Baubericht „Miniatur-V12-Verbrennungsmotor“

DoppyP · 12. Februar 2021

Liebe Modellbauer,
hier möchte ich den Baubericht meines Forschungsprojekts, einen funktionstüchtigen Miniatur-V12-Verbrenner zu bauen, vorstellen.
Während ihr jetzt schon das Endprodukt jahrelanger Arbeit, Mühen, Tests, Höhen und Tiefen betrachten könnt, werde ich immer Stück für Stück das Projekt vom Ursprung bis zum jetzigen Endstand beschreiben. Gerne könnt ihr derweil eure Meinung, Anmerkungen etc. dazu posten. Ich möchte noch im Voraus anmerken, dass diesem Projekt der V12 von Herrn Martin Ohrndorf, welcher mich dankenswerterweise über die Jahre hin und wieder unterstützte, als Vorbild herangezogen wurde.
Der folgende Motor wurde im Rahmen meines Maschinenbaustudiums in Eigenregie konstruiert, ausgelegt, gefertigt, gebaut und mit einer Abschlussarbeit über die Tragfestigkeitsnachweise untermauert.
Ich hoffe, dass ihr beim Lesen des Threads genau so viel Freude habt, wie ich bei diesem Projekt, angefangen von der ersten Skizzenlinie bis zum ersten Atemzug des Motors, hatte bzw. jetzt beim Rückblick immer noch habe.

Eckart Müller · 12. Februar 2021

Anmerkung des Moderators.

Hallo Dominik,

wie ich sehe, ist dies Dein erstes Posting bei :rcn:

!
Deshalb: Ein ganz herzliches Willkommen im Forum von :rcn:

!

Ich bin sicher, Du wirst hier viel Spaß haben. Aber nicht nur das, sondern Du wirst auch schnell und ausführliche Hilfe erhalten, wenn Du mal die eine oder andere modellfliegertypische Frage hast. Möchtest Du dagegen mal abseits vom Modellbau über Gott und die Welt oder über andere, nebensächliche Dinge philosophieren, bietet sich das „Café Klatsch“ an!

Jetzt wiederhole ich mich also: Herzlich willkommen und viel Spaß im Forum von :rcn:

!

Noch eine kurze abschließende Bemerkung: Wenn mal etwas schief läuft, also ein anderer User sich beispielsweise daneben benimmt, ausfällig wird oder auf andere Art und Weise den Forenfrieden stört: Nicht einfach mit gleicher Münze heimzahlen! Besser "Melden" nutzen, das ist der Punkt unterhalb Deines Postings, und mich mit ein paar erklärenden Worten über die Situation informieren bzw. auf sie aufmerksam machen!

Gruß
Eckart Müller
Moderator
:rcn:

Experimentalhans · 19. Februar 2021

Hallo Dominik,
ein Wahnsinns-Gerät!
Zeig doch mal ein bisschen was von den Innereien.
Und, wenn Du hast, ein paar Leistungsangaben (Drehmomentkurve?).

Bei mir hat es damals nur zu einem V2 gereicht (mit Drehschieber-Steuerung).

DoppyP · 20. Februar 2021

Experimentalhans schrieb:
Hallo Dominik,
ein Wahnsinns-Gerät!
Zeig doch mal ein bisschen was von den Innereien.
Und, wenn Du hast, ein paar Leistungsangaben (Drehmomentkurve?).

Bei mir hat es damals nur zu einem V2 gereicht (mit Drehschieber-Steuerung).

Hallo, danke für das positive Feedback

in meinen folgenden Beiträgen werde ich nach und nach den Motor grob "nachbauen", vielleicht abundzu mal vorbei gucken

. Vom Innenleben sieht man dann auch schon was im heutigen Beitrag. Zur Leistung, diese konnte ich nur theoretisch ermitteln und bin aus den Berechnungs-Ansätzen so im Mittel auf 1kW gekommen.

