Tomboy mit Co2-Motor

Hallo zusammen,
Ich habe heute mein neues Projekt eingeflogen: Einen Tomboy, aber motorisiert mit einem Gasparin G500T (Danke, Alex!).
Ich denke, zu dem Flugzeug an sich muss ich hier nichts schreiben. Für meine Verhältnisse ist das ja schon ein Großmodell. Der Bau aus dem Aeroplan-Bausatz war völlig unproblematisch. Höhen- und Seitenruder sind mit Schuckdraht und Gummibändern zur Rückstellung angelenkt, wie man es auch für F3K-Modelle macht. Ich wüsste auch gar nicht genau, wie man in den 60ern so eine Anlenkung gemacht hätte. Die Bespannung mit Seide ist mir nicht perfekt gelungen: Der Rumpf hat sich leicht verzogen und man sieht Schlieren im Lack. Ihr könnt ja mal meckern, was ich da nächstes Mal besser machen muss ;)
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Gebaut habe ich diesen Flieger wegen des Antriebs. Ich wollte ein alltagstaugliches Modell mit CO2-Motor für draußen haben. CO2-Motoren sind im Prinzip kleine Expansionsdampfmaschinen, nur dass als Arbeitsmedium Kohlenstoffdioxid verwendet wird. Das CO2 wird in flüssiger Form in einem kleine Aluminiumtank aufbewahrt. Getankt wird aus einem Sodastream-Zylinder mit Adapter. Auf dem Weg zum Motor verdampft das CO2 aus dem Tank, dabei werden Tank und Zuleitungen kalt. Im Zylinderkopf sitzt ein kleines Kugelventil, das vom Kolben am oberen Totpunkt geöffnet wird, um eine kleine Menge CO2 in den Zylinder zu geben. Diese verrichtet dann am Kolben die eigentliche Arbeit. (Umgangssprachlich werden diese Motoren manchmal Kohlensäuremotoren genannt. Streng genommen ist das Quatsch, denn Kohlensäure bildet Kohlenstoffdioxid nur in Verbindung mit Wasser. Säure können wir in unseren Motoren auch nicht gebrauchen. Es sei denn, jemand der nicht ich ist, möchte ein paar der interessanteren Raketentreibstoffe in einem Verbrennungsmotor ausprobieren...)
Da ein Abfluggewicht von knapp über 200g für CO2-Antriebe schon sehr viel ist, darf es gleich der größte mir bekannte Motor sein. Wie bei allen Gasparin-Motoren ist die Verarbeitung ganz hervorragend. Zusammen mit der Holzluftschraube und dem 20 cm^3 Tank wiegt der Motor ca. 60g. Bei diesem Boxermotor muss die Leistung für jeden der beiden Zylinder einzeln eingestellt werden. Wie bei allen Gasparinmotoren wird die Leistung eingestellt, indem der Zylinder etwas weiter in das Kurbelgehäuse hineingeschraubt wird. Dadurch bleibt das Kugelventil etwas länger geöffnet, wenn der Kolben den oberen Totpunkt passiert. Es scheint dem Motor jedoch nicht zu schaden, die Zylinder ungleichmäßig eingestellt zu haben. Nur die Leistung ist dann geringer. Für den Erstflug habe ich gut 3500 U/min eingestellt. Das müssten so ungefähr 10 W mechanische Leistung sein. Das sind so ca. 50 W/Kg. Dabei ist zu beachten, dass die Leistung nach kurzer Laufzeit abnimmt, sobald der Tank kalt wird und somit das verdampfte CO2 einen niedrigeren Druck hat. Dieser Effekt wird bei hoher Drehzahl stärker.
Der Erstflug selbst war erfolgreich. Ein paar Schritte gegen den Wind laufen um zu sehen, ob der Schwerpunkt passt und los gehts (Der Schwerpunkt passt immer, wenn ich das Modell selbst gebaut habe. Das hat man einfach im Gefühl, oder?). Dann Tanken, Motor anwerfen - uuuuund er läuft rückwärts. Das passiert leicht, wenn man beim Anwerfen zu vorsichtig ist und den oberen Totpunkt nicht komplett überwindet. Prinzipbedingt laufen CO2-Motoren in beide Richtungen gleich gut. Also warten bis der Tank leer ist und nochmal. Diesmal stimmt die Richtung. Sender greifen, werfen und das Flugzeug steigt problemlos mit ca. 1 m/s weg.
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Nach gut 10 Sekunden geht die Leistung etwas zurück und ich kann gut eine Minute herumeiern.
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Dann kommt das Flugzeug mit langsam laufendem Motor zur Landung herein. Die endete dann fast mit einem Kopfstand, der Platz ist dieses Jahr aus Gründen nicht ganz so gut gewalzt wie sonst.
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Der Tank ist komplett vereist. Das bedeutet, dass die abgerufene Leistung höher ist, als es für diese Motor-Tank-Kombination bei dieser Lufttemperatur optimal wäre.
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Trotzdem hatte ich Flüge mit 1:45 min gemessen - ein guter Anfang. Bei wärmerem Wetter und mit besser eingestellter Leistung ist sicherlich noch mehr drin.
 
