Nachdem ich mein Modellbau Erstlingsprojekt «Danni» erfolgreich zum Abschluss bringen konnte, wenn auch mit noch nicht spruchreifen Restpendenzen im Schlepptau 😉 , war es an der Zeit, ein Nachfolgeprojekt auszusuchen.
Ich habe mich nach meinem Ausflug in die Welt der Dampfmaschinenmodelle diesmal für den «Flammenfresser Jarne» von Bengs Modellbau entschieden.
Funktionsprinzip
Flammenfresser dürften ausserhalb von Modellbauerkreisen kaum bekannt sein, weshalb ich diesen Motortyp kurz vorstellen möchte. Wenn man sich das Video zu Jarne anschaut, wird deutlich, dass der Kolben in seiner Abwärtsbewegung (weg vom OT) durch die Flamme erhitzte Luft ansaugt, bevor der Eingangsschieber die Ansaugöffnung im Zylinderkopf verschliesst.
Der im Schwungrad gespeicherte Schwung sorgt dafür, dass der Flammenfresser danach noch den unteren Totpunkt überwindet. Da sich die heisse Luft inzwischen abgekühlt hat (bei Jarne übrigens begünstigt durch einen wassergefüllten Kühlmantel), sinkt der Druck des Zylinderinhalts unter den Atmosphärendruck, welcher darufhin den dem Atmosphärendruck ausgesetzten Kolben aktiv in Richtung OT zurücktreibt. Nur in dieser Phase wird die Schwungmasse mit Energie aufgeladen.
In ca. der letzten Hälfte des Hubs in Richtung OT, bei inzwischen etwa ausgewogenen Druckverhältnissen beiderseits des Kolbenbodens, wird die verbliebene Warmluft durch ein Abluftventil ausgetrieben, unter Verzehr eines ersten Teils der in der Schwungmasse gespeicherten Energie.
Der Kolben passiert daraufhin seinen OT, der Einlassventilschieber öffnet sich, das Auslassventil schliesss sich, und der Flammenfresser saugt erneut erhitzte Luft an. Wiederum unter Verzehr eines Teils der in der Schwungmasse gespeicherten Energie.
Der Flammenfresser ist deswegen aus dem kollektiven Gedächtnis weitgehend verschwunden, weil er nie kommerziell erfolgreich war und dementsprechend nie weite Verbreitung erlangte.
Der fehlende kommerzielle Erfolg ist dem schlechten Wirkungsgrad dieses Motortyps geschuldet und dem Umstand, dass Flammenfresser jenseits der zum puren eigenen «Lebenserhalt» erforderlichen Energie kaum «freie» Energie für Nutzzwecke abgeben konnten.
Woran liegt das?
Der Energiespeicher eines Flammenfressers wird lediglich während ca. einer Viertel Umdrehung der Kurbelwelle mit Energie aufgeladen, wie das folgende p-v Diagramm zeigt:
«p» bezeichnet dabei den Druck im Zylinderraum, «v» das zwischen Zylinderkopf und Kolben im Zylinder eingeschlossene Volumen.
Um den Kreisprozess zu verstehen, folge man in Pfeilrichtung der roten Linie. Die horizontale blaue Linie kennzeichnet den Atmosphärendruck.
- Phase 1: Ausschieben der verbrauchten Luft
- Phase 2: Ansaugen frischer Heissluft, 1. Hälfte
- Phase 4: Ansaugen frischer Heissluft, 2. Hälfte
- Phase 3: Atmosphärendruck treibt den Kolben nach Abkühlung der Heissluft und resultierendem Druckabfall im Zylinder zurück in Richtung OT
Nur während Phase 3 wird der Zylinderfüllung Energie entzogen und ins Schwungrad eingespeist. Alle übrigen Phasen sind aus Sicht des Schwungrads Energieverbraucher.
Diese eingespeiste Energiemenge muss ausreichen, die übrigen drei Viertel des Kurbelwellenumlaufs durch Energieabgabe anzutreiben. So ist es kein Wunder, dass der Konstrukteur dieses Flammenfressers Jarne gleich zwei riesige Schwungräder von jeweils nominell 140 mm Durchmesser spendierte. Im Gegensatz dazu kommt die Dampfmaschine «Danni» mit einem (1) kleinen Schwungrad von 80 mm Durchmesser aus. Danni’s Kolben wird im Vergleich zu einem Flammenfresser aber auch während ca. 340° von 360° für einen Kurbelwellenumlauf aktiv von einem Überdruck angetrieben. Der Schwung des Schwungrads bei Danni muss zudem nur ausreichen, zwei antriebslose Winkelintervalle von jeweils 10° zu überbrücken.
Bei früheren, kommerziell genutzten Dampfmaschinen konnte der Dampfdruck zudem bis in höhere zweistellige bar-Regionen reichen, während in einem Flammenfresser prinzipbedingt und unabhängig von seiner Grösse nur eine Druckdifferenz auf beiden Seiten des Kolbens von maximal einem (1.0) bar auftreten kann.
Aufgrund der Abmessungen beider Schwungräder von Danni und Jarne lässt sich ausrechnen, dass bei gleicher Drehzahl ein (1) Schwungrad von Jarne ziemlich genau zehnmal soviel Energie enthält wie das Schwungrad von Danni. Jarne hat sogar zwei davon, was insgesamt zu einem zwanzigfachen Speichervermögen wie bei Danni führt.
Bei diesem Vergleich habe ich lediglich die Energiespeicherung in den äusseren Reifen und ihren Verstärkungen berücksichtigt, und das Speichervermögen von Speichen und Nabe vernachlässigt. Letztere dienen im Grunde nur dazu, den Aussenring zentriert mit einer Welle zu verbinden.