DoppyP · 20. Februar 2021

"Kapitel 1 - Zum Entstehen des Hobbys und des Projektes"

Alles begann mit der Frage: "Gibt es eigentlich einen Miniatur-Sternmotor zu kaufen?"
Nach einer kurzen Recherche wurde ich sogleich auf einer Auktionsplattform fündig: Ein Zufallstreffer, der, wie sich im jetzigen Rückblick herausstellte, selten angeboten wurde und der wohl zu diesem Zeitpunkt hatte sein sollen:

Ein nagelneuer G-Mark .30 5 Zylinder Sternmotor wurde hier angeboten und nach kurzem Überlegen sogleich erworben. Das gute Stück angekommen, wurde es sogleich begutachtet und es schien, als war damit mein Hobby des Modellmotoren-Sammelns geboren.

Nachdem ich mich mit dem Thema "Modellmotoren" eine Weile beschäftigt hatte, wurden auch die Recherche-Ergebnisse immer präziser und man wusste mittlerweile schon genau, mit welchen Stichworten man hantieren musste, um möglichst gute und exakte Treffer zu erzielen.
Dadurch folgten kurze Zeit später zwei Saito FA-30GA sowie ein lilaner Technopower 5-Zylinder Stern-Viertakter.

Die Sammlung wurde immer größer, wurde nach und nach erweitert. So lange, bis ich durch Zufall auf ein Zitat, dessen Ursprung ich nicht mehr genau weiß, stieß:

"V12 - Die Krönung des Motorenbaus" (exakt dieses Zitat war auch der erste Satz meiner Abschlussarbeit),

und sogleich war der Grundstein für dieses Projekt gesetzt.

Dass eine derartige Maschine nicht von der Stange käuflich erwerbbar war (außer die "großen"), war die eingangs gestellte Frage für mich überflüssig:
Es war sofort klar, dass ich hier selber tätig werden musste und aufgrund des fortgeschrittenen Maschinenbaustudiums traute ich mir dieses Projekt auch zu.
Nach einigen Recherchen stieß ich dann auf Herrn Martin Ohrndorfs V12-Bauplan, der als Vorbild meines Projekts dienen sollte.

Am 05.04.2013 war es dann soweit:
Der erste Strich im CAD war gesetzt und mit ihm wurde fleißig konstruiert, sodass nicht einmal zwei Monate später der ERSTE CAD-Prototyp geboren war. Die Betonung liegt auf "ERSTE", denn damals war mir noch nicht bewusst, dass aufgrund der Miniatur-Größe des V12 noch zahlreiche Änderungen, ja sogar projektgefährdende Probleme ins Land ziehen würden.

Der Motor war also geboren (virtuell zumindest) und hat zum heutigen Stand folgende Eckdaten:

Bezeichnung: V12-OHV-4S
Hubraum: 32cm³
Bohrung: 14,6mm
Hub: 15,6mm
Leerlaufdrehzahl: ca. 2000 U/min
Leistung: ca. 1000W

Die Leistung konnte nur theoretisch durch verschiedenste thermodynamische (Kreisprozess isentrop/polytrop mit Ladungswechsel, Leistung aus Brennstoff-Zufuhr), aber auch mechanische Ansätze (Tangentialkraft, Rückrechnung vom Originalmodell aus) ermittelt werden.

Damit mir bis zum Projektabschluss nicht die Hoffnung genommen wurde ("das hat doch schon mal jemand gemacht, das gibt es doch schon, das ist nichts neues mehr"), wurden seit dem ersten Tage unter allmöglichen Suchbegriffen Recherchen an verschiedensten Orten (www, Fachliteratur, ...) durchgeführt, ob es denn einen "noch kleineren V12-Verbrennungsmotor" geben würde.
Glücklicherweise blieben die Nachforschungen während des kompletten Projekts erfolglos, was für mich dieses Projekt einzigartig gemacht hat.
Vereinzelt gingen jedoch Projekte hervor, die obig dargestellten Sachverhalt zu widerlegen schienen. Abhilfe konnte (auf sofortige Nachfrage bei den entsprechenden Projektbetreuern) geschafft werden, indem die erleichternden Rück-Mails ankamen, in welchen "größere" Motor-Eckdaten aufgezählt wurden.

