Vakuummotor/Flammenfresser (09.2005 und 11.2009)

Die Idee, sich mit Heißluftmotoren auf einer Homepage auseinander zu setzen reifte bei mir, als mir der Heißluftmotor aus meiner Kindheit  mal wieder in die Hände fiel. Und wie das im Leben so ist, man hütet seine Jugenderinnerungen wie einen Schatz und will sich nach Jahren das Motörchen mal wieder anschauen und bekommt feuchte Augen, nicht nur weil Jugenderinnerungen wach werden, sondern weil der Motor nicht mehr so aussieht wie damals. Ich war schon kurz davor den Motor wegzuwerfen, doch dann habe ich mich entschlossen (ich hatte leider zu diesem Zeitpunkt weder Dreh- noch Fräsmaschine) eine Restauration durchzuführen. Wie auf den Bildern zu sehen, hatte der Motor aus dem Jahr 1952 die Zeit nicht so überlebt, wie es hätte sein müssen. Die Gussteile (Zinkdruckguss) des Motors wie Kurbelwellengehäuse mit Wasserkühlung sowie das Schwungrad waren durch Zinkfraß ("Zinkpest") regelrecht zerbröselt. Nur die Eisenteile wie Zylinder mit Kolben, Pleuel, sowie das Ein- und Auslassventil und die Kurbelwellenlager waren in Ordnung. An Ersatzteile zu denken war illusorisch, da die Firma Honsel KG (Hangelar/Siegkreis) schon sehr früh die Produktion dieses Motors einstellte.
Damals war dieser Motor neben den sonst üblichen Dampfmaschinen schon etwas besonderes. Es ist ein Rebi-Heißluftmotor, der in die Kategorie der Vakuummotoren (auch Flammenfresser genannt) gehört.

Bedienungsanleitung Rebi-MotorBedienungsanleitung Rebi-MotorBedienungsanweisung Rebi-Motor
Bedienungsanleitung des REBI-Motors als pdf
Original Rebi-Motor durch Zinkpest zerbröseltOriginal Rebi-Motor durch Zinkpest zerbröselt
 So ungefähr sah der Motor aus, bevor ich ihn restauriert habe.

Wie zieht man so eine Restauration durch? , indem man aus Messing die erforderlichen Gussteile "nachempfindet".
Alles wurde in mühevoller Handarbeit ausgesägt , passend gefeilt und verlötet. Ja, das war richtig Arbeit, aber was soll man machen, wenn man zu diesem Zeitpunkt noch keine Fräsmaschine hat. Es lebe die alte Handwerkskunst.
Das Schwungrad habe ich allerdings auf meiner, inzwischen zugelegten, Drehmaschine angefertigt. Eine kleine Fräsmaschine habe ich mir dann auch noch gegönnt.

Rebi-Vakuummotor1Rebi-Vakuummotor2Rebi-Vakuummotor3Rebi-Vakuummotor4


Die untere Reihe zeigt den fast Originalmotor (Ausparungen im Schwungrad gab es nicht)

Dieser Rebi-Motor ist insofern eine Besonderheit, weil er sich sehr schön über das Auslassventil (Video) in der Drehzahl verstellen lässt, indem die Sprunghöhe des Flatterventils eingestellt wird.

Das Typenschild des Motors:


 

Der Brenner des Motors:
Brenner Rebi-MotorBrenner Rebi-Motor

Nachtrag (11.2010):
Nachdem ich den Nachbau des Rebi-Flammenfressers erfolgreich beendet hatte und ich gemerkt habe, wie gut ein Kolben aus Graphit funktioniert, habe ich mich entschlossen, das Original ebenfalls auf Graphitkolben umzurüsten. Der Motor musste mittlerweile mit dem Gusskolben sehr lange vorgeheizt werden, bis er "ansprang". Ich kann  mich noch erinnern, dass man bei diesem Motor, auch als er neu war,  fast 5 Minuten vorheizen musste. Das wurde im Laufe der Zeit immer schlechter. Mit dem Graphitkolben ist es ein Genuss diesen Motor anzuwerfen. Er läuft nach wesentlich kürzerer Vorheizzeit gegenüber dem Gusskolben an. Wenn sich Schwitzwasser bildet, bleibt der Motor zunächst einmal stehen, bis das Schwitzwasser verdampft ist.  Die Leerlaufdrehzahl  ist wegen der geringeren Reibung höher und die Höchstdrehzahl hat sich merklich verbessert.
Der Umstieg auf Graphitkolben war ein voller Erfolg
Einen Nachteil will aber nicht verschweigen: wenn der Graphitkolben in einem Eisenzylinder läuft, dann ist die Gefahr groß, dass das Schwitzwasser den Zylinder anfällig für Rost macht, denn hier wird ja nichts mehr geschmiert. Daher Motor immer gut vorwärmen.



