Das Kraftwerk, welches unsere Rennmofa antreibt, ist ein Verbrennungsmotor. Oft wird von Explosionsmotoren gesprochen, aber das ist falsch. Im Gegensatz zu einer Explosion geht von der folgend beschriebenen Verbrennung keine mechanische Zerstörung sondern nur eine kontrollierte Wärmeausdehnung aus. Das ist der Grund, warum der Zweitaktmotor zur Gruppe der Wärmekraftmaschinen gehört. Die im Kraftstoff enthaltene Energie, im allgemeinen Benzin, wird durch eine kontrollierte Verbrennung in Wärme umgewandelt. Diese Wärme erzeugt einen Druck, der unter Zuhilfenahme von mechanischen Übertragungsgliedern des Motors in eine Drehbewegung übertragen wird. Diese Drehbewegung wird bei einem Zweirad bis zum Hinterrad übertragen und setzt so das Fahrzeug in Bewegung.
Bild1: Fahrende Mofa
Um die Funktion einer Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegungsenergie mit Hilfe eines Zweitaktmotors zu verstehen, muss man zunächst die Bauteile eines solchen Motors kennen. In dem aus einem Spezial-Grauguss oder Aluminiumguss bestehenden Zylinder bewegt sich mit geringem Spiel ein aus einer Aluminiumlegierung geschmiedeter Kolben oszillierend von einen Endpunkt zum anderen. Diese Endpunkte werden OT Oberer Totpunkt und UT Unterer Totpunkt genannt. Die Wegstrecke zwischen den Totpunkten ist der Hub und wird in Millimeter gemessen. Der Durchmesser des Zylinders nennt sich Bohrung und wird auch in Millimeter angegeben. Das Volumen zwischen den Totpunkten nennt sich Hubraum und wird im allgemeinen in Kubikzentimeter angegeben und oft mit der englischen Bezeichnung "ccm cubic centimetre" abgekürzt. Bei Motoren von mehr als 1000 ccm wird der Hubraum in Liter angegeben. Der Hubraum errechnet sich mit der einfachen Rechenformel V1 = h x p x (d² / 4)
V1 = Volumen bzw. Hubraum
h = Hub
d = Durchmesser bzw. Bohrung
p = Pi bzw. 3,1415...
Bild2: Zylinder Schnittdarstellung
Der Kolben legt im Zylinder zwischen OT und UT den Weg des Hubs (h) zurück. (V2) bezeichnet den verbleibenden Brennraum bzw. den Verdichtungsraum über dem im OT befindlichen Kolben, auf den das (V1) Zylinderinhalt füllende Gas bei der Verdichtung komprimiert wird.
Bild3: Schematische Darstellung der Einzelteile eines Einzylinders 2-Taktmotors
Legende:Da der Zweitaktmotor ohne Ventile und ohne weitere mechanische Steuerungsorgane arbeitet, werden die kompletten vier Arbeitsspiele in einer Kurbelwellenumdrehung abgewickelt. Ein Viertaktmotor, der voraussichtlich auf unserer Webseite nicht behandelt wird, benötigt für alle vier Arbeitsspiele zwei Umdrehungen. Die vier Arbeitsspiele stellen sich, wie folgt dar:
Bild4: Arbeitsablauf des Zweitaktmotors
Bei dem Zweitaktmotor werden immer zwei Arbeitsspiele gleichzeitig ausgeführt, weil die genannten vier Arbeitsspiele sich zum Teil über und unter dem Kolben abspielen, und weil sie sich zeitlich stark überschneiden. Beim Viertaktmotor spielt sich alles über dem Kolben ab. Die Steuerung des Gaswechsels übernimmt der Kolben, der zusätzlich die Funktion eines Steuerschiebers hat. Bei seinem Auf- und Aboszillieren legt er im Zylinder Schlitze (Steueröffnungen) frei, durch die das Frischgas ein bzw. das Abgas austreten kann. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens entsteht unter dem Kolben ein Unterdruck, der nach Öffnung des Einlasskanals das Luft/Benzingemisch in das Kurbelgehäuse hineinsaugt. Oberhalb des Kolbens, nach Verschliessen des Auslasskanals, wird gleichzeitig komprimiert. Kurz vor dem OT angekommen wird mit Hilfe der elektrischen Zündkerze das komprimierte Luft/Kraftstoffgemisch gezündet und verbrannt. Daraufhin folgt durch die Wärmeausdehnung bei der Verbrennung ein Druck auf den Kolben und bewegt diesen hinunter. Bei der Abwärtsbewegung öffnet sich der Auslasskanal und das heisse Abgas entweicht. Gleichzeitig verschliesst sich der Einlasskanal und das vorher angesaugte Luft/Benzingemisch wird einen kurzen Moment geringfügig komprimiert (vorverdichtet). Nach Öffnung der Überströmkanäle, oberhalb des Kolbens, kann das vorverdichtete Luft- Benzingemisch durch die Überströmkanäle in den Brennraum gelangen. Im UT angekommen bewegt sich der Kolben mit Hilfe der gespeicherten Energie aus der Kurbelwellenwange wieder nach oben und der gesamte Vorgang wiederholt sich.