Vereinzelt gab es auch für mich irreführende Titel in der Art "Smallest engine of the world": Hier lernte ich die Unterscheidungsgenauigkeit der englischen Sprache sehr zu schätzen:
Während im deutschen Sprachgebrauch allgemein das Wort "Motor" dient, kategorisiert die Weltsprache hier nochmals spitzfindiger:
Nämlich "motor" und "engine".
Ein "motor" wandelt allgemein andere Energieformen in mechanische Energie um, wohingegen eine "engine" ein "motor" ist, welcher thermische Energie in mechanische Arbeit umwandelt.
Bei denjenigen Suchergebnissen, welche meinem Projekt hinsichtlich "Einzigartigkeit" hätten gefährlich werden können, lag glücklicherweise keine "Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit" vor, was mich während des Projekt-Vollzuges weiter bestärkte.

Für die Wartezeit bis zum nächsten Kapitel gibt es diesmal ein kunstvolles Schnittbild meines Motors:

Nächstes Kapitel:
"Kapitel 2 - Vom Virtuellen zur Realität: Hilfsmittel und die ersten Bauteile"

hartlrobin · 22. Februar 2021

Cooles Teil! Bin schon auf die Fortsetzung gespannt.

DoppyP · 28. Februar 2021

"Kapitel 2 - Vom Virtuellen zur Realität: Hilfsmittel und die ersten Bauteile (Teil 1)"

Im heutigen Kapitel geht es um die zur Verfügung gestandene Ausrüstung, mit welcher das Projekt realisiert werden konnte. Das allererste Bauteil wird ebenso aufgezeigt.

Der Großteil aller Bauteile konnte in einem Metallverarbeitungsbetrieb an konventionellen Maschinen (die Vorstellung zum jetzigen Zeitpunkt, 24 Ventile händisch in der immer recht kurzen Samstag-Nachmittagszeit herzudrehen, stößt bei mir immer wieder auf Erstaunen, wie ich das damals alles so konsequent durchziehen konnte...).

Folgende mechanischen Bearbeitungsmaschinen standen zur Verfügung:
-Eine (fast) nagelneue, restaurierte Deckel FP2, welche damals auch meine Lieblingsmaschine in der Ausbildung war.
-Eine (wirklich) nagelneue "GDW Herzogenaurach",
-ein etwas älteres Drehmaschinenmodell "Turncraft" für die Grob-Arbeiten sowie
-diverse Donau-Schnellradial-Bohrmaschinen.

Soviel zur Hardware. Softwaretechnisch war ich ziemlich breit aufgestellt:
-Inventor für das "grobe" Entwerfen des Motors
-ThinkDesign für das konkrete Auskonstruieren, Detaillieren sowie Rendering
-Creo für mechanische Bewegungssimulationen in meiner Abschlussarbeit
-MS Office für die Berechnungen und End-Dokumenation

Allerbeste Voraussetzungen also, wenn nicht noch ein kleines Problem (oder besser gesagt: "ungelöstes Thema") gewesen wäre:
Baugrößenbedingt wurden für das Projekt "Miniatur-Werkzeuge" und "Spezialhalbzeuge" benötigt, die (noch) nicht vorhanden waren. Jedoch war dies das geringste Hindernis und somit wurde mal richtig eingekauft:
Spannzangen für die FP2 mit Durchmesser 1.0, 1.5, 2.0, Mini-Ausdrehstähle, Gewindebohrer und -senker für M2 sowie M2,5 sowie Messwerkzeug.

Heutzutage natürlich alles kein Problem mehr, relativ günstig an all diese Mittel zu kommen. Richtig "professionelles Werkzeug" von namhaften Firmen wollte ich aufgrund der geringen Losgrößen und für mich als Student viel zu teuren Anschaffungskosten dann nicht verwenden. Im Nachhinein rückblickend stellte sich dies als richtige Entscheidung heraus, da ich keinerlei Nachteile hatte.

Die Konstruktion war ja soweit fertig, also ging es ran an die technischen Zeichnungen, welche man ebenfalls zur Ausrüstung zählen kann. Tagsüber wurden die Vorlesungen besucht (theoretisch hätte man diese auch ausfallen lassen können, da keine Anwesenheitspflicht bestand - aber man lernt ja nicht für die Hochschule, sondern für´s Leben...

