Modellbautreibstoff

Teil 2: Allgemeines, Rund um den Motor

Historische Verwendung

In Propellerflugzeugen der späten 1930er Jahre waren die Verbrennungsmotoren bis ans Optimum ausgereizt. Nur durch Methanol-Wasser-Einspritzung zur Ladeluftkühlung bei Turbomotoren, Lachgaseinspritzung sowie durch Zugabe von Nitromethan waren Spitzenfluggeschwindigkeiten von 750 km/h - wie beim Geschwindigkeitsrekord für Kolbenflugzeuge mit der Me209 - möglich.

Heutige Verwendung

Beim Modellbau werden für RC-Cars und Flugmodelle meist Glühzündermotoren mit Methanol/Nitromethan-Gemisch eingesetzt. Als Treibstoff für die Glühzündermotoren dient Methanol mit einem variablen Zusatz an Nitromethan (bis etwa 35%), wodurch die Leistungsausbeute der Motoren gesteigert werden kann.
Das Nitromethan ist der Sauerstoffträger im Kraftstoff und je höher der Anteil ist, desto mehr Sauerstoff kommt in den Motor zur Verbrennung. Wichtig ist je nach Motor das richtige Nitro-Methanolgemisch zu finden.
Als nächstes ist die richtige Einstellung des Vergasers zu finden. Wenn die Einstellung nämlich zu mager ist, ist die Schmierung des Motors nicht oder nur schwach gewährleistet und der Motor geht früher oder später kaputt.
Die Schmierung erfolgt durch Beimischung von speziellen Ölen. Hierbei wird entweder Rizinusöl oder Synthetiköl oder ein Gemisch aus Beiden verwendet. Der Ölanteil beträgt mindestens 8 % (Rennmischungen) , wird aus Sicherheitsgründen und Haltbarkeit der Motoren aber eher um die 15 % liegen.

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. Reines Rizinusöl erhöht ab ca. 2,5 % Beimischung die Lebensdauer der Car-Motoren deutlich. Flugmotoren können aufgrund der durch die Luftschraube oder Rotor effizienteren Kühlung auch mit reinem Synthetiköl betrieben werden.
Reiner Rizinus-Betrieb zur Schmierung ist möglich und wurde früher ausschließlich betrieben. Allerdings müssen die Motoren öfter gereinigt werden da die sogenannte Ölkohle dann stärker anfällt.
Gesamtölmengen von bis zu 18 % sind üblich, nur im Rennbetrieb wird unter 10% Ölanteil gefahren. 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.
Ein fetteres Gemisch hat daher einen positiven Effekt auf die Schmierung und Haltbarkeit, sowie auf die Kühlung des Motors. Allerdings ist dadurch auch wieder etwas mehr Nitromethananteil nötig um die gute Laufeigenschaft zu erhalten.

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 Flugmodellen wird die Kühlung zudem durch die Luftschraube (Propeller) oder Rotor 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.
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.

Kraftstoffaufbereitung - Vergaserbauarten für Glühzündermotoren

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. Steuerung der Entflammung (Zündzeitpunkt). Die Technik der Glühzünder ist zwar einfach, ihr Betrieb erfordert jedoch eine genaue Einstellung der Einflussgrößen.

Kurbelwelle (Vorderteil) eines Glühzündermotors

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 richtige Kraftstoff-Mischung, Wärmewert der Glühkerze und Verdichtung.

Kraftstoff

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 eines Glühzündermotors

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.

Geschichte

Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach machten den von Nikolaus August Otto entwickelten Gasmotor für die Verwendung von flüssigen Kraftstoffen, speziell Benzin verwendbar. Im Jahr 1883 melden Daimler und Maybach unter der Patent-Nummer DRP Nr. 28022 einen sogenannten „Gasmotor mit Glührohrzündung“ an. Das war der erste schnellaufende 4-Takt-Benzinmotor der Weltgeschichte.
Die Hochspannungszündung mit einem Zündfunken entstand erst über 2 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.
Durch Veresterung von Methanol mit Rapsöl wird Biodiesel gewonnen. Methanol wird einerseits als Zusatz zu Vergaserkraftstoffen benutzt, um die Klopffestigkeit zu erhöhen, kann aber auch direkt als Kraftstoff genutzt werden. Früher wurde es auch als Raketentreibstoff verwendet. Heute ist es als chemischer Träger von Wasserstoff für Brennstoffzellen von wissenschaftlichem Interesse.
Durch Umsetzung von Methanol an Zeolith-Katalysatoren zur Totalsynthese hochoktaniger Kraftstoffe. Durch das MTG-Verfahren (Methanol to Gasoline) kann Erdgas über das Zwischenprodukt Methanol zu hochoktanigen Kraftstoffen umgesetzt werden. Erste Produkte der vollsynthetischen Produktion von hochwertigen Kraftstoffen sind unter anderem unter Markennamen wie „V-Power“ und „Ultimate“ an der Zapfsäule erhältlich. Methanol wird in Erdölleitungen als Frostschutzmittel eingesetzt.

( Quelle: www.topsprit.de )