Bild5: Animierte Darstellung des Zweitaktmotors
Der Kraftstoff , mit dem der Zweitaktmotor (auch einige andere Verbrennungsmotoren) zum Leben erweckt wird, muss zu einem optimal brennbaren Gemisch aufbereitet werden. Eine Verbrennung, wie wir sie uns in einem Motor vorstellen ist eine Oxidation, die nur mit Sauerstoff erreicht wird. Sauerstoff ist bekanntlich in unserer Luft enthalten. Folglich muss ein optimales Luft/Benzingemisch erreicht werden. Ein Motor soll natürlich auch mit verschiedenen Drehgeschwindigkeiten und Drehmomenten betrieben werden. Daraus ergibt sich, dass die angesaugten Brenngasmengen verschieden sind und auch dabei muss das Luft/Benzingemisch korrekt sein. Die Mengen sind je nach Motorkonstruktion und Arbeitsweise des Motors in etwa ein Gewichtsteil Benzin und 13-15 Gewichtsteile Luft. In Volumen ausgedrückt würden auf etwa einen Liter Benzin 10.000 Liter Luft kommen. Zusätzlich hat der Vergaser noch die Aufgabe das Benzin zu zerstäuben (einen Kraftstoff/Luftnebel bilden) und damit zum Teil zu vergasen. Das endgültige Vergasen und optimale Vermischen mit der Luft erfolgt direkt nach dem Vergaser im Ansaugstutzen auf dem Weg zum Zylinder. Beim Viertaktmotor ist nur der Ansaugstutzen für das optimale Vermischen zuständig. Beim Zweitaktmotor hat das Gemisch noch im Kurbelgehäuse und in den Überströmkanälen Zeit sich optimal zu vermischen. Der im Kurbelgehäuse entstehende Unterdruck erzeugt eine Saugwirkung am Vergaser. Der Vergaser besteht aus einem Saugrohr, der die Verlängerung des Ansaugstutzens vom Zylinder bildet. Wenn man den Querschnitt im Saugrohr verjüngt, muss bei gleicher Saugwirkung die Luftgeschwindigkeit steigen. Verjüngt sich der Querschnitt zu stark, wird der Zylinder nicht ausreichend versorgt und die Motorleistung sinkt. Somit lässt sich die Leistung des Motors gut regeln, wenn man manuell den Querschnitt verändert. Setzt man seitlich am Saugrohr eine kleine Bohrung und schliesst daran eine Benzinleitung an, so wird ausser der Luft auch noch Benzin angesaugt. Dieser Bereich im Vergaser nennt sich Mischkammer. Mit dem Verhältnis zwischen dem Querschnitt des Saugrohrs und der seitlichen Bohrung, wo der Kraftstoff ansteht, lässt sich das Luft- Kraftstoffverhältnis bestimmen. Eine sehr exakte Bohrung wird mit Hilfe einer Nadeldüse oder mit einer austauschbaren Düse bestimmt. Theoretisch ist somit ein primitiver Vergaser beschrieben. Um ein optimales Laufen des Motors zu erreichen gibt es noch eine Menge weiterer baulicher Tricks im Vergaser, auf die wir nicht komplett weiter eingehen wollen. Die Schwimmerkammer mit dem dazugehörigem Schwimmer und dem Nadelventil im Vergaser hält einen gleichbleibenden Kraftstoffvorrat an der Hauptdüse vor. Das ist nötig, damit der Kraftstoff nicht selbsttätig durch die Hauptdüse in den Motor läuft sondern von der Saugleistung des Motors abgesaugt wird.