Ein Tipp zum Drehen von Graphit:
Graphit läßt sich sehr gut auf der Drehmaschine und Fräse bearbeiten. Die Schneidwerkzeuge müssen gut geschliffen sein. Wenn beim Drehen oder Fräsen von Graphit mit der gleichen Geschwindigkeit wie beim Drehen von Stahl, Messing und Alu gearbeitet wird, gibt es eine Riesensauerei. 
Ich bearbeite daher dieses Material nur, indem ich das Werkstück bzw. das Futter von Hand drehe. Die Zustellung wird nicht zu groß gewählt, max. 5/10 mm, sonst splittert das Graphit. Bei dieser Vorgehensweise rieselt das Graphit schön langsam herunter und ich kann es mit einem kleinen Behälter auffangen. Es gibt so gut wie keine Staubentwicklung. Beim Längsdrehen stelle ich den automatischen Vorschub ein.


Nachbau des Rebi-Heißluftmotors (11.2009)

Da der Rebi-Motor wegen des Auslassventils ein schönes kerniges Lanz-Geräusch hat, habe mich entschlossen, diesen Motor in modifizierter Form nachzubauen. 
Als Grundlage wurde der Flammenfresser von Bachmann herangezogen. Zunächst habe ich Skizzen vom Original-Rebi-Motor und Teile des Bachmann-Motors angefertigt.
Es ist zu beachten, dass der Motor von Bachmann nicht direkt mit dem Rebi-Motor verglichen werden kann, denn der Rebi-Motor hat im Gegensatz zum Bachmann-Motor ein Auslassventil. Daher auch die anders geformte Steuernocke des Bachmann-Motors.
Die Kurbelwelle habe ich entgegen dem Bauplanvorschlag geteilt, nachdem sich herausgestellt hatte, dass ohne Justierhilfsmittel kein vernünftiger Rundlauf der Kurbelwelle zu erreichen ist, wenn sie, wie vorgesehen, zu einer Einheit hart zusammengelötet wird.

Einzelteile Flammenfresser Rebi NachbauNachbau Flammenfresser RebiNachbau Flammenfresser RebiNachbau Flammenfresser Rebi

Beide Kurbelwangen müssen nun jeweils in zwei Kugellagern geführt werden. In eine Kurbelwange wird ein Schlitz gefräst, in den der Stift der anderen Kurbelwange eingreift. Die Nockenscheibe ist ähnlich geformt wie beim Rebi-Motor und der Zylinder erhält einen Zylinderkopf mit Einlassschieber und Auslassventil (Flatterventil). Der Arbeitskolben wurde aus Graphit hergestellt. Auf dem linken Bild sind die Einzelteile aufgeführt, die rechten Bilder zeigen den fertigen Motor. Die Nockenscheibe ist aus Messing, das kugelgelagerte Andrückrad, der Einlassschieber, das Auslassventil und die Einlassschieberstange sind aus Eisen.
Sehr elegant wurde beim Originalmotor das Zurückholen und Anpressen des Einlassschiebers mit nur einer Feder an der Einlassschieberstange gelöst.. Das habe ich natürlich auch beim Nachbau übernommen, ist auf dem Bild nur verdeckt zu erkennen.
Die Nocke habe ich übrigens ganz einfach hergestellt:
erst mal der Drehmaschine auf  21 mm rundgedreht, dann mit einer Schablone einen großen Halbkreis so angerissen, dass sich später ein Hub von ca. 6 mm ergibt, dann auf der Schleifmaschine den Halbkreis grob vorgeschliffen und  mit einer Feile den Rest sauber hingefeilt. Ist zwar ein bisschen Arbeit, aber das Resultat ist  einwandfrei, wenn man feilen kann (Detailfoto der Nocke).
Die Steuerzeiten des Originalmotors sind bei Drehung im Uhrzeigersinn ungefähr:
Einlassventil beginnt zu schließen bei ca. 80°- 90° und ist bei ca. 120° geschlossen. Einlassventil beginnt zu öffnen bei ca. 350°-360°
Die Steuerzeiten werden optimal mit Verdrehen und Fixieren der Nocke festgelegt. Ich habe die Nocke so eingestellt, dass in Ruhestellung (Nocke steht senkrecht) der Kolben ca. 70° steht. Siehe hierzu auch die Bilder.
Der Motor "läuft" selbst mit dem kleinen Schwungrad ( 70 mm Ø und ca. 200 g schwer) phantastisch.
Eine Eigenart hat der Flammenfresser wenn er kalt ist. Er "springt" zwar beim Anlegen der Flamme sofort an, bleibt dann aber, je nachdem wie stark sich Schwitzwasser bildet, stehen. Das macht sich beim Graphitkolben gegenüber einem Gusskolben stärker bemerkbar, weil hier die Reibung zu groß wird. Ist der Motor jedoch insgesamt angewärmt, dann steht einem tadellosen Lauf nichts mehr im Wege.
Habe inzwischen das große Schwungrad ( 90 mm Ø und ca. 320 g schwer) ausprobiert und der Motor funktioniert  hiermit genauso gut, d.h. er erreicht auch die Höchstdrehzahl wie mit dem kleