Hallo RC-Heli Community,
Hier ist ein recht http://www.rc-heli.de/board/showthre...t=61788&page=1
interessanter Beitrag über die Verbrennungsvorgänge im Modellmotor.
Da der Beitrag mittlerweile recht unübersichtlich geworden ist habe ich das wesentliche noch mal zusammengefasst, geordnet, ergänzt, mit Hinweisen auf weitere Quellen hinterlegt und falls nötig korrigiert.
Der Beitrag soll helfen die Verbrennungsvorgänge im Motor zu verstehen.
An dieser Stelle sind sicherlich nicht alle Einzelheiten erschöpfend abzuhandeln, dem Interessenten stehen jedoch Unmengen an Informationen im Internet und in der einschlägigen Fachliteratur zur Verfügung.
Die folgenden Ausführungen sind ziemlich theoretisch und decken sich nicht immer mit eigenen Erfahrungen aus der Praxis.
Bei den Ausführungen beziehe ich mich auf 2-TaktGlühzünder wie Sie im Modellhubschrauber eingesetzt werden.
Inwieweit sich die Ausführungen auf andere Motoren-Typen übertragen lassen, möchte jeder bitte für sich selbst klären.
1. Arbeitsweise unserer 2-Takt Motoren.
Die Funktion sollte jedem halbwegs bekannt sein, daher werde ich an dieser Stelle nicht auf das Grundprinzip eingehen.
Hier ist das Prinzip jedoch ganz gut erklärt: Zweitaktmotor Zweitakter
2. Kühlung
Machen wir uns noch mal ein paar Gedanken über die Kühlung unserer Motoren.
Warum müssen wir überhaupt kühlen?
Wir verbrennen (Verbrennung (Chemie)) in unseren Motoren einen Treibstoff, dabei entsteht Wärme.
Herr Krause nennt in seinem Buch einen Wirkungsgrad für unsere Motoren von ca. 18%.
D.H. von unserem Treibstoff werden nur 18% für die Antriebsleistung genutzt, die restlichen 82% werden (in der Hauptsache) zu Wärme umgewandelt.
Ja und? Wenn wir die Wärme nicht abführen schmilzt irgendwann das Material unseres Motors. Meistens bestehen unsere Motoren aus Aluminium (Aluminium) der Schmelzpunkt von reinem Alu beträgt 660°C der Schmelzpunkt der verwendeten Legierungen liegt etwas höher aber schon vorher verliert das Material seine konstruktive Festigkeit und mein Motor geht ex (Loch im Kolben, Kolbenklemmer …). Wir sollten darauf achten, dass wir (je nach Motorkonstruktion) eine Temperatur (gemessen außen am Zylinderkopf) von ca. 150-180°C möglichst nicht überschreiten. Optimal wäre eine Temperatur um die 100-110°C.
Beim Automotor kühlen wir meistens mit Wasser.
Der ein oder andere Porschefahrer kühlt mit Luft, wie auch unsere Kollegen mit den großen Benzin-2Takt-Motoren im Flächenflieger oder auch im Heli.
Unsere Methanolmotoren werden zu einem Teil von außen mit Luft gekühlt, zu einem großen Teil wird unser Motor aber durch die s.g. Innenkühlung vor dem Schmelzen bewahrt.
(Laut einem Schaubild auf Seite 11 im Buch „Modellmotorentechnik von Bernhard Krause“ aus dem Neckarverlag werden ca. 20-25% der Wärme durch die Zylinderkühlung der Rest durch innenkühlung über das Abgas)
Innenkühlung heißt: im heißen Motor wird unser Schmieröl und der Treibstoff auf ca. 220°C erwärmt, das warme ßl macht sich durch den Auspuff aus dem Staub und nimmt dabei eine Menge Wärme mit. Das als Treibstoff verwendete Methanol benötigt zum Verdunsten eine gewisse Energie, welche sie in Form von Wärme von den heißen Bauteilen unseres Motors abnimmt, was auch zur Kühlung beiträgt.