Bild6: Vergaser Mischkammer
Weitere Bauteile im Vergaser, wie die Leerlauf- Luftstellschraube, Teillast- Nadeldüse und die dazugehörige Düsennadel sowie die Kaltstarteinrichtung werden wir hier nicht weiter beschreiben, weil unsere Präsentation nicht in einer wissenschaftlichen Ausarbeitung enden soll.
Kleinmotore, wie sie in Mofas eingesetzt werden, gibt es mit einer elektronischen Zündung oder mit einer Kontakt gesteuerten Schwungradmagnetzündung, welche folgend kurz beschrieben wird.
Die Erzeugung der für den Funkenübergang an der Zündkerze erforderlichen Spannung (die einige 1000 Volt betragen muss) erfolgt unter Ausnutzung der Magnetinduktion. Die magnetischen Feldlinien von Permanentmagneten induzieren eine elektrische Spannung, wenn sie einen elektrischen Leiter durchschneiden. Beim Schwungradmagnetzünder werden mehrere Permanentmagnete in der auf das Kurbelwellenende aufgesetzten Schwungscheibe angebracht, so dass sie sich mit der Kurbelwelle drehen. Die ausserdem benötigte Spule dagegen ordnet man auf einer mit dem Motorgehäuse verschraubten Grundplatte an. Um günstige Verhältnisse für den Fluss der Kraftlinien durch die Spulenwindungen und dadurch eine verstärkte induktive Wirkung zu bekommen, ist die aus isoliertem Draht bestehende Spule um einen Weicheisenkern (Anker) gewickelt. Die Spule passt sich in ihrer Form den in der Schwungscheibe sitzenden Magnet- und Polschuhen an. Man kann aber mit der eben erwähnten Spule nicht die hohe Spannung erzeugen, die man zum Funkenübergang an der Zündkerzenelektrode braucht. Man unterteilt deshalb den Induktionsvorgang nochmals in folgender Weise:
In der bisher erwähnten Spule, die nur aus wenigen Lagen eines relativ dicken isolierten Drahtes mit verhältnismässig wenig Windungen besteht, induziert man zunächst einen Strom geringerer Spannung, den "Primärstrom". Die beiden Enden des Primärstromkreises sind an Masse gelegt und somit kurz geschlossen. Ein Ende wird allerdings über einen Unterbrecherkontakt geschaltet, der über Federdruck geschlossen gehalten wird. Dieser Kontakt wird mittels eines Nockens auf der Kurbelwelle geschaltet.
Um die Primärwicklung herum befindet sich eine zweite Wicklung aus relativ dünnem isoliertem Draht und vielen Windungen "die Sekundärwicklung". Das eine Ende der Wicklung liegt an der Primärwicklung angeschlossen wiederum an Masse und das andere Ende sehr gut isoliert aus der Zündanlage heraus, an dem sich der Zündkerzenstecker befindet. Dieser Zündkerzenstecker sitzt auf der Zündkerze und ist mit der Mittelelektrode elektrisch verbunden. Ein genau eingestellter Luftspalt, über dem der elektrische Funken zünden soll, gelangt an die Masseelektrode und schliesst somit den Stromkreis.
Die Erzeugung der Hochspannung in der Sekundärwicklung erfolgt wiederum durch Induktion. Wenn durch Drehung der magnetbestückten Schwungscheibe in der Primärwicklung bei geschlossenen Unterbrecherkontakten ein niedergespannter Strom induziert wird, so wird die stromdurchflossene Primärspule zum Elektromagneten. Dessen Kraftlinien verstärken die Wirkung des vom Permanentmagneten erzeugten Kraftfeldes, und in dem so verstärkten magnetischen Kraftfeld (Permanentmagnet plus Elektromagnet) liegt die Sekundärspule. Wird nun durch den Unterbrechernocken der Primärstrom unterbrochen, so kommt es zum Zusammenbrechen des Kraftfeldes, das der Stromfluss in der Primärspule aufgebaut hatte. Gleichzeitig ist durch gegenseitige Anordnung der Magnetpolschuhe in der Schwungscheibe dafür gesorgt, dass der Kraftlinienfluss durch das Ankereisen in die Gegenrichtung umspringt. Bei diesem Flusswechsel ändert sich auch das vom Permanentmagnet um das Ankereisen aufgebaute Kraftfeld; die beiden geschilderten Vorgänge zusammen bewirken eine sehr starke Induktion in den Windungen der Sekundärwicklung. Sie erzeugen nun tatsächlich die erforderliche hohe Spannung, die zum Funkenübergang an den Zündkerzenelektroden erforderlich ist.