) und in etlichen Nachtschichten wurden dann die gesamten Fertigungszeichnungen erstellt. In der letzten Nachtschicht ging es dann mit einer dick bepackten PDF (Seitenzahl im oberen zweistelligen Bereich) nochmals in die
Uni (erstaunlicherweise war hier sogar noch was los) in den Druckerpool, um mit einem Stapel Papier und einer geplünderten Guthabenkarte wieder zurückzukehren.

An einem Samstagvormittag (als Student musste man seinen Lebensunterhalt sowie das Projekt durch Arbeit finanzieren) und durch Zufall kam ich mit meinem damaligen Chef auf das Projekt zu sprechen und er war sogleich derartig angetan, dass er seine Unterstützung (fachlich sowie auch CNC-technisch) anbot. Somit betraute ich ihn sogleich mit einer Aufgabe: Dem Kurbelgehäuse: Dieses konnte dann tatsächlich einige Zeit später nach der CAM-Programmierung auf einer 5x-Fräsmaschine gefertigt werden. Die Bohrungen und Gewinde wurden nicht mit gefertigt, da dies zeitlich zu intensiv gewesen wäre und ich das laufende Tagesgeschäft nicht unnötig mit Aufgaben aufhalten wollte, die ich auch ohne CNC-Hilfe erledigen konnte. Aber allein mit der Geometrie sowie den Anzentrierungen war mir schon sehr weitergeholfen.
Das frisch gefräste Gehäuse noch kaum von der Maschine abgespannt, ging es dann an der Schnellradialbohrmaschine weiter. Schnell noch im Schwenkschraubstock und Wasserwaage ausgerichtet, ging es los. Und fast 100 händisch geschnittene M2er bzw. M2,5er Gewinde (die Spannung, dass der Gewindebohrer nicht abbrechen würde, da sonst sehr viel Arbeit umsonst gewesen wäre, stieg von Gewinde zu Gewinde) hielt ich das Kurbelwellengehäuse dann fertig in meiner Hand:

Die Fertigung der nächsten Bauteile konnte nun starten...

Für die Wartezeit bis zum nächsten Kapitel gibt es vorweggegriffen, den ersten, wenn auch etwas holprigen, Start des Motors als Bild...

...sowie dessen Aufbewahrungsbox, eine extra gekaufte und umfunktionierte Apotheker-Holzbox, welche aufgrund der Höhe ausgefräst wurde:

Angemerkt sei, dass dies noch ein älterer Bau-Stand des Motors ist (Sammelkrümmer, "grobe" Ansaugbrücken, Motor ohne Ladungswechselorgane-bis auf die Ventile).

Im nächsten Kapitel 3 gibt es:
"Kapitel 3 - Vom Virtuellen zur Realität: Hilfsmittel und die ersten Bauteile -Teil 2: Zum Herstellen der Töpfe und Pötte".

DoppyP · 8. Mai 2021

"Kapitel 3 - Vom Virtuellen zur Realität: Hilfsmittel und die ersten Bauteile -Teil 2: Zum Herstellen der Töpfe und Pötte".

Heute geht es um die 12 Zylinder, deren Rohlinge aus einem 35er Automatenstahl-Rundstab entspringen. Glücklicherweise war es möglich, diesen durch das Dreibackenfutter hindurch zu schieben, was den Drehprozess ungemein verschnellerte.
So konnte ich innerhalb kürzester Zeit 14 Zylinderköpfe und Zylinder (2 Stück waren als Reserve gedacht) herdrehen:

Bereits während der Bearbeitung konnte man schon den leichten Flugrost erkennen, somit galt es die Werkstücke schnellstmöglichst fertigzustellen, um diese dann durchs Brünieren mit einem leichten Rostschutz zu versehen.
Für die Garnitur war eine Laufbuchse mit einer leichten Spielpassung vorgesehen, deshalb auch hier die Messung der Zylinderbohrung mit der Mikrometerschraube mit knapp 16,51mm:

Nochmals schnell die Länge von 29mm nachgemessen...

...bevor es auf der FP2 an die Zylinderfuß-Absätze ging:

Eine recht aufwändige Geschichte waren die Verschraubungen: 4x d2,2 am Zylinderfuß sowie 5x M2 für den Zylinderkopf. Bei beiden Bearbeitungsseiten musste jeweils der 3D-Taster in die Aufnahme gewechselt und das Werkstück-Zentrum ermittelt werden. Macht bei 14 Zylindern ein 28maliges Einspannen des Tasters.

