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Gegenläufig


Maschinen im Modellbau - epaper ⋅ Ausgabe 6/2019 vom 09.10.2019

Vor einiger Zeit baute ich einen Linford Zweitaktmotor, bei dem zwei Kolben gegeneinander im gleichen Zylinder laufen. Bei diesen Motoren befindet sich die gemeinsame Brennkammer in der Mitte des Zylinders, genauso wie die Zündkerze und die Öffnungen für den Ein- und Auslass. In diesem Artikel beschreibe ich eine Viertaktversion, die ich nach dem Linford-Konzept gebaut habe.


Artikelbild für den Artikel "Gegenläufig" aus der Ausgabe 6/2019 von Maschinen im Modellbau. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Maschinen im Modellbau, Ausgabe 6/2019

Die Konstruktion von Viertaktmotoren ist naturgemäß deutlich komplexer als die von Zweitaktmotoren, da Viertaktmotoren Ein- und Auslassventile besitzen, die über ein Antriebssystem mit Nockenscheiben und Stößeln funktionieren.
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Die Konstruktion von Viertaktmotoren ist naturgemäß deutlich komplexer als die von Zweitaktmotoren, da Viertaktmotoren Ein- und Auslassventile besitzen, die über ein Antriebssystem mit Nockenscheiben und Stößeln funktionieren.
Der Platz für diese Mechanik in der Mitte des Zylinders ist nur sehr beschränkt und daher eigentlich unmöglich so zu konstruieren. Ich musste mir daher etwas anderes einfallen lassen, um dieses Problem zu lösen. Mithilfe einer Anzahl verschiedener Konstruktionen, die ich schon für andere Verbrennungsmotoren benutzt habe ist mir dies geglückt.

Die Konstruktion

Die verschiedenen Abbildungen verdeutlichen das Funktionskonzept des Motors.

Zylinder/Kolben-Kombination

Ich habe mich für einen horizontal liegenden Zylinder entschieden, da dies die einfachste und kompakteste Konstruktion ermöglichte. Zylinder als auch Kolben habe ich aus perlitischem Gusseisen (Typ GG25) gefertigt, da dieses nur eine geringe thermische Ausdehnung besitzt, sehr verschleißfest ist und zudem selbst schmierende Eigenschaften aufgrund seines recht hohen Kohlenstoffgehalts besitzt. Zudem lässt sich dieses Gusseisen sehr gut bearbeiten. Die Bohrung des Zylinders muss sauber rund ausgeführt werden und sehr glatt sein, um einen möglichst dichten Abschluss mit den Kolben zu erreichen, gleichzeitig aber eine geringe Reibung aufzuweisen. Um das zu erreichen bin ich folgendermaßen vorgegangen:

Ich habe die Kolbenbohrung zunächst grob gebohrt und dann zum gewünschten Durchmesser mit einem Untermaß von 0,1 mm ausgedreht. Dann wird die Bohrung mit einer verstellbaren Räumahle sauber ausgearbeitet. Die Räumahle wird dazu mit ihrem abgeflachten Ende in einen Schraubstock eingespannt und dann die Bohrung des Zylinders über die darauf eingestellte Ahle geschoben. Hierbei Schneidöl hinzufügen. Beim Räumen muss der Zylinder immer wieder umgedreht werden und so lange auf der Räumahle bewegt werden, bis er sauber darüber läuft. Dann wird die Ahle eine Winzigkeit größer eingestellt und die Prozedur wiederholt. Dies mach man so lange, bis man das gewünschte Endmaß sauber erreicht hat.

Der Durchmesser muss hierbei nicht unbedingt dem in der Zeichnung angegebenen entsprechen, da die Kolben später auf die Bohrung angepasst werden, wie folgt:

Die Koben werden so gedreht, dass sie „hakend“ in den Zylinder passen. Dann werden die Kolben mit einer feinen Schleifpaste in den Zylinder eingeschliffen, sodass sich ein Spiel von 0,02 mm oder weniger ergibt. Das Ergebnis ist dabei, dass der Widerstand so gering ist, dass der Motor schon fast durch einen Luftzug sauber durchdreht, gleichzeitig aber eine perfekte Kompression aufweist, auch ohne Kolbenringe. Diese Art die Zylinderbohrung auszuführen ähnelt dem Honen und man erreicht damit eine ähnliche Präzision. Dies funktioniert auch gut mit dem verwendeten perlitischen Gusseisen, auch wenn dieses zunächst ein wenig „sandig“ erscheint.

