Leichtlauf und Spielfreiheit sind zwei von mehreren Optimierungskriterien, die es im Modellbau zu beachten gibt.
Stehen denn die beiden im Gegensatz zueinander? Leider ja: man kann nicht beide Kriterien gleichzeitig maximieren sondern muss einen je nach Anwendungsfall unterschiedlichen «sweet spot» finden, der zwischen beiden einen optimalen Kompromiss darstellt.
Kolben in Zylinder
Ein typisches Beispiel für den oben genannten Zielkonflikt ist das Kolbenspiel in einer Zylinderlaufbüchse. Einerseits soll das Spiel so klein sein, dass der unvermeidliche Blowby durch den Ringspalt zwischen Kolben und Zylinderwand nicht die eigentliche Funktion, z.B. Kompression oder Expansion zu stark schädigt.
Andererseits darf die Kolbenreibung nicht durch einen zu engen Luftspalt derart zunehmen, dass die Funktion der Kolbenmaschine behindert oder gar verhindert wird. Dies gilt in besonderem Masse für «schwache» Motoren wie z.B. Flammenfresser oder Stirlingmotoren, die bauartbedingt gleich unter einem doppelten Handicap leiden:
- die auf beiden Seiten des Kolbens wirkende Druckdifferenz kann maximal 1 bar betragen (Atmosphärendruck gegenüber Unterdruck im Arbeitsraum- Grenzfall: Vakuum)
- die Druckdifferenz wirkt nur während höchstens 90° von 360° jeder vollen Kurbelwellenumdrehung
Für einen stabilen Lauf muss die Schwungmasse in diesem kurzen Winkelintervall ausreichend aufgeladen werden, um die Kurbelwellendrehung während der verbleibenden 270° aufrecht zu erhalten. Um hier genügend Energiereserven aufzubauen, spendierte Herr Bengs übrigens dem Flammenfresser «Jarne» sogar zwei grosse Schwungräder von jeweils 140mm Durchmesser, während «Rainer» mit nur einem 140er Schwungrad signifikant prekärer ausgestattet ist und insofern höhere Anforderungen an Leichtlauf und Dichtheit stellt.
Stirlingmotor «Rainer»
Derzeit bereitet mir der Bau des Stirlingmotors «Rainer» von Modellbau Bengs etwas Kummer. Zwar konnte ich bereits vor rund zwei Wochen den erfolgreichen «Jungfernlauf» meines Modell verkünden:
Aber es gab/gibt noch zwei Baustellen, die mich ziemlich stören: so benötigt mein Modell eine ungewöhnlich grosse Flamme für einen stabilen Lauf, sowie eine ausgeprägte Kühlung durch eine frische Kaltwasserfüllung des Kühlmantels. Herr Bengs gibt in seinem Produktvideo mit einem unverschämt kleinen Flämmchen an 😉, und kommt lt. eigener Aussage sogar mit einem trockenen Wasserkühlmantel aus. Damit hat er die Messlatte hoch aufgelegt. Klar, dass ich da auch hin will. 💪
Und zweitens benötigt mein Stirlingmotor «Rainer» derzeit noch einen ausserordentlich geduldigen Starter, also denjenigen, der das Schwungrad von Hand lange genug immer wieder erneut anwirft bis der Motor endlich seinen stabilen Lauf aufnimmt. So ein Kaltstart hat bei mir typisch rund eine Viertelstunde(!) gedauert 🙄
Möglicherweise haben beide Phänomene die gleiche Ursache. Ich habe darüber nachgedacht und schliesslich die Theorie entwickelt, dass ein geringfügig zu grosses Kolbenspiel vorliegen könnte, welches bei kaltem Motor die Entstehung eines ausreichend grossen Unterdrucks im Arbeitsraum von «Rainer» zunächst verhindert. Durch wiederholte Startversuche würde demnach im Laufe der Zeit soviel Wärme in den Kolben eingetragen, dass dieser sich ausdehnt und schliesslich wegen verbesserter Dichtheit ein lauffähiges Spiel zum Zylinder einnimmt.