Unsere Kühlung ist sehr stark abhängig vom ßlgehalt unserer Spritmischung. Leider wirkt sich das ßl ungünstig auf die Verbrennungsvorgänge im Motor aus (wie sei mal dahingestellt).
Wir können also leider nicht unbegrenzt viel ßl in unseren Sprit mischen. Bei Spritmischungen ohne Zusatzstoffe (wie z.B. Nitromethan) sind ßlanteile von ca. 8-18% gängig.
Diese ßlmenge ist aber nicht immer ausreichend um die nötige Innenkühlung sicherzustellen, daher müssen wir etwas mehr Methanol einspritzen als wir eigentlich zu Verbrennung benötigen.
Dieses ßberschuss-Methanol unterstützt das ßl beim Abtransportieren der Wärme (siehe oben).
Fazit: mehr ßl oder mehr Methanol-ßberschuss (im Verhältnis zur angesaugten Luft) gleich kühlerer Motor.
Das kann sicher jeder auch in der Praxis nachvollziehen.
3. Lamdawert
Wie wir oben gesehen haben, haben wir im Brennraum mehr Methanol als wir mit der zur Verfügung stehenden Ansaugluft verbrennen können.
D.H. unser Methanoler läuft in einem Bereich von Lambda kleiner 1.
Der Lambdawert setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen Luftmasse für eine vollständige Verbrennung.
Lambda kleiner 1 bedeutet fettes Gemisch
Lambda größer 1 bedeutet mageres Gemisch
4. Leistung und Drehmoment
Für uns ist bei einem Motor (egal ob im Auto oder im Heli) immer nur die Leistung (meist in PS, korrekterweise aber in KW angegeben) interessant.
Der eine oder andere spricht auch schon mal vom Drehmoment.
Drehmoment und Leistung stehen in dem folgenden Zusammenhang:
P = M x 2PI x n
P = Leistung, M= Drehmoment, n = Drehzahl
Wenn ich also die Drehzahl bei gleichem Drehmoment erhöhe bekomme ich mehr Leistung.
Da die Leistung eine berechnete Größe ist, ist sie für die Verbrennungsvorgänge im Moment mal uninteressant. Interessant für uns ist momentan mal das Drehmoment.
Die Formel für das Drehmoment im Zweitakter lautet übrigens:
M= V x p /2PI
V= Hubvolumen, p ist der Mitteldruck (Mittelwert des Druckes im Zylinder während eines kompletten Durchlaufs)
Wer es genauer wissen will schaut mal bei Wikipedia (Drehmoment Verbrennungsmotor) vorbei.
Gehen wir jetzt noch mal einen Schritt zurück und betrachten mal einen einzelnen Arbeitstakt
unserer Zweitakter. Schauen wir uns mal einen Motor mit etwas zu fetter Vergasereinstellung an.
Der Kolben befindet sich kurz vorm oberen Totpunkt, das Kraftstoff/Luft-Gemisch wurde gerade an der Glühkerze entzündet, der entstehende Verbrennungsdruck treibt den Kolben nach unten. Da wir etwas zu fett eingestellt haben läuft unsere Verbrennung nicht optimal ab. Der Verbrennungsdruck ist nicht optimal und auch unser Zündzeitpunkt ist etwas zu spät (da der Motor etwas zu kühl läuft).
Wenn wir unseren Motor jetzt magerer drehen läuft unser Verbrennungsvorgang plötzlich besser ab, der Zündzeitpunkt stimmt u.s.w. Wir befinden uns aber immer noch in einem Bereich wo wir eigentlich viel zu viel Kraftstoff für die zur Verfügung stehende Luftmenge ansaugen. Wir benötigen diesen Kraftstoff ßberschuss aber für die Innenkühlung.