Ein- und Auslasssystem

Für den Einlass des frischen Kraftstoff-Luft-Gemischs aus dem Benzindampfvergaser habe ich ein einfaches Kugelventil angepasst. Das untere Ende dieses Ventils wurde mit einem einfachen Gummischlauch mit dem Benzindampfvergaser verbunden, das andere Ende mit dem Zylinder verschraubt. Die Kugel wird aus ihrem Sitz gehoben, wenn darüber ein Unterdruck entsteht, was immer dann der Fall ist, wenn die Kolben sich von der Öffnung wegbewegen, was immer beim Einlasstakt der Fall ist. Während der anderen drei Takte (Kompression, Verbrennung und Auslass) herrscht hier immer ein Überdruck, der die Kugel auf ihren Sitz drückt. Daher wirkt dieses selbstansaugende Einlasssystem nahezu automatisch, da sich das Kugelventil ohne äußeres Zutun im richtigen Moment öffnet und schließt. Die Bewegungsmöglichkeit der Kugel muss dabei allerdings möglichst klein (circa 0,5 mm) sein, um zu verhindern dass die Kugel ungeplant „klappert“ und so nicht sauber öffnet und schließt. Diese Bewegungsmöglichkeit wird eingestellt mittels des Anschlags oberhalb der Kugel – eine einmalig einfache Möglichkeit. Bei einer sauberen Ausführung des Sitzes der Kugel schließt eine stählerne Kugellagerkugel sehr gut ab, wobei eine Kunststoffkugel (beispielsweise Neopren) bei einem Messingsitz etwas besser abdichten sollte.

Für das Auslassventil habe ich mich für ein rotierendes Ventil entschieden, welches ich bereits in meinem Einzylinder-Viertaktmotor mit gläsernem Zylinder (siehe Ausgabe 3/2019 der MASCHINEN IM MODELLBAU) verwendet habe. Hier wurde dieses ein wenig an die Gegebenheiten angepasst.

In diesem Falle ist das rotierende Ventil deutlich einfacher gehalten, da es nur zum Auslass der Verbrennungsgase benötigt wird, da der Einlass ja komplett durch das Kugelventil gesteuert wird.

Der rotierende Bolzen dieses Ventils dreht sich dabei in seiner Umhausung, die mittels eines Gummi-O-Rings luftdicht gegen den Zylinder geklemmt ist. Der Bolzen besitzt dabei eine Blindbohrung, die in der Mitte des Bolzens im 90 Grad Winkel auf eine zentrale Bohrung trifft. In der Umhausung trifft die zentrale Bohrung während einer Umdrehung auf eine weitere Bohrung, sodass die Verbrennungsgase in diesem Moment ausgestoßen werden können. Die Durchmesser dieser Bohrungen sind dabei so ausgelegt, dass sie perfekt zum Auslasstakt der Kolben passen. Der Bolzen wird dabei angetrieben durch ein großes Zahnrad, welches auf dem Schwungrad sitzt. Durch eine Konstruktion, bei der die Kolben über Pleuel und nur halb so kleiner Zahnräder das große Zahnrad antreiben, vollführt der Bolzen während der vier Arbeitstakte genau eine Umdrehung. Bewusst habe ich den Ventilbolzen und die Achse des Schwungrades nicht aus einem Stück gemacht, um den Ventilbolzen nicht in radialer Richtung zu belasten. Der Bolzen wird dabei mitgedreht durch eine einfache Konstruktion, bei der in der Schwungradachse ein Schlitz sitzt, in den ein flacher Mitnehmer des Ventilbolzens hineinragt.

Sowohl den Bolzen, als auch die Umhausung des Auslassventils habe ich ebenfalls aus perlitischem Gusseisen gefertigt – mit den gleichen Begründungen wie beim Zylinder und den beiden Kolben: nahezu luftdichte Passung mit geringer Reibung und hoher Abriebfestigkeit.

Aufgrund der einfachen Konstruktion dieses Systems entstehen dabei auch keine Stoßbelastungen, wie bei herkömmlichen Ventilsystemen mit Nocken und Stößeln, weshalb dieser Motor auch deutlich ruhiger läuft.