@bernd4 Klar, ist aber unspektakulär:
Funke ist meine Taranis X-Lite, weil alles andere ja unhandlich wäre ;)
Empfänger ist ein RX8R, der hier übrig war. Den werde ich noch durch einen leichteren ersetzen.
Die Servos sind PowerHD DSM44 mit ca. 6g
@M.a.x. Ne, den Motor habe ich hier aus dem Forum. Jiri von old-engine-model.com ist super nett und hilfreich, hatte aber leider keinen G500T mehr auf Lager. An dem Tank muss ich noch optimieren, das stimmt. Vielleicht Alurippen aufkleben und/oder elektrisch belüften, mal sehen.
 

S_a_S

User
sehr schön, das ganze mit RC zu machen.
Trau ich mich mit meinem Modela-Motor nicht ganz, da reicht es gerade so für Freiflug.

CO2-Motoren sind im Prinzip kleine Expansionsdampfmaschinen,
könnte sich aber auch "nur" um Druckluftmaschinen handeln, denn es wird kein flüssiges CO2 eingespritzt, sondern bereits verdampftes Gas (darum ist der Druckbehälter vereist, nicht der Motor).

20 cm^3 Tank wiegt der Motor ca. 60g.
sind die 60g schon mit den 23g CO2 - da verschiebt sich ja der Schwerpunkt doch auch etwas während dem Flug in Richtung Heck.

20ml Flüssig CO2 ergibt 12,74l oder 12.740.000 mm³ Gas bei Normaldruck. Bei 2x500mm³ pro Umdrehung gibt das dann theoretisch 12.740 Umdrehungen, wenn das bis Umgebungsdruck expandiert. aber man hört ja noch das "Knallen". Wenn man das bei 2bar annimmt, bleiben 6300 Umdrehungen, das würde dann zu den 1:45 Minuten bei 3500/min passen.

Klar, ausreichend Umgebungstemperatur ist wichtig, dass genügend Gas verdampft. Dafür lässt sich in den kalten Tank mehr flüssiges CO2 einfüllen.

Grüße Stefan
 
Dampfmaschinen und Druckluftmotoren sind doch bis auf das Arbeitsmedium das gleiche, oder stehe ich gerade auf dem Schlauch? Die Dampfmodellbauer nehmen ja auch gerne Druckluft zum Testen.
Bei Normaldruck und Raumtemperatur passt deine Analyse. In der Flugpraxis gehen aber Temperatur und damit Drehzahl nach ca. 20 s deutlich zurück. Ich vermute auch, dass in den Tank in der Praxis deutlich weniger als 20g CO2 hineingehen. Im Flug konnte ich jedenfalls keine Schwerpunktverlagerung bemerken. Das im OP erwähnte Motorgewicht ist aber mit leerem Tank.
 

S_a_S

User
Expansionsdampfmaschinen werden mit überhitztem Wasserdampf betrieben - also nach dem Sieden wird der Dampf erst noch weiter erhitzt, um im Carnot-Prozess einen besseren Wirkungsgrad zu erhalten.
Und der Energieverlust durch Wiederkondensation (z.B. an den ausgekühlten Zylinderwänden) soll eben dadurch auch vermieden werden.

Der Betrieb einer Dampfmaschine mit Druckluft ist zwar auch möglich (das ist dann auch ungefährlicher, weil man sich die Finger nicht verbrennt), das richtige Leistungspotential gibt es aber erst mit heißem Dampf. Da müssen auch die Steuerzeiten entsprechend angepasst werden.