2. Kolben
Um diese Theorie zu testen, habe ich einen neuen Kolben angefertigt. Zum Glück liegt dem Bausatz von «Rainer» ein ausreichend langes Stück Grauguss Rundmaterial ø30mm bei, dass man daraus zwei Kolben fertigen kann. Im Zusammenspiel von Aussen- und Innenmikrometerschrauben hatte ich vorab in verschiedenen Ebenen und auch um 90° verdreht ein bestehendes Kolbenspiel von 0.08 mm bei einem Nenn-Kolbendurchmersser von 28.0 mm ermittelt. Das galt es zu unterbieten.
Diesmal habe ich mich dem Nenn-Durchmesser von 28 mm auf der Drehbank in sehr vorsichtigen Schrittchen von oben angenähert, bis ich den Kolben – wenn auch mit nennenswerter Kraft – vollständig durch den Zylinder (ein Messingrohr mit Innennenndurchmesser 28 mm) hindurchschieben konnte. Bei einem gemittelten Kolbenspiel von nur 0.025 mm.
Der Kolben liess sich aber so nur wirklich schwer im Zylinder bewegen. Also habe ich den zusammengebauten Motor mit neuem Kolben mittels einer Schlauchkupplung zwischen Kurbelwellenstumpf und Antrieb durch einen Akkuschrauber etwa eine Viertelstunde lang zwangsweise orgeln lasen, damit sich Kolben und Zylinder aneinander abschleifen sollten. Das hat leider nicht viel gebracht. Grauguss wird nämlich ob seiner vorzüglichen Laufeigenschaften und Verschleissfestigkeit dank des eingelagerten Lamellengraphits gerühmt …
Beim erneuten Zerlegen des Motors fiel mir ein ausgeprägt ungleichmässiges Tragbild auf: rechts und links wies der Kolben deutliche Längsriefen auf, die oben und unten nicht, bzw. bei Weitem nicht so ausgeprägt vorlagen.
Ich habe dann (instinktiv, und vermutlich nur wegen der besseren Zugänglichkeit 🫣) die betroffenen Stellen des Kolbens quer zu den Längsriefen von Hand mit 400er Schmirgelpapier soweit beschliffen, bis die Längsriefen nicht mehr sichtbar waren. Dann den Motor wieder zusammengebaut und nochmals mit dem Akkuschrauber «durchgeorgelt». Die ganze Übung insgesamt noch zweimal wiederholt mit dem Ergebnis, dass der Kolben nun endgültig zu klein ist. Erkennbar an sicht- und hörbarer Öl-Bläschenbildung an der Kante des Kolbenhemds und weiterhin völlig fehlendem Motorlauf. Viel zu spät dämmerte endlich die niederschmetternde Erkenntnis:
Der Zylinder ist unrund 😩
er bewirkt gleichzeitig rechts und links zu kleines Spiel (=> Klemmen) und oben wie unten bereits zu grosses Spiel (=> Durchblasen). Das werde ich auch mit einem dritten auf der Drehbank gefertigten (=kreisrunden) Kolben nicht ausgleichen können.
Für die nun unvermeidliche Nachbearbeitung der Zylinderbohrung habe ich mir bei Aliexpress eine verstellbare Reibahle bestellt, welche mich heute erreicht hat. Der erste Eindruck ist, dass es sich nicht um ein feinmechanisches Präzisionswerkzeug handelt, was aber auch bei einem Gesamtpreis von CHF 23.59 nicht zu erwarten war. Im schlimmsten Fall müsste ich den mit UHU Plus endfest(!) geklebten Kühlwasserkasten von «Rainer» auseinandernehmen und ein frisches Zylinderrohr einbauen.
Ich werde berichten, wie es weitergeht, bzw. ausgegangen ist.