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  • Modellmotoren beim „Friseur“

    Modellmotoren beim „Friseur“ - Teil 1/3

    Bernhard Krause




    Unter „frisieren“, oder neudeutsch „Tuning“, versteht man bei Verbrennungsmotoren das Anpassen an einen bestimmten Einsatzzweck. Meist ist es der Wunsch nach mehr Leistung. Ein Ziel kann aber auch sein, die Laufruhe zu verbessern, den Motor an einen Betrieb bei besonders niedrigen Drehzahlen anzupassen oder das Drosselverhalten zu verbessern.
    In zwei Teilen stellt unser Fachbuchautor Bernhard Krause seine Methode vor.


    In dieser Artikelserie möchte ich zeigen, was zu tun ist, um die Leistung eines Zweitakt-Modellmotors zu erhöhen. Dabei habe ich mir das Ziel gesetzt, den Motor so anzupassen, dass er mit bestimmten Luftschrauben eine möglichst hohe Leistung erreicht. Eins ist vorab unbedingt zu beachten: Nur ein guter Motor kann erfolgreich frisiert werden, ein schlechter oder ein bereits verschlissener Motor wird durch das Frisieren auch nicht besser. Der Motor, den ich dafür ausgewählt habe, ist der Rossi R. 45 aus dem Motortest in Modell 7/2004.

    Nun werden einige Leser sagen: „Der Krause ist verrückt! Der Rossi ist ein anerkannter Rennmotor, der kann nicht verbessert werden“. Weit gefehlt, jeder Motor hat irgendwelche technologisch und konstruktiv bedingte Stellen, an denen er verbessert werden kann. Diese Aussage kann ich aufgrund meiner 42 Jahre Modellsporterfahrung, in denen ich mich ausschließlich mit Leistungsmotoren befasst habe und immer noch befasse, mit ruhigem Gewissen tätigen. Da der Rossi R. 45 seit dem Test werkseitig mit einer geänderten Laufbuchse ausgeliefert wird, die aufgrund anderer Steuerzeiten besser auf den Resonanzauspuff reagiert, habe ich diese nachträglich eingebaut. In diesem Zusammenhang bedanke ich mich beim Rossi-Generalvertreter, Roland Dieterle, für seine Unterstützung.

    Folgende Ziele habe ich mir für das Frisieren gesetzt: Der Motor soll eine möglichst hohe Leistung ohne Berücksichtigung der Drehzahl mit einem Propeller Graupner Super Nylon 12 x 6" erreichen. Dieses Ziel soll zunächst mit drei Maßnahmen mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad erreicht werden. Dadurch kann sich jeder Leser entsprechend seiner Werkstattausrüstung und handwerklichen Fähigkeiten die Methoden auswählen. In einer 4. Stufe werde ich den Motor auf Höchstleistung mit einem Propeller APC 8 x 8" tunen, wie er bei den immer beliebter werdenden kleinen Speedmodellen benötigt wird.
    Dabei will ich versuchen, mit diesem Propeller möglichst nahe an die magische Grenze um 20 000 min–1 zu kommen.


    1. Stufe: Analyse des Motors, Einlaufen und Anpassarbeiten

    Um einen Motor erfolgreich frisieren zu können, ist es erforderlich, seine Steuerzeiten zu kennen. Wie können diese ermittelt werden?


    Winkelmessscheibe und Zeiger sind am Motor montiert


    Methode 1

    Eine 360°-Winkelmessscheibe aus dem Schreibwarengeschäft erhält in der Mitte eine Bohrung, die der Propelleraufnahme des Motors entspricht. Sie wird anstatt des Propellers auf den Motor geschraubt. An den Motorflansch wird ein Blechstreifen so montiert, dass er ein Ablesen der Winkelskala ermöglicht. Der Zylinderkopf des Motors wird entfernt und die Laufbuchse gegen Herausschieben aus dem Gehäuse gesichert. Nun stellt man den Kolben auf den unteren Totpunkt (UT), die Winkelmessscheibe wird auf 0° an der Kurbelwelle fixiert. Die Kurbelwelle ist danach so weit zu drehen, bis die Überströmkanäle vom Kolben gerade so abgedeckt werden. Den Winkel ablesen und mit Faktor 2 multiplizieren. Das ist die Einlasssteuerzeit, sie kann zwischen 118° und 136° liegen. Dann das Gleiche mit dem Auspuffschlitz wiederholen, wobei hier Werte zwischen 140° und 170° gemessen werden können.