Wenn wir jetzt die Nadel noch weiter zudrehen läuft die Verbrennung jetzt eigentlich noch besser. Die Verbrennung erfolgt noch spontaner, der Mitteldruck steigt. Den jetzt zu frühen Zündzeitpunkt können wir mit einer kälteren Kerze korrigieren. Jetzt bekommen wir aber das Problem, das wir keine ausreichende Innenkühlung mehr haben. Der Motor stirbt.
Alle drei Vergasereinstellungen haben aber eins gemeinsam. Die Menge an verbranntem Methanol ist bei allen (in etwa) gleich. Wieso ?
Weil sich an der verfügbaren Menge an Verbrennungsluft nichts geändert hat. Mein 90er
Motor kann halt nicht mehr als max. 10ccm Luft pro Arbeitstakt ansaugen. (Lassen wir die Spülverluste, Resonanzeffekte und die Vorkomprimierung im Kurbelgehäuse mal außer Acht. Das wir für uns alle zu kompliziert)
Ein halbwegs gut eingestellter 2-Takt-Modell-Motor läuft immer bei einem Lambdawert von unter 1. Daher habe ich bei allen Einstellungen immer mehr Methanol zur Verfügung als ich mit der zur Verfügung stehenden Luft verbrennen kann.
Wenn ich extrem mager drehe bekomme ich sicherlich auch einen Lambdawert von über 1 hin, der Motor hält aber noch keine 10 sec.
Unsere Vergasereinstellung beim Heli ist immer ein Kompromiss aus max. Leistung und Innenkühlung.
5. Zündung
In unseren Motoren kommt keine Hochspannungszündung zum Einsatz, statt dessen verwenden wir eine Glühkerze mit einer permanent rot glühenden Drahtwendel.
Die Drahtwendel ist mit Platin-Iridium beschichtet (bedampft). Die Beschichtung wirkt als Katalysator. Dadurch wird die Entflammung des Kraftstoff-Luftgemisches sichergestellt. Zum Starten des Motors wird die Drahtwendel mit elektrischem Strom zum Glühen gebracht. Nach kurzer Betriebszeit kann die Stromversorgung abgeschaltet werden, da die Glühkerze nun durch die Verbrennungswärme weiterglüht.
Der Zündzeitpunkt (Zeitpunkt der Entflammung des Gemisches) wird bestimmt durch:
• Kraftstoff-Mischung. Dabei gilt, je mehr Nitromethan, desto früher der Zündzeitpunkt. Je mehr ßl, desto später der Zündzeitpunkt.
• Wärmewert der Glühkerze. Eine heiße Glühkerze bewirkt eine frühere Zündung, eine kalte eine entsprechend spätere Zündung.
• Verdichtung. Höhere Verdichtung führt zu früherer Zündung, geringere Verdichtung zu späterer Zündung.
Die von uns verwendeten Kraftstoffe haben folgende Zündeigenschaften:
Als erstes die Zündtemperatur. Methanol 455°C, Nitromethan 418°C
Wichtig für die Zündeigenschaften sind auch noch die Explosionsgrenzen, sie geben an in welchem Bereich eine Mischung aus Luft und dem jeweiligen Stoff zündfähig ist.
Methanol: untere Grenze 5,5 Vol% und obere 31 Vol%
Nitromethan: untere 7,3 Vol% und obere 63 Vol%.
An der Zündtemperatur lässt sich erkennen, warum man bei Nitromethan im Sprit tendenziell eine kältere Kerze benötigt.
Ein vergleich der oberen EX-Grenzen lässt uns erahnen wieso ein zu fett eingestellter Motor mit Nitrosprit besser läuft als ein Motor mit reinem Methanol bei gleich fetter Einstellung.
Durch die sehr weit auseinander liegenden EX-Grenzen von Nitromethan habe ich einen angenehmen Effekt bei der Vergasereinstellung meines Motors. Ein halber Klick an der Vergasernadel entscheidet nicht mehr zwischen zu fett und zu mager entscheidet.
