Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Gluehzuendermotor

Gluehzuendermotoren (auch einfach Gluehzuender genannt) sind Verbrennungsmotoren mit aeusserer Gemischbildung durch Vergaser in Hubkolbenbauweise, die keine gesteuerte Zuendeinrichtung (Hochspannungszuendmodule mit Zuendspule, Verteiler und Zündkerze) besitzen. Diese Motoren werden für Autos der Modell-Massstaebe 1:10, 1:8, seltener für 1:6,5, 1:6 und 1:5 eingesetzt. Sie können in Zweitakt- und Viertakt-Ausführung gebaut werden. Es gibt sogar einen Hersteller eines Wankel-Gluehzuenders.

Ihr Einsatzbereich liegt nahezu ausschliesslich im Modellbau. Flugzeug-, Auto-, Boots-, Traktoren-Modelle in groesseren Massstaeben (beim Auto etwa Massstab 1:10 und 1:8) werden mit Gluehzuendern ausgerüstet.

2-Takt-Gluehzuender werden in einem Hubvolumen bis etwa 30ccm hergestellt. Im RC-Carbereich werden ueberwiegend 2 bis 6,5ccm-Motoren eingesetzt. Motoren um 3ccm Hubraum arbeiten heute im Standard bis etwa 25.000/min, können aber mit Drehzahlen bis 40.000/min arbeiten. Bei steigendem Hubraum sinken die Drehzahlen aufgrund der bewegten Massen.

Das Funktionsprinzip aehnelt dem (heute nicht mehr hergestellten) Gluehkopfmotor.

Die Zweitakt-Ausführung (haeufigste Bauform) ist ein schlitzgesteuerter Motor mit Kurbelkastenspuelung. Die Einlass-Steuerzeit wird durch eine Einfraesung an der Kurbelwelle, dem sog. Zimmermannsschieber, bestimmt.

Die Treibstoff-Entflammung erfolgt an einer dauerhaft im Rotbereich gluehenden Drahtwendel, die mit Platin-Iridium (aehnlich 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.

Gluehzuendermotoren haben in der Regel keinen eigenen Schmierstoffkreislauf, weshalb das erforderliche Schmieroel für alle bewegten Bauteile des Motors dem Treibstoff zugesetzt wird. Der Schmierstoff besteht bei Car-Motoren meist aus einer Komponente Rizinusoel (mind. etwa 3%) und einem synthetischen Öl speziell für Gluehzuendermotoren, im Modellbaujargon auch oft nur Verbrenner genannt. Flugmotoren können aufgrund der durch die Luftschraube effizienteren Kuehlung auch mit reinem Synthetikoel betrieben werden.

Reiner Rizinus-Betrieb zur Schmierung ist möglich. Gesamtoelmengen von bis zu 17% sind üblich, nur im Rennbetrieb wird unter 10% oelanteil gefahren.

Das Schmiermittel wird dem Treibstoff zugesetzt. Ein fetteres Gemisch hat daher einen positiven Effekt auf die Schmierung und Haltbarkeit des Motors.

Auto- und Flugmotoren sind luftgekuehlt. Eine Verrippung der Motoroberflaeche, sowie (bei Automotoren) grosse Kühlkörper, die auf den Zylinderkopf montiert werden, stellen die Voraussetzungen für eine effiziente Kuehlung her. Bei Flugzeugmodellen wird die Kuehlung zudem durch die Luftschraube (Propeller) sichergestellt, Automodelle werden durch den Fahrtwind, Bootsmotoren können mit Fluessigkeitskuehlung ausgefuehrt werden. Dazu wird der Zylinderkopf anstatt mit einem Kühlkörper durch einen Fluessigkeitsmantel im Kopf gekuehlt. Das Medium ist das umgebende Wasser.

Ein weiterer, sehr wichtiger Faktor bei der Kuehlung von Gluehzuendern ist das Kraftstoffgemisch und die oelmenge (Schmierstoff) im Kraftstoff. Gluehzuender dürfen vom Gemisch her nicht an der Magergrenze gefahren werden, da sie sonst ueberhitzen. Eine leicht fette Einstellung des Gemisches verhindert dies. Ein höherer oelanteil reduziert ebenfalls die Betriebstemperatur.

Gluehzuendermotoren besitzen ueberwiegend einfache Drosselschieber-Vergaser, die als Drehschieber oder Axialschieber ausgelegt sind. Einstellmoeglichkeiten gibt es nur für die Gemischaufbereitung (Hauptduese), für die Leerlaufdrehzahl und das Teillastgemisch (Leerlaufgemisch).