    Methode 2

    Wir messen bei abgenommenem Zylinderkopf mit dem Tiefenmaß der Schieblehre unter Drehen der Kurbelwelle aus, wie hoch Auspuffschlitz und Einlassschlitze sind. Der Motor wird demontiert und das Stichmaß des Pleuels – also das Maß von Bohrungsmitte zu Bohrungsmitte – mit dem Messschieber ermittelt. Nun benötigen wir noch den Kolbenhub des Motors. Den kann man ebenfalls nachmessen oder im Motor-Datenblatt nachlesen. Dann wird eine einfache maßstäbliche Skizze des Kurbeltriebs angefertigt. Mit dieser Skizze ist es später in der 3. Frisierstufe auch leicht möglich, die erforderliche neue Höhe des Auspuffschlitzes festzulegen, weshalb ich diese Methode bevorzuge. So gemessen, habe ich für den Rossi einen Einlasswinkel αE von 125° und einen Auslasswinkel αA von 152° ermittelt.

    Ist der Motor wieder montiert, kann es mit dem richtigen Einlaufen losgehen. Bei meinem Rossi habe ich vor dem Einlaufen die Leistung gemessen, um den Erfolg der ersten Maßnahmen dokumentieren zu können. Dabei habe ich – wie es ein unbedarfter Modellflug-Anfänger machen würde – den Resonanzschalldämpfer ca. 20 mm über das Krümmerende geschoben und mit dem zum Motor gehörenden Silikon-Formstück verbunden. Dabei ergab sich eine Abstimmlänge von 380 mm. Das Ergebnis ist aus der Drehmomentkurve und der Leistungskurve unter „Urzustand, nicht eingelaufen“ abzulesen.

    Mit dem für uns wichtigen Propeller Super Nylon 12 x 6" schaffte der Motor dabei 0,536 kW bei 9700 min–1. Zum Einlaufen habe ich den Motor auf meinem Einlaufbock mit einem Kraftstoff aus 84% Methanol und 16% Öl der Sorte Aerosynth mit Zugabe von 0,5% Rizinusöl etwa eine Stunde betrieben. Diese Mischung wird vom Hersteller des Öls, der Firma Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH, auf seiner Homepage www.aerosynth.de als Einlaufsprit empfohlen. Ich verwendete dabei erst einen Graupner-Propeller 12 x 5", danach einen 10 x 7" und zum Schluss einen 8 x 8". Wichtig ist, dass der Vergaser anfangs fett und dann stufenweise nach jeweils etwa 5 Minuten Laufzeit immer magerer eingestellt wird, bis der Motor dann nach etwa 20 Minuten mit dem jeweiligen Propeller auf Maximalleistung läuft. Von der Benutzung des Drosselvergasers zur Drehzahlreduzierung beim Einlaufen halte ich nichts, da das Gemisch dabei unkontrolliert verändert wird.

    Ein sauberes, nach Möglichkeit weißes Tuch, vor den Auspuff gehalten, zeigt an, ob der Motor noch schwarzen Abrieb auswirft. Bleibt das Tuch sauber, so ist der Einlaufvorgang mit diesem Propeller beendet und der nächstkleinere kann verwendet werden. Für diejenigen, die keine kleineren Propeller verwenden möchten, ist der Einlaufvorgang jetzt abgeschlossen. Da ich aber das gesamte Drehzahlband benötigte, musste ich auch mit den beiden kleineren Propellern den Einlaufvorgang fortsetzen.

    Wird zum Einlaufen nicht ein spezielles Einlauföl, wie ich es beschrieben habe, oder Kraftstoff mit Rizinusöl als Schmierstoff verwendet, so verlängert sich der Einlaufvorgang durch die extrem gute Schmierfähigkeit moderner Synthetiköle so stark, dass von einem Einlaufvorgang kaum mehr gesprochen werden kann.