Hier ist ein recht http://www.rc-heli.de/board/showthre...t=61788&page=1
interessanter Beitrag über die Verbrennungsvorgänge im Modellmotor.
Da der Beitrag mittlerweile recht unübersichtlich geworden ist habe ich das wesentliche noch mal zusammengefasst, geordnet, ergänzt, mit Hinweisen auf weitere Quellen hinterlegt und falls nötig korrigiert.
Der Beitrag soll helfen die Verbrennungsvorgänge im Motor zu verstehen.
An dieser Stelle sind sicherlich nicht alle Einzelheiten erschöpfend abzuhandeln, dem Interessenten stehen jedoch Unmengen an Informationen im Internet und in der einschlägigen Fachliteratur zur Verfügung.
Die folgenden Ausführungen sind ziemlich theoretisch und decken sich nicht immer mit eigenen Erfahrungen aus der Praxis.
Bei den Ausführungen beziehe ich mich auf 2-TaktGlühzünder wie Sie im Modellhubschrauber eingesetzt werden.
Inwieweit sich die Ausführungen auf andere Motoren-Typen übertragen lassen, möchte jeder bitte für sich selbst klären.
1. Arbeitsweise unserer 2-Takt Motoren.
Die Funktion sollte jedem halbwegs bekannt sein, daher werde ich an dieser Stelle nicht auf das Grundprinzip eingehen.
Hier ist das Prinzip jedoch ganz gut erklärt: Zweitaktmotor Zweitakter
2. Kühlung
Machen wir uns noch mal ein paar Gedanken über die Kühlung unserer Motoren.
Warum müssen wir überhaupt kühlen?
Wir verbrennen (Verbrennung (Chemie)) in unseren Motoren einen Treibstoff, dabei entsteht Wärme.
Herr Krause nennt in seinem Buch einen Wirkungsgrad für unsere Motoren von ca. 18%.
D.H. von unserem Treibstoff werden nur 18% für die Antriebsleistung genutzt, die restlichen 82% werden (in der Hauptsache) zu Wärme umgewandelt.
Ja und? Wenn wir die Wärme nicht abführen schmilzt irgendwann das Material unseres Motors. Meistens bestehen unsere Motoren aus Aluminium (Aluminium) der Schmelzpunkt von reinem Alu beträgt 660°C der Schmelzpunkt der verwendeten Legierungen liegt etwas höher aber schon vorher verliert das Material seine konstruktive Festigkeit und mein Motor geht ex (Loch im Kolben, Kolbenklemmer …). Wir sollten darauf achten, dass wir (je nach Motorkonstruktion) eine Temperatur (gemessen außen am Zylinderkopf) von ca. 150-180°C möglichst nicht überschreiten. Optimal wäre eine Temperatur um die 100-110°C.
Beim Automotor kühlen wir meistens mit Wasser.
Der ein oder andere Porschefahrer kühlt mit Luft, wie auch unsere Kollegen mit den großen Benzin-2Takt-Motoren im Flächenflieger oder auch im Heli.
Unsere Methanolmotoren werden zu einem Teil von außen mit Luft gekühlt, zu einem großen Teil wird unser Motor aber durch die s.g. Innenkühlung vor dem Schmelzen bewahrt.
(Laut einem Schaubild auf Seite 11 im Buch „Modellmotorentechnik von Bernhard Krause“ aus dem Neckarverlag werden ca. 20-25% der Wärme durch die Zylinderkühlung der Rest durch innenkühlung über das Abgas)
Innenkühlung heißt: im heißen Motor wird unser Schmieröl und der Treibstoff auf ca. 220°C erwärmt, das warme ßl macht sich durch den Auspuff aus dem Staub und nimmt dabei eine Menge Wärme mit. Das als Treibstoff verwendete Methanol benötigt zum Verdunsten eine gewisse Energie, welche sie in Form von Wärme von den heißen Bauteilen unseres Motors abnimmt, was auch zur Kühlung beiträgt.