CO2 ist ein Betrieb mit "gesättigtem Dampf", die abrufbare Energie wurde beim Verflüssigen eingespeichert. Bei 31°C/73bar ist der kritische Punkt erreich (Gas und Flüssigkeit sind fluid), bei Wasser ist das erst bei 373°C/220bar.

Bei normaler Umgebungstemperatur bleibt das dann Gas - so wie beim Druckluftmotor auch. Auch wenn sich der Gasbehälter bei der Gasabgabe abkühlt, ist das CO2 immer noch am Sieden, allerdings sinkt der verfügbare Druck (und damit die Drehzahl) mit der Temperatur. Abgesehen davon "holt" sich der Gasbehälter ja auch viel Siede-Energie aus dem Kondensieren und anschließendem Einfrieren der Luftfeuchtigkeit.

Mit der Einstellung des Motors kannst Du die Zeit (Kurbelwellenwinkel) beeinflussen, bei der der volle Gasdruck anliegt und damit (mit Kolbenfläche multipliziert) die Beschleunigungskraft beeinflussen, aber wenn das Ventil wieder zu ist nimmt dieser Druck bis zum Erreichen des Auslassschlitzes kontinuierlich ab und ploppt dann raus. Zuviel Plopp ist verlorenes Gas/Motorlaufzeit, aber weil das Ventil schon kurz vor OT geöffnet wird, bleibt das immer ein Kompromiss aus Leistung und Laufzeit (irgendwann bleibt der Motor stehen).

Beim Tanken kann man auch viel Laufzeit gewinnen, wenn man viel flüssiges CO2 hineinbekommt. Volle Füllgasflasche, ggf. bei kaltem Wetter leicht anwärmen (aber nicht über 31°C), kalten Tank - den dann aber vor dem Flug warm bekommen, ohne dass durch Leckagen zu viel verloren geht... Paintballer haben da auch ihre Tricks...

Grüße Stefan
 
Interesssantes Projekt. Was mir auf den bildern noch aufgefallen ist:
Ich würde den Akku nicht direkt neben den Tank legen. Lithiumakkus geben bei frostigen Temperaturen nur widerwillig ihre Elektronen her. Und so ein CO2 Tank wird im Betrieb nun mal sehr frostig...

Gruß,
Jochen
 
@Weichloeter Da war aber Platz und man kommt gut dran.:D Ich überwache die Akkuspannung per Telemetrie und da ist alles unauffällig. Der Strom ist ja doch eher gering.
@M.a.x. Sehr schöne Piper. Magst du was zum Abfluggewicht und zur Flugzeit sagen? Welchen Tank hast du verbaut und vereist der auch so stark wie meiner?
 

M.a.x.

User
Gewicht ist 67Gr. ,Motor ist ein GM 120T mit original Tank. Ich vermute das es 3 cm/3 sind. Flugzeit habe ich nicht gestoppt, schätze etwa eine Minute. Muss auch nicht mehr sein, meine Flugmöglichkeiten sind nicht so Üppig . Der Tank ist auch bei mir nicht optimal verbaut, ich meine aber, das er mehr Luft bekommt. Vereist auch nicht so stark.
Gruß Markus
 
Klar, im Freiflug ist eine Minute schon lange. Ich vermute, dass die Vereisungsproblematik mit dem kleineren Motor und Tank bei dir nicht so ausgeprägt ist. Es muss ja einen Grund geben, warum man keine noch größeren CO2-Motoren baut.
Ich habe heute testweise den Tank seitlich am Rumpf befestigt, damit er direkt im Luftstrom liegt. Das hat aber auch nicht signifikant längere Flugzeiten ergeben und der Tank war nach der Landung genau so vereist wie sonst auch. Vermutlich würde dann auch eine elektrische Belüftung des Tanks nicht viel bringen, solange der Luftstrom nicht viel stärker als der des Propellers ist. Ich werde jetzt mal damit experimentieren, einige Gramm Wasser um den Tank herum einzubringen, die dann im Flug gefrieren müssten. Vielleicht wird die dabei freiwerdende Kristallisationsenthalpie zu mehr Leistung führen.
 