Daraus geht hervor: Die Unterbrecherkontakte müssen genau in dem Augenblick getrennt werden, in dem an der Zündkerze der Zündfunke überspringen soll, also im Zündzeitpunkt.
Ein wichtiges Bauteil, der Kondensator, ist dem Unterbrecherkontakt parallel geschaltet. Seine Aufgabe ist es beim Öffnen der Unterbrecherkontakte einen Öffnungsfunken zu verschlucken. Dieser Funke würde die Kontaktoberfläche verbrennen und durch Induktionsverzögerung die schlagartige Unterbrechung schwächen.
Bild7: Schema eines Schwungradzünders
Zk = Zündkerze
S = Schwungscheibe
P = Polschuhe der Permanentmagneten in der Schwungscheibe
Pr. = Primärspule
Sek. = Sekundärspule
AE = Ankereisenmit den Wicklungen der primär und Sekundärspule, deren freies Ende zur Zündkerze führt
H = Hammer (bewegliches Teil des Unterbrechers)
A = Amboß (feststehendes Teil des Unterbrechers auf der Grundplatte)
N = Nocken, der im Zündzeitpunkt der Unterbrecher öffnet
K = Kondensator, der dem Unterbrecher parallel geschaltet ist der den Unterbrecherfunken löscht
Die Zündkerze ist sozusagen das bekannteste Kernstück einer Zündanlage. Sie besteht aus einem Einschraubgewinde (meistens 14mm Æ) und einem Schlüsselsechskant von 21 mm SW, einem Kerzenkörper aus hochwertigem Isoliermaterial und einer Mittelelektrode
Die Mittelelektrode ist oben mit einem kleinen Gewinde herausgeführt, wo die Zündleitung angeschlossen wird. Der Isolierkörper samt Mittelelektrode ist unter Zwischenschaltung von Dichtringen durch Bördelung druckdicht in den Kerzenkörper eingesetzt.
Die auf dem Kerzenkörper eingeschlagene Buchstaben- Zahlenkombination bezeichnet den Kerzentyp und im besonderen den Wärmewert der Kerze der maßgeblich durch die Form des Atmungsraumes (Kerzeninneres zwischen Isolatorfuß und Gewindeteil) bestimmt wird.
Je höher der Wärmewert einer Kerze ist, desto kleiner ist dieser Atmungsraum - desto mehr Wärme kann sie vertragen, ohne zum glühen zu kommen. Allerdings neigt ein höherer Wärmewert auch zum verölen der Zündkerze. Ein zu niedriger Wärmewert lässt die Zündkerze unzulässig heiß werden, wodurch die Elektroden schmelzen oder im schlimmsten Fall ein Loch in den Kolben brennt. Ein Motorschaden ist dann das Resultat. Ein optimaler Wärmewert der Zündkerze ist, wenn sich die Zündkerze ausreichend erwärmt, so dass eine Selbstreinigung an den Elektroden eintritt. Der optimale Wärmewert zeigt sich an der rehbraunen Verfärbung der Zündkerze am Isolatorfuß. Das schließt auf eine Zündkerzentemperatur zwischen 550 und 850°C.
Eine verschlissene Zündkerze erkennt man daran, dass die Kanten der Mittelelektrode abgerundet sind.
Damit an den Elektroden der Zündkerze ein Funkenübergang stattfinden kann, ist eine sehr hohe Spannung erforderlich. Wesentlich höher, als zum Überspringen des vorgeschriebenen Luftspalts von 0,4 - 0,5 mm in freier Atmosphäre notwendig währe. Denn da der Funkenübergang durch die verdichtete Gasladung im Zylinder erfolgen muss, ergibt sich für den Funken ein zusätzlicher Widerstand, der etwa der zehnfachen Länge der Funkenstrecke in der freien Atmosphäre entspricht.