Die Abgasfuehrung ist entscheidend für einen gleichmaessigen Lauf und die Entfaltung des Drehmomentes des Gluehzuenders, besonders in der Zweitakt-Ausführung. In den meisten Faellen kommen auf den Hubraum und die Drehzahl ausgelegte Resonanzrohre zum Einsatz, die in Laenge, Form und Durchmesser auf das Schwingverhalten der meist einzylindrigen Motoren optimiert sind. Eine gute Abgasfuehrung bewirkt eine optimale Zylinderfuellung.

Die Hubraumleistungen der Gluehzuender sind, im Verhältnis gesehen, gewaltig. Ein Motor mit einem Hubraum von 2,5ccm entfaltet bei 29.000/min eine Leistung von 0,9kW, was einer Literleistung von 360kW entspricht. Bei den bis an die Grenze des machbaren hochgezuechteten 3,5ccm 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.

Gluehzuender 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 gedrueckt 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 Gluehkerze mit Spannung beaufschlagt; einige Sekunden nach dem Start kann die Spannung wieder weggenommen werden. Automatische Gluehvorrichtungen sind möglich.

Die Technik der Gluehzuender ist zwar einfach, ihr Betrieb erfordert jedoch eine genaue Einstellung der Einflussgroessen. Wie für alle Verbrennungsmotoren mit Fremdzuendung gilt auch für den Gluehzuender, dass ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis abhaengig zum Kraftstoffgemisch, sowie ein Zündzeitpunkt in einem engen Winkel-Bereich vor dem oberen Totpunkt einzuhalten ist, da der Motor sonst nicht funktioniert. Da die Hubraeume von Gluehzuendern sehr klein sind, bewirken bereits geringfuegige Änderungen an den Einflussgroessen grosse Veraenderungen.

Die Zündung erfolgt über eine permanent gluehende Gluehkerze, sodass kein Zündzeitpunkt am Motor eingestellt werden kann. Der richtige Zündzeitpunkt in Abhängigkeit zur Verdichtung und Drehzahl ist für den Betrieb von Gluehzuendern aber genauso wichtig wie bei allen anderen Motorenbauarten. Er ist von Einflussgroessen abhaengig, die ausserhalb des Motors liegen. Das sind im wesentlichen die Grössen Kraftstoff-Mischung, Waermewert der Gluehkerze und Verdichtung.

Der Kraftstoff für diese Motoren besteht aus einem Gemisch aus Methanol (Treibstoff) und Rizinus-Öl oder synthetisches Öl (Schmierung aller bewegten Bauteile). Zusaetzlich ist ein variabler Anteil an Nitro- Methan möglich.

Das Nitromethan bewirkt mit steigendem Anteil eine fruehere Zündung in einem weiten Bereich. Je mehr Nitromethan, desto früher zündet der Motor. (Achtung! Die Bedienungsanleitung beachten! Darin ist der hoechstmoegliche Nitromethan-Anteil festgelegt!)

Die Gluehkerze glueht beim Betrieb des Motors dauernd. Gestartet wird der Motor mittels Fremderwaermung der Gluehkerze über elektrischen Strom (i.d.R. 1,2 bis 2V=). Bei Betriebstemperatur glueht die Kerze durch die Platin-Iridium-Beschichtung von allein weiter und die Spannungsversorgung der Gluehkerze kann abgenommen werden.

Die Gluehkerzen werden in verschiedenen Waermewerten (aehnlich Zündkerzen) hergestellt. Eine "heisse" Gluehkerze bewirkt eine fruehere Zündung, eine "kalte" eine entsprechend spaetere Zündung. Die Waermewerte gehen von 1 (heiss) bis 9 (sehr kalt). Der Zündzeitpunkt verschiebt sich durch kaeltere Kerzen wesentlich zum Spaetzuenden.

Die Verdichtung des Motors ist an sich fest eingestellt und motorinterne Veraenderungen dieses Wertes sind nur über mechanische Bearbeitung von Kolben oder Zylinder möglich. Dennoch gibt es eine einfache Möglichkeit, die Verdichtung zu ändern:

Die Gluehkerzen werden in 2 unterschiedlichen Gewindelaengen 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 Gluehkerzen mit langem Gewinde eingebaut werden, sonst schlaegt der Kolben gegen die Kerze. Ein schwerer Motorschaden ist dann die Folge!) Zudem ist die Gluehkerze mit einem Kupferring abgedichtet. Durch Einsatz von Dichtringen verschiedener Stärken kann die Verdichtung in einem weiten Bereich beeinflusst werden.