Aber was macht man(n) nicht alles für sein Projekt. Hier geht es ja nicht darum, auf schnellstem Wege fertig zu werden, sondern mit der Herstellung/Fertigung und dem Montieren der Projektkomponenten ein lauffähiges Einzelstück zu kreieren. Des Öfteren wurde ich mit der Aussage einiger früherer Arbeitskollegen konfrontiert: "Also ich hätte dafür keine Geduld." Diese Situation, ob ich Geduld für das Projekt aufbringen musste, stellte sich mir nie. Denn eine Arbeit, wenn sie "gscheid" ausgeführt werden soll, dauert eben so lange, wie sie dauert. Andernfalls wäre der Modellbau für mich nicht mit "mein Hobby" zu betiteln.

Hier das Resultat mit meinen 12 einbaufertigen Zylindern (sieht man von der Oberflächenbehandlung ab):

War dies bereits ohnehin schon ein Erfolgserlebnis für mein Projekt, so konnte ich es dennoch nicht lassen, das Ganze einmal montiert zu sehen:

Lange ließ ich diesen Anblick nicht auf mich wirken, weil ich mich sogleich auf die nächsten Werkstücke stürzen wollte. Wie man erkennen kann, ab jetzt sogar mit Beleuchtung aufgrund der langsam eintretenden Dämmerung:

Auch hier musste wieder der 3D-Taster herhalten, um das Zylinderkopf-Zentrum zu ermitteln:

Dann konnten die Verschraubungen anzentriert sowie die Ventilführungs-Bohrungen mit dem Zweischneider eingestochen werden:

Nachdem alle 14 Zylinderköpfe mit der ersten Bearbeitungsseite fertiggestellt waren, ging es an die zweite Seite: hier war ja zu beachten, dass aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung der Zylinder und der mittigen Ansaugbrücken die Bearbeitung wg. ("wie gezeichnet") und spg. ("spiegelbildlich") erfolgen musste. Da hier mit wenig Aufwand sehr schnell viel Arbeit hätte "kaputtgehen" können, separierte ich die Köpfe:

Wie auf dem vorherigen Bild zu sehen, war es hier bereits wieder taghell. Jedoch erfolgte hier kein "Nachts-Durcharbeiten" meinerseits.
Nun den Schraubstock flugs geschwenkt, den Kopf eingespannt und schon konnte die Projektreise fortgesetzt werden:

Beim Antasten der Z-Achse war jedoch Fingerspitzengefühl gefragt, da die Achse für die FP2 nicht durch einen 3D-Taster hätte genullt werden können, sondern einzig und allein durch die Werkstückkante. Es erfolgte die schräge Abflachung des Zylinderkopfes, um Platz für die Glühkerze zu schaffen. Für die Glühkerzenbohrung konnte die Werkstückmitte in der Y-Achse wieder leicht ermittelt werden. Anders sah es in der Längsachse (X) aus: Hier musste ich mit dem 3D-Taster exakt wieder die äußerste Kante des Zylinderkopfes treffen, was sich bei einer 4er Messkugel am Taster noch gerade so als "machbar" herausstellte.

Für die Bohrungen der Ansaug- bzw. Auspuffkanäle wiederholte sich obig beschriebenes Spektakel. Nur diesmal musste der Nullvorgang nicht zwölfmal, sondern nur viermal vollzogen werden. Erschwerend kam hier das Neigen des Schwenkschraubstocks.
Mit jedem Arbeitsschritt stieg bei mir das Bedürfnis des "immer vorsichtigeren Vorgehens", da mit einem einzigen Fehler bereits ein Haufen Arbeit dahin waren.

Abschließend gibg es dann nur noch an die Bohrmaschine, um das Glühkerzengewinde 1/4-32 einzuschneiden und somit Zylinderkopf und Zylinder endlich zum Brünieren fertigstellen zu können.

Bisher waren nur Äußerlichkeiten des Projektes zu sehen, nächstes mal trauchen wir ins Innere des Motors ein.

Im nächsten Bericht erwartet euch:
"Kapitel 4 - Das schlagende (drehende) Herz des Motors unter Einbezug einer Hochzeit"