    Die Verdichtung des Motors mit dem werksseitigen Verdichtungsverhältnis von 11,7:1 erschien mir nicht hoch genug. Ich habe daher nach dem Einlaufen noch die 0,1 mm starke Kupferscheibe unter dem Zylinderkopf entfernt, wodurch das Verdichtungsverhältnis auf 12,3:1 angehoben wurde. Die Drehzahl mit dem 12 x 6"-Prop betrug dann 11 300 min–1, was einer Leistung von 0,878 kW entspricht. Danach habe ich durch eine Kontrollrechnung die erforderliche Resonanzlänge für die erreichte Drehzahl nach folgender Formel ermittelt:



    Einzusetzen sind folgende Werte:

    αE = Öffnungswinkel der Überströmkanäle in Grad, wie vorher ermittelt
    αA = Öffnungswinkel des Auspuffkanals in Grad, wie vorher ermittelt
    v = Schallgeschwindigkeit des Auspuffgases
    n = Drehzahl des Motors in min–1

    Die Ableitung dieser Formel kann in meinem Buch „Modellmotorentechnik“, erschienen im Neckar-Verlag, auf den Seiten 138 und 139 nachgelesen werden. Bis auf den Wert v, der für die Schallgeschwindigkeit im Auspuff steht, sind alle Werte fest. Für die Schallgeschwindigkeit kann ich aufgrund meiner Erfahrungen folgende Anhaltspunkte geben:
    • Auspuff gut gekühlt, außen am Modell, Drehzahl unter 13 000 min–1 = 390 bis 410 m/s
    • Auspuff gut gekühlt, außen am Modell, Drehzahl von 13 000 min–1 bis 18 000 min–1 = 410 bis 430 m/s
    • Auspuff verkleidet oder im Rumpf, Drehzahl unter 13 000 min–1 = 420 bis 450 m/s
    • Auspuff verkleidet oder im Rumpf, Drehzahl von 13 000 min–1 bis 18 000 min–1 = 450 bis 480 m/s
    • Rennmotoren mit Drehzahlen über 20 000 min–1, je nach Auspuffeinbau 500 bis 600 m/s

    In unserem Fall ergab die Kontrollrechnung eine Länge L von 408,4 mm. Sie basierte auf einer angenommenen Schallgeschwindigkeit von 400 m/s.

    Jetzt stellt sich natürlich noch die Frage, von wo man die Länge L nun misst? Die Länge L ist der Weg von der Kolbenvorderkante bis zum Reflektor des Resonanzauspuffs. Da aber unsere Auspuffanlagen meist einen eingebauten Schalldämpfer besitzen, muss die Lage des Reflektors erst ermittelt werden.

    Da es verschiedene Bauarten von Reflektoren gibt, hier ein paar Tipps: Mit einer Holzleiste, die von vorn in den Auspuff gesteckt wird, kann man relativ leicht erfühlen, ob zum Beispiel der Reflektor eine ebene Platte ist. Nun kann der Abstand von der Reflektorplatte über den Krümmer bis zum Kolben einfach ermittelt werden. Ist der Reflektor hingegen ein Konus oder hat Birnenform, lässt sich auch das mit einer Leiste erfühlen und ausmessen. In diesem Fall ist die geometrische Mitte des Konus oder der Birne unser Bezugspunkt.

    Um das besser veranschaulichen zu können, habe ich den Auspuff des Rossi R. 45 röntgen lassen. Das Röntgenbild zeigte, dass der Reflektor die Form einer Birne besitzt. In das Röntgenbild habe ich den Messpunkt für den Reflektor eingetragen.


    Röntgenbild des Rossi-Resonanzschalldämpfers mit Angabe des Reflektionspunkts

    Mehr Anpassarbeiten waren nicht notwendig und möglich, da in dieser Stufe keine Veränderungen am Motor vorgesehen waren. Trotz der relativ einfachen Maßnahmen dieser 1. Stufe des Tunings zeigt die Leistungskurve an der Spitze ein Leistungsplus von rund 2,2% bei einer gleichzeitigen Drehzahlverringerung von 2600 min–1. Mit dem Propeller Super Nylon 12 x 6" stieg die Leistung allerdings von 0,536 kW bei 9700 min–1 auf beachtliche 0,878 kW, bei 11 300 min–1, also um rund 61%!