Zuletzt kann durch eine zusaetzliche oder dickere Kopfdichtung das Verdichtungsverhältnis beeinflusst werden, die beim Zweitakt-Gluehzuender in wenigen Minuten montiert werden kann.

Entscheidend für einen erfolgreichen Betrieb von Gluehzuendern ist die richtige Auswahl und Abstimmung aller drei Einflussgroessen aufeinander.

Hat man z.B. einen Motor, der für eine Gluehkerze mit mittlerem Waermewert (z.B. Waermewert 4) und mittlerem Nitromethananteil (z.B. 10%) ausgelegt ist, kann man, weil man z.B. die Leistung erhoehen moechte, auch Kraftstoff mit hoeherem Nitromethan-Anteil fahren. Dann muss aber eine kaeltere Gluehkerze eingesetzt werden und (oder) gegebenenfalls auch die Verdichtung (durch dickeren Dichtring an der Gluehkerze) herabgesetzt werden. Am Ende muss, wenn eine Einflussgroesse geaendert wurde, durch "Gegensteuern" der anderen beiden Einflussgroessen der Motor wieder auf Betriebsfaehigkeit eingeregelt werden. Feste Regeln hierfuer können nicht gegeben werden und können allenfalls typisiert werden. (Gleicher Hersteller von Motor, Vergaser, Gluehkerze und gleicher Hubraum). Eine Anleitung nach dem Motto: Nitromethan + 10% = Kerze 3 Waermewerte waere schoen, ist aber nicht realistisch, da sogar der Verschleissgrad des Motors (durch Auswirkung auf die Einflussgroesse Verdichtung) eine Anpassung der anderen Grössen erfordert.

Zusammenfassung der den Zündzeitpunkt beeinflussenden Faktoren:

• Je mehr Nitromethan, desto früher zündet der Motor.
• Je heisser die Gluehkerze (kleiner der Waermewert) ist, desto früher zündet der Motor.
• Je höher die Verdichtung (duenner die Gluehkerzendichtung) ist, desto früher zündet der Motor.

Die Zuendungsart des Gluehzuendermotors zu kategorisieren, ist nicht eindeutig. Er besitzt zwar eine Gluehkerze, was auf Fremdzuendung hindeutet, andererseits wuerde der Gluehzuender auch laufen, wenn diese nicht vorhanden waere und nur eine kleine Flaeche im Zylinderkopf mit Platin bedampft waere, was dann auf einen Selbstzuender hinweisen wuerde. Der Gluehkopfmotor wurde als Selbstzuender eingeordnet, was auch nicht ganz richtig ist, da auch er eine Entflammungshilfe (extern aufgeheizter Zuendsack des Gluehkopfes mit einer Loetlampe) aehnlich dem Gluehzuender benötigt.

Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach machten den von Nikolaus August Otto entwickelten Gasmotor für die Verwendung von fluessigen Kraftstoffen, speziell Benzin verwendbar. Im Jahr 1883 melden Daimler und Maybach unter der Patent-Nummer DRP Nr. 28022 einen sogenannten "Gasmotor mit Gluehrohrzuendung" an. Das war der erste schnellaufende 4- Takt-Benzinmotor der Weltgeschichte. Die Hochspannungszuendung mit einem Zuendfunken entstand erst über 2 Jahrzehnte später. Die Gluehrohrzuendung war ein fremdgeheiztes, gluehendes Roehrchen im Zylinderkopf, das die Entflammung des Gemisches sicherstellte. Somit waren die ersten Benzinmotoren überhaupt eigentlich Gluehzuendermotoren.

Methanol ist stark hygroskopisch, es zieht also Wasser aus der Umgebungsluft an. Dadurch aendert sich der Brennwert (der Kraftstoff altert). Infolgedessen kann eine geaenderte Einstellung des Motors erforderlich werden. Durch einen geringfuegig erhoehten Nitromethan-Anteil kann das kompensiert werden.

Der oelanteil 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 Gluehzuendern jedoch nicht erreichbar.

Gluehzuendermotoren werden im Modellbau verwendet. Modelle dürfen nicht mit Spielzeug verwechselt werden. Die Treibstoffe Methanol und Nitromethan sind stark giftig und gehoeren 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 brandfoerdernd.

Vom Motor selbst geht ebenfalls bei unsachgemaesser Verwendung eine Gefahr aus. Kinder unter 14 Jahren dürfen Verbrenner-Modelle nur in Begleitung eines Erwachsenen betreiben.