Steuerungssystem

Wie bei einem Viertaktmotor üblich, muss die Achse des Ventils und auch die Steuerung des Zündfunkens nur halb so schnell drehen, wie die Kurbelwellen die die Kolben antreiben. Wie schon häufiger habe ich hierbei von Kunststoffzahnriemen Gebrauch gemacht, wodurch ich eine große konstruktive Freiheit bekommen habe und die Steuerung nahezu geräuschlos dreht, ohne eine aufwendige Schmierung. Ich habe mich hierbei dafür entschieden zwei besonders kleine Zahnriemen zu verwenden und diese nebeneinander zu montieren. Beide Zahnriemen laufen dabei auf demselben großen Zahnrad, welches daher doppelt so breit ist, wie die beiden Zahnriemen. Dieses große Zahnrad sitzt auf der Achse des Schwungrades und besitzt doppelt so viele Zähne, wie die beiden Zahnräder auf den beiden Kurbelwellen, wodurch die Untersetzung im Verhältnis 1 zu 2 entsteht. Zwei verstellbare Spannrollen sorgen für den richten Anpressdruck und die leicht erhöhten Seitenkanten halten die Riemen sauber „in der Spur“. Es wäre wahrscheinlich auch möglich nur einen Zahnriemen zu verwenden, allerdings denke ich, dass hier zum einen die saubere Einstellung deutlich komplizierter wäre und zudem ein sicheres Eingreifen in das große Zahnrad schwierig zu bewerkstelligen ist.

Ich habe Polyurethan-Zahnriemen mit einer Teilung von 2,5 mm und einer Breite von 6 mm verwendet und die Zahnräder dafür selbst gefertigt. Es ist aber natürlich auch möglich andere passende Zahnriemen zu benutzen und Zahnräder zu verwenden, die serienmäßig im Handel erhältlich sind – sie müssen nur in die Konstruktion passen. Im Prinzip könnte man auch drei ineinandergreifende Zahnräder verwenden allerdings habe ich weder die Maschinen, noch die Erfahrung, solche Zahnräder in diesen Größen selbst zu fertigen

Das Zündsystem

Wie bei meinen anderen Verbrennungsmotoren habe ich auch hier wieder mein aus einem Gasfeuerzeug gefertigtes Miniatur-Zündsystem verwendet.

Diese günstigen Gasfeuerzeuge findet man in diversen Internetshops oder bei Amazon unter der Bezeichnung „Kitchencraft gas lighter“.

Auf meiner Internetseite www.ridders.nu findet man Informationen dazu, wie ich die Schaltung für meine Bedürfnisse angepasst habe. Dieses Zündsystem ist so klein, dass es sich einfach in den hölzernen Sockel des Motors einbauen lässt – einschließlich der benötigten 1,5-Volt-Mignon-Batterie. Der Zündfunke wird ausgelöst durch einen Reed-Kontakt, der mit einem Neodym-Magnet im Starterrad, welches auf dem Schwungrad sitzt, geschaltet wird. Das Starterrad muss auf der Achse in einer Stellung festgesetzt werden, sodass der Zündfunke exakt in dem Moment ausgelöst wird, wenn die Kolben am dichtesten beieinander stehen und die maximale Kompression erreicht wird.

Natürlich ist auch jedes andere Zündsystem verwendbar – viele Modellbauer haben da ja ihre eigenen Konstruktionen.

Der Benzindampf-Vergaser

Diesen universell anpassbaren Vergaser verwende ich für alle meine Verbrennungsmotoren und habe dafür separate Zeichnungen angefertigt.

Während des Einlasstaktes des Motors wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch oberhalb des flüssigen Kraftstoffs im Vergaser in den Zylinder gesaugt. Durch das Ansaugen entsteht ein Luftstrom, der das Gasgemisch mitreißt. Der molekulare Benzindampf verbrennt normalerweise komplett, sodass keine Gefahr einer „nassen“ Zündkerze besteht, wie es beispielsweise bei einem normalen Vergaser der Fall ist, bei dem mehr oder weniger feine Benzintropfen in den Zylinder gezogen werden. Das Gasgemisch besteht aus ungefähr 14 Teilen Luft und einem Teil Kraftstoffdampf, welches eine optimale Verbrennung ergibt. Sollte der Benzindampf oberhalb des flüssigen Treibstoffs nicht dieses Verhältnis haben, so kann mit einem Regler auf dem Auslass des Vergasers das optimale Verhältnis von 1 zu 14 eingestellt werden.