    Urzustand, nicht eingelaufen


    2. Stufe: Nacharbeiten zur Beseitigung von Fertigungsungenauigkeiten

    Bei aller Perfektion moderner Fertigungsmaschinen gibt es immer irgendwelche Stellen im Motor und an dessen Bauteilen, die nicht genau zueinander passen. Ich meine dabei nicht die sich bewegenden Bauteile wie Kolben, Pleuel und Kurbelwelle. Es geht dabei mehr um die Passgenauigkeit zwischen Motorgehäuse und den Fenstern der Laufbuchse. Ebenfalls zwischen Motorgehäuse und dem Einlassschlitz der Kurbelwelle, wo sehr oft durch Gussversatz Ungenauigkeiten entstehen. Um diese verbesserungswürdigen Stellen zu finden, bedarf es einiger Erfahrung und Zeit zum Suchen. Bei unserem Rossi R. 45 war beim ersten Blick durch den Auspuffschlitz zu sehen, dass der 3. Überströmkanal durch Gussversatz nicht voll geöffnet wird. Beim zweiten Blick stellte sich heraus, dass auch der linke Überströmkanal nicht passt. Er war im Gehäuse zu niedrig.

    Bei der weiteren Suche war zu verzeichnen, dass der Steuerschlitz in der Kurbelwelle zum Teil in seiner Länge vom Gehäuse abgedeckt wurde. Mit einer Schleifspindel und Zahnarztfräsern wurde das Gehäuse an den entsprechenden Stellen nachgearbeitet, bis alles passte. Zum Schluss wurden noch der Auspuffadapter- und das Gehäuse im Auspuffbereich angeglichen, da auch dort eine Stufe zu egalisieren war.

    Während dieser „Freihand-Fräsarbeiten“, die neben einer ruhigen Hand auch handwerkliches Geschick verlangen, sollten unbedingt die Kugellager ausgebaut werden. Minimal sind die Lager durch Blechscheiben abzudecken, damit keine Späne in die Lager gelangen können. Ein Aluminiumspan im Kugellager würde die ganze Arbeit zunichte machen. In früheren Zeiten galt das Polieren der Strömungskanäle als das Nonplusultra der Motorenfrisiererei. Ich kann aus Erfahrung sagen, dass der Aufwand, gemessen am Nutzen, dafür zu groß ist.

    Ein Glätten der Überströmkanäle mit einer geeigneten Schlüsselfeile oder eine saubere, wellenfreie Bearbeitung mit dem Zahnarztfräser ist völlig ausreichend. Beim Polieren tritt ein nicht zu vernachlässigender Aspekt auf: Die innere Kühlfläche, also die Fläche, an der das Frischgas im Motor vorüber strömt, wird radikal verkleinert, und der Motor kann bei sehr hoher Beanspruchung thermisch instabil werden. Nach einer gründlichen Reinigung der Motorteile – ich nehme immer Bremsenreiniger-Spray – und einer Kontrolle der bearbeiteten Stellen auf einen Grat, der zu Verspannungen bei unachtsamer Montage führen kann, erfolgt die Montage des Motors. Vor der jetzt folgenden Leistungsmessung gönnte ich dem Motor nochmals eine fünfminütige Laufzeit.

    Die Leistungsmessung mit einer Resonanzlänge von 410 mm brachte gegenüber der Messung nach dem Einlaufen einen weiteren Leistungsgewinn. Wie aus den Diagrammen 1 und 2 zu ersehen ist, erreicht unser Propeller 12 x 6_jetzt 11 500 min–1. Das entspricht einer Drehzahlsteigerung gegenüber dem Zustand vor der Stufe 2 von 200 min–1, was einer Leistungssteigerung von knapp 5% entspricht – ein akzeptabler Erfolg.


    Im nächsten Monat kümmern wir uns dann um Stufe 3 und Stufe 4 des Frisierens. Im Einzelnen wären das die Veränderung der Konstruktion und schlussendlich der Umbau zum Rennmotor.

    © Neckar-Verlag GmbH

    Modellmotoren beim „Friseur“: Teil 2 - Teil 3
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