen aufeinander.
Hat man z.B. einen Motor, der für eine Glühkerze mit mittlerem Wärmewert (z.B. Wärmewert 4) und mittlerem Nitromethananteil (z.B. 10%) ausgelegt ist, kann man, weil man z.B. die Leistung erhöhen möchte, auch Kraftstoff mit höherem Nitromethan-Anteil fahren.
Dann muss aber eine kältere Glühkerze eingesetzt werden und (oder) gegebenenfalls auch die Verdichtung (durch dickeren Dichtring an der Glühkerze) herabgesetzt werden. Am Ende muss, wenn eine Einflussgröße geändert wurde, durch "Gegensteuern" der anderen beiden Einflussgrößen der Motor wieder auf Betriebsfähigkeit eingeregelt werden.
Feste Regeln hierfür können nicht gegeben werden und können allenfalls typisiert werden. (Gleicher Hersteller von Motor, Vergaser, Glühkerze und gleicher Hubraum).
Eine Anleitung nach dem Motto: Nitromethan + 10% = Kerze –3 Wärmewerte wäre schön, ist aber nicht realistisch, da sogar der Verschleißgrad des Motors (durch Auswirkung auf die Einflussgröße Verdichtung) eine Anpassung der anderen Größen erfordert.
Zusammenfassung der den Zündzeitpunkt beeinflussenden Faktoren:
- Je mehr Nitromethan, desto früher zündet der Motor.
- Je heißer die Glühkerze (kleiner der Wärmewert) ist, desto früher zündet der Motor.
- Je höher die Verdichtung (dünner die Glühkerzendichtung) ist, desto früher zündet der Motor.
Fremdzünder / Selbstzünder ?
Die Zündungsart des Glühzündermotors zu kategorisieren, ist nicht eindeutig. Er besitzt zwar eine Glühkerze, was auf Fremdzündung hindeutet, andererseits würde der Glühzünder auch laufen, wenn diese nicht vorhanden wäre und nur eine kleine Fläche im Zylinderkopf mit Platin bedampft wäre, was dann auf einen Selbstzünder hinweisen würde. Der Glühkopfmotor wurde als Selbstzünder eingeordnet, was auch nicht ganz richtig ist, da auch er eine Entflammungshilfe (extern aufgeheizter Zündsack des Glühkopfes mit einer Lötlampe) ähnlich dem Glühzünder benötigt.
Geschichte
Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach machten den von Nikolaus August Otto entwickelten Gasmotor für die Verwendung von flüssigen Kraftstoffen, speziell Benzin verwendbar.
1883 melden Daimler und Maybach unter der Patent-Nummer DRP Nr. 28022 einen sogenannten „Gasmotor mit Glührohrzündung“ an. Das war der erste schnellaufende Vier-Takt-Benzinmotor der Weltgeschichte. Die Hochspannungszündung mit einem Zündfunken entstand erst über zwei Jahrzehnte später.
Die Glührohrzündung war ein fremdgeheiztes, glühendes Röhrchen im Zylinderkopf, das die Entflammung des Gemisches sicherstellte. Somit waren die ersten Benzinmotoren überhaupt eigentlich Glühzündermotoren.
Weitere Faktoren
Methanol ist stark hygroskopisch, es zieht also Wasser aus der Umgebungsluft an. Dadurch ändert sich der Brennwert (der Kraftstoff altert). Infolgedessen kann eine geänderte Einstellung des Motors erforderlich werden. Durch einen geringfügig erhöhten Nitromethan-Anteil kann das kompensiert werden.
Der Ölanteil hat ebenfalls einen Einfluss auf die Leistung des Motors. Je geringer er ist, desto besser ist die Verbrennung. Hier sind jedoch Grenzen gesetzt. Mit synthetischem Öl kann man geringere Anteile realisieren, Werte wie bei richtigen Zweitaktern sind bei Glühzündern jedoch nicht erreichbar.
Vorsichtsmaßnahmen
Glühzündermotoren werden im Modellbau verwendet. Modelle dürfen nicht mit Spielzeug verwechselt werden. Die Treibstoffe Methanol und Nitromethan sind stark giftig und gehören nicht in die Hand von Kindern. Das Verschlucken von geringsten Mengen kann schwerwiegende Folgen sowie den Tod nach sich ziehen! Beide Substanzen sind leicht entflammbar, explosiv und brandfördernd.
Vom Motor selbst geht ebenfalls bei unsachgemäßer Verwendung eine Gefahr aus. Kinder unter 14 Jahren dürfen Verbrenner-Modelle nur in Begleitung eines Erwachsenen betreiben.
Weblinks
| Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Glühzündermotor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia, teilweise können Textpassagen übernommen worden sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Bitte fügt detaillierte Infos zu den Vorbildern entsprechend in der Wikipedia hinzu, so dass wir uns hier auf die Modellbauaspekte konzentrieren können. |