Unsere Kühlung ist sehr stark abhängig vom ßlgehalt unserer Spritmischung. Leider wirkt sich das ßl ungünstig auf die Verbrennungsvorgänge im Motor aus (wie sei mal dahingestellt).
Wir können also leider nicht unbegrenzt viel ßl in unseren Sprit mischen. Bei Spritmischungen ohne Zusatzstoffe (wie z.B. Nitromethan) sind ßlanteile von ca. 8-18% gängig.
Diese ßlmenge ist aber nicht immer ausreichend um die nötige Innenkühlung sicherzustellen, daher müssen wir etwas mehr Methanol einspritzen als wir eigentlich zu Verbrennung benötigen.
Dieses ßberschuss-Methanol unterstützt das ßl beim Abtransportieren der Wärme (siehe oben).
Fazit: mehr ßl oder mehr Methanol-ßberschuss (im Verhältnis zur angesaugten Luft) gleich kühlerer Motor.
Das kann sicher jeder auch in der Praxis nachvollziehen.
3. Lamdawert
Wie wir oben gesehen haben, haben wir im Brennraum mehr Methanol als wir mit der zur Verfügung stehenden Ansaugluft verbrennen können.
D.H. unser Methanoler läuft in einem Bereich von Lambda kleiner 1.
Der Lambdawert setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen Luftmasse für eine vollständige Verbrennung.
Lambda kleiner 1 bedeutet fettes Gemisch
Lambda größer 1 bedeutet mageres Gemisch
4. Leistung und Drehmoment
Für uns ist bei einem Motor (egal ob im Auto oder im Heli) immer nur die Leistung (meist in PS, korrekterweise aber in KW angegeben) interessant.
Der eine oder andere spricht auch schon mal vom Drehmoment.
Drehmoment und Leistung stehen in dem folgenden Zusammenhang:
P = M x 2PI x n
P = Leistung, M= Drehmoment, n = Drehzahl
Wenn ich also die Drehzahl bei gleichem Drehmoment erhöhe bekomme ich mehr Leistung.
Da die Leistung eine berechnete Größe ist, ist sie für die Verbrennungsvorgänge im Moment mal uninteressant. Interessant für uns ist momentan mal das Drehmoment.
Die Formel für das Drehmoment im Zweitakter lautet übrigens:
M= V x p /2PI
V= Hubvolumen, p ist der Mitteldruck (Mittelwert des Druckes im Zylinder während eines kompletten Durchlaufs)
Wer es genauer wissen will schaut mal bei Wikipedia (Drehmoment Verbrennungsmotor) vorbei.
Gehen wir jetzt noch mal einen Schritt zurück und betrachten mal einen einzelnen Arbeitstakt
unserer Zweitakter. Schauen wir uns mal einen Motor mit etwas zu fetter Vergasereinstellung an.
Der Kolben befindet sich kurz vorm oberen Totpunkt, das Kraftstoff/Luft-Gemisch wurde gerade an der Glühkerze entzündet, der entstehende Verbrennungsdruck treibt den Kolben nach unten. Da wir etwas zu fett eingestellt haben läuft unsere Verbrennung nicht optimal ab. Der Verbrennungsdruck ist nicht optimal und auch unser Zündzeitpunkt ist etwas zu spät (da der Motor etwas zu kühl läuft).
Wenn wir unseren Motor jetzt magerer drehen läuft unser Verbrennungsvorgang plötzlich besser ab, der Zündzeitpunkt stimmt u.s.w. Wir befinden uns aber immer noch in einem Bereich wo wir eigentlich viel zu viel Kraftstoff für die zur Verfügung stehende Luftmenge ansaugen. Wir benötigen diesen Kraftstoff ßberschuss aber für die Innenkühlung.