Diese Art Vergaser ist deutlich einfacher anzufertigen als die klassische Ausführung, bei der eine Venturi-Düse, ein Gasventil und eine Regelnadel anzufertigen sind. Eigentlich ist dies nur ein Tank mit einem simplen Einlass und Auslass, wie auf den hier gezeigten Zeichnungen gut zu sehen ist.

Der Vergaser wird ungefähr zur Hälfte mit herkömmlichem Autobenzin oder mit dem sogenannten „Coleman Fuel“ gefüllt. Dieser Brennstoff wird häufig für Campingkocher verwendet, insbesondere, weil er nahezu geruchlos ist. Coleman Fuel besteht zudem aus deutlich weniger verschiedenen Kohlenwasserstoff als herkömmliches Autobenzin, was seine Verbrennungseigenschaften sehr viel stabiler macht.

Die Einstellung des Motors

Das einmalige Einstellen des Motors ist erstaunlich einfach:

1. Lösen Sie die beiden Schrauben an den Kurbelwellen der Zahnräder und bewegen Sie die beiden Kolben in die Stellung, in der diese am nächsten beieinander stehen. Dies ist die Position, in der das Auslassen der Verbrennungsgase beginnt.

2. Drehen Sie in dieser Kolbenposition die Schrauben des großen Zahnrades los und drehen Sie das Schwungrad so, dass die Auslassbohrung im Bolzen des Auslassventils mit der Öffnung in seiner Umhausung zu überlappen beginnen. Dies kann wie folgt kontrolliert werden:

- Entfernen Sie die Zündkerze und blasen Sie in die Öffnung des Auspuffs und drehen Sie dabei langsam das Schwungrad. - Stoppen Sie die Drehung des Schwungrades genau in dem Moment, wenn Sie die Luft durch die Öffnung des Zylinders zischen hören. Schrauben Sie das große Zahnrad in genau dieser Position wieder auf der Schwungradachse fest. In dieser Stellung müssen die beiden Kolben in der geringsten Entfernung zueinander sein, da dies der Moment ist, wenn der Ausstoß beginnt.

Die Richtung, in die das Schwungrad gedreht wird, soll auch die spätere Laufrichtung des Motors darstellen.

3. Drehen Sie nun das Schwungrad eine ganze Umdrehung weiter, wodurch die Kolben wieder in die dichteste Stellung zueinander kommen. Dies ist der Zeitpunkt des Kompressionstaktes, und in diesem Moment muss die Zündung durch den Funken der Zündkerze erfolgen. Verdrehen Sie nun das Starterrad so auf der Schwungradachse, dass der Magnet darin den Reed-Kontakt schaltet und setzen Sie das Starterrad wieder mit seiner Schraube auf der Achse fest.

Die elektronische Zündung aus einem Gasfeuerzeug


Das Starten des Motors

Öffnen Sie den Regler auf dem Vergaser zunächst ganz, sodass zusätzliche Luft in das Gasgemisch kommt und ein mit deutlich mehr Luft versehenes Gemisch in den Zylinder kommt. Drehen Sie den Motor beispielsweise mit einer Bohrmaschine durch. Hierzu muss die Bohrmaschine mit einem Hilfsstück versehen sein, welches in die Öffnungen im Starterrad greift. Drehen Sie währenddessen den Luftregler langsam weiter zu, bis der Motor startet. Dann ist das optimale Luft/Benzingemisch von 14 zu 1 erreicht. Rund um diese Einstellung läuft der Motor am besten. Durch ein wenig Hin- und Herdrehen des Luftreglers auf dem Auslass des Vergasers lässt sich die Drehzahl des Motors zwischen 600 und 1.100 pro Minute regeln.

Fazit

Aufgrund der Verwendung von perlitischem Gusseisen für Zylinder und Kolben, den Verzicht auf Kolbenringe und die relativ geringe Drehzahl ist eine zusätzliche Kühlung und Schmierung überflüssig. Zusammen mit den einfachen Kurbelwellen ist diese Konstruktion eines Viertaktmotors recht einfach. Einen Film des Motors finden Sie in YouTube unter https://www.youtube.com/watch?v=FYu1Ba7CLfs

Aus Platzgründen drucken wir den Bauplan dieses Motors hier verkleinert ab. Ein Nachbau ist dank der Bemaßungen aber ohne Probleme möglich. Den kompletten Bauplan auf 9 Blatt DIN A4 erhalten Sie unter der Bestellnummer 60.12.023 beim Zeichnungsarchiv (Tekeningenarchief) der Nederlandse Vereniging van Modelbouwers.