Ich werde jetzt mal damit experimentieren, einige Gramm Wasser um den Tank herum einzubringen, die dann im Flug gefrieren müssten. Vielleicht wird die dabei freiwerdende Kristallisationsenthalpie zu mehr Leistung führen.
Wo sehe ich den Unterschied, ob Du das Wasser ausdrücklich zum Entzug der inhärenten Phasenübergangsenergie mitführst oder nur das eh schon in der Luft vorhandene gefrieren lässt?

servus,
Patrick
 
Das extra mitgeführte Wasser wird in einem blauen Gummibeutelchen aufbewahrt und gefriert während des Fluges zu einem Eisblock. Aus der Luft kondensiertes Wasser gefriert während des Fluges zu Schnee. Extra mitgeführtes Wasser bringt 60 s statt 40 s Flugzeit (Es war kalt heute, die 1:45 min wahren bei ca. 10° höherer Lufttemperatur gemessen).
Blöderweise ist mir bei den Messflügen durch eine ungünstige Landung die Schraube gebrochen, mit der der Propeller am Motor festgeschraubt wird. Ich habe eine Ersatzschraube, nur steck noch ein Stück Schraube im Gewinde. Hat jemand eine Idee, wie ich den Rest Schraube da wieder herausgedreht bekomme?
 

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S_a_S

User
Schmelzenthalpie Wasser 335 J/g
Verdampfungsenthalpie bei 25°C ca 2440 J/g
von daher bringt es mehr, erst die Luftfeuchtigkeit zu kondensieren und dann einzufrieren, (feucht)warmes Wetter wegen der höheren absoluten Luftfeuchtigkeit wiederum besser.

Andererseits gibt es ja noch die Wärmekapazität des Wassers - das wird Dir beim derzeitigen Wetter auch geholfen haben, die Flugzeit zu verlängern.

Kannst ja auf den Tank noch Kühlrippen aufziehen, zur Vergrößerung der Oberfläche. Nur kann es da passieren, dass die Rippen herunterrutschen, wenn der Tank kalt wird (Wärmeausdehnung). Und ohne Kontakt schlechterer Wärmeûbergang.

Auf die Frage, weshalb keine größeren Motoren angeboten werden, liegt vermutlich am niedrigen Energieinhalt / Masse des Druckspeichersystems.
50l/200bar Druckluft bringen etwa 1,5kWh oder ~30Wh/l Behältervolumen, aber die Stahlflasche wiegt 70kg.
Bei CO2 mit 73bar sind das durch den niedrigeren Druck nur unter 9 Wh/l. Methanol, Sprit oder LiPos haben einfach höheren Energieinhalt pro Volumen.

Druckluft wird durchaus mit Erfolg z.B. im Bergbau eingesetzt, auch bei Grubenloks mit Tank. Aber eben nur auf kurze Distanzen mit Nachfüllstationen oder am Schlauch (auch weil man unten eh Frischluft braucht und wegen EX-Schutz).


Das mit der Schraube ist natürlich unglücklich. Das ist vermutlich maximal M3 (ab da gibts Schraubenausdreher z.B. von Gedore).

Ansonsten einfach mal mit einem normalen Schraubendreher draufdrücken. Sollte ja nicht bis zum Gewindeanschlag drin stecken. Vielleicht noch etwas Kriechöl dazu.

Viel nach vorn überstehen wird auch nicht. Hab jetzt keine Anleitung, aber ist der Luftschraubenmitnehmer nicht abziehbar (Konus auf der Kurbelwelle)? Dann müsste man die Schraube vielleicht besser packen können.

Ansonsten gut zentriert ausbohren/ausfräsen oder gleich erodieren (der Feinmechaniker freut sich).

Grüße Stefan
 
von daher bringt es mehr, erst die Luftfeuchtigkeit zu kondensieren und dann einzufrieren,
Das klingt plausibel, allerdings das Argument der hexagonalen Rauhreif-/Schneestruktur mit "guter" Isolation auch. Außerdem liegt die Anwendung meiner TD-Vorlesungen seit rund vier Jahrzehnten brach -> ich gehe wieder in die Lurker-Ecke ;-)
Kannst ja auf den Tank noch Kühlrippen aufziehen, zur Vergrößerung der Oberfläche. Nur kann es da passieren, dass die Rippen herunterrutschen, wenn der Tank kalt wird (Wärmeausdehnung).
Zum einen kühlen die zumindest ein wenig mit(ab), vor allem aber gips ja Wärmeleitkleber. Für arme Leute auch die Vorspannung geschlitzter Hülsen ähnlich den Magnetischer-Rückschluß-Ringen bei Elektromotoren.

Gibt's vielleicht hilfreich unterschiedliche Wärmeausdehungskoeffizienten von Eisen-Gewinderesten und Alu-Kurbelwellen?

servus,
Patrick
 
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