Wenn wir jetzt die Nadel noch weiter zudrehen läuft die Verbrennung jetzt eigentlich noch besser. Die Verbrennung erfolgt noch spontaner, der Mitteldruck steigt. Den jetzt zu frühen Zündzeitpunkt können wir mit einer kälteren Kerze korrigieren. Jetzt bekommen wir aber das Problem, das wir keine ausreichende Innenkühlung mehr haben. Der Motor stirbt.
Alle drei Vergasereinstellungen haben aber eins gemeinsam. Die Menge an verbranntem Methanol ist bei allen (in etwa) gleich. Wieso ?
Weil sich an der verfügbaren Menge an Verbrennungsluft nichts geändert hat. Mein 90er
Motor kann halt nicht mehr als max. 10ccm Luft pro Arbeitstakt ansaugen. (Lassen wir die Spülverluste, Resonanzeffekte und die Vorkomprimierung im Kurbelgehäuse mal außer Acht. Das wir für uns alle zu kompliziert)
Ein halbwegs gut eingestellter 2-Takt-Modell-Motor läuft immer bei einem Lambdawert von unter 1. Daher habe ich bei allen Einstellungen immer mehr Methanol zur Verfügung als ich mit der zur Verfügung stehenden Luft verbrennen kann.
Wenn ich extrem mager drehe bekomme ich sicherlich auch einen Lambdawert von über 1 hin, der Motor hält aber noch keine 10 sec.
Unsere Vergasereinstellung beim Heli ist immer ein Kompromiss aus max. Leistung und Innenkühlung.
5. Zündung
In unseren Motoren kommt keine Hochspannungszündung zum Einsatz, statt dessen verwenden wir eine Glühkerze mit einer permanent rot glühenden Drahtwendel.
Die Drahtwendel ist mit Platin-Iridium beschichtet (bedampft). Die Beschichtung wirkt als Katalysator. Dadurch wird die Entflammung des Kraftstoff-Luftgemisches sichergestellt. Zum Starten des Motors wird die Drahtwendel mit elektrischem Strom zum Glühen gebracht. Nach kurzer Betriebszeit kann die Stromversorgung abgeschaltet werden, da die Glühkerze nun durch die Verbrennungswärme weiterglüht.
Der Zündzeitpunkt (Zeitpunkt der Entflammung des Gemisches) wird bestimmt durch:
• Kraftstoff-Mischung. Dabei gilt, je mehr Nitromethan, desto früher der Zündzeitpunkt. Je mehr ßl, desto später der Zündzeitpunkt.
• Wärmewert der Glühkerze. Eine heiße Glühkerze bewirkt eine frühere Zündung, eine kalte eine entsprechend spätere Zündung.
• Verdichtung. Höhere Verdichtung führt zu früherer Zündung, geringere Verdichtung zu späterer Zündung.
Die von uns verwendeten Kraftstoffe haben folgende Zündeigenschaften:
Als erstes die Zündtemperatur. Methanol 455°C, Nitromethan 418°C
Wichtig für die Zündeigenschaften sind auch noch die Explosionsgrenzen, sie geben an in welchem Bereich eine Mischung aus Luft und dem jeweiligen Stoff zündfähig ist.
Methanol: untere Grenze 5,5 Vol% und obere 31 Vol%
Nitromethan: untere 7,3 Vol% und obere 63 Vol%.
An der Zündtemperatur lässt sich erkennen, warum man bei Nitromethan im Sprit tendenziell eine kältere Kerze benötigt.
Ein vergleich der oberen EX-Grenzen lässt uns erahnen wieso ein zu fett eingestellter Motor mit Nitrosprit besser läuft als ein Motor mit reinem Methanol bei gleich fetter Einstellung.
Durch die sehr weit auseinander liegenden EX-Grenzen von Nitromethan habe ich einen angenehmen Effekt bei der Vergasereinstellung meines Motors. Ein halber Klick an der Vergasernadel entscheidet nicht mehr zwischen zu fett und zu mager entscheidet.
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