Bild8: Zwei verschiedene Zündkerzen im Schnitt
Links Kerze mit großem Atmungsraum rings um den Isolatorfuß - ölfest aber niedriger Wärmewert (verträgt nicht viel Hitze, kommt bald zum Glühen)
Rechts Kerze mit höherem Wärmewert dank kleinem Atmungsraum - verölt aber leichter.
Umschlüsselungstabelle von verschiedenen Zündkerzenherstellern
| heiß <= => kalt | ||||
|---|---|---|---|---|
| Bosch alt | W 175 T1 | W 255 TI | W 240 T1 | W 260 T1 |
| Bosch neu | W7A | W5A | W4A2 | W3AC |
| Beru alt | 175/14 | 225/14 | 240/14 | 260/14 |
| Beru neu | 14-7A | 14-7A | 14-5A | 14-4A1 |
| Champion | L85 v H88 | L85 v H88 | L81 | L4G |
| NGK | B6HS | B7HS | B7HS | B8 |
Das Ausströmen der verbrannten Abgase mit Hilfe einer Auspuffanlage ist beim Zweitaktmotor sehr wichtig. Die Auspuffanlage hat beim Zweitakter, viel entscheidender noch als beim Viertaktmotor, nicht nur die Aufgabe, das Auspuffgeräusch zu reduzieren, sondern eine weitere Funktion ist das Zusammenspiel des Gaswechsels im Zylinder. Mit Hilfe der Abgasanlage wird erreicht, dass der Motor die bestmögliche Füllung erhält und somit seine beste Leistung abgibt. Zwar steigt diese Leistung, wenn auf die Geräuschvorschriften keine Rücksicht genommen werden muss (bei Rennmotoren also) - aber es geht nicht etwa an, dass man den Auspuff durch ein glattes Rohr ins Freie gehen lässt, in dem falschen Glauben, damit erreiche er seine höchste Leistung. Es ist vielmehr so, dass bei Rennmotoren die Auspuffanlage eine ganz bestimmt Formgebung erhalten muss, damit die Strömungsenergie, die der den Motor durchlaufenden Gassäule innewohnt, zur Füllung des Zylinders mit ausgenutzt werden kann. Die folgende Animation zeigt schematisch, wie raffiniert beim modernen Zweitakter die Gasdynamik zur Leistungssteigerung ausgenutzt wird. Wenn beim Niedergehen des Kolbens durch dessen Oberkante der Auslassschlitz freigelegt wird, steht das verbrennende Gas noch unter beträchtlichem Druck. Infolge dessen strömt die Altgassäule als Druckwelle durch das Auslasssystem gegen das Ende der Expansionskammer und gegen ein Prallblech. Während die Druckwelle sich zum Kammerende bewegt, bildet sich zwischen ihr und dem Auslassschlitz des Zylinders eine Unterdruckzone, die das Einströmen des Frischgases durch die gleichzeitig geöffneten Überströmschlitze unterstützt. Dabei wird nun eine bestimmte Gasmenge, nachdem der Zylinder schon weitgehend gefüllt ist, in den Anfang der Auspuffanlage mit hinausgerissen. Noch ehe dann der inzwischen wieder hochgehende Kolben, der den unteren Totpunkt überschritten und schon die Überströmschlitze verschlossen hat, auch den Auslassschlitz absperrt, kommt eine Druckwelle vom Prallblech in der Auspuffanlage zurück und presst die in den Auspuffkrümmer (den Anfangsteil der Auspuffanlage) gelangte Frischgasmenge in den Zylinder zurück. Auf diese Weise wird die Füllung des Zylinders und damit die Leistungsausbeute des Motors erhöht. Voraussetzung dafür ist natürlich eine ganz genaue Abstimmung des Motors und seiner Auspuffanlage aufeinander und eine entsprechende Ausführung der Auspuffanlage.
Bild 9: Schwingende Gassäule
Bild #9 haben wir im Internet gefunden und wissen leider nicht mehr wo. Der Eigentümer der Urheberrechte wird daher gebeten sich bei uns zu melden, damit wir entsprechend um Erlaubnis bitten dürfen und/oder den Author dieses genialen GIF's wenigstens erwähnen dürfen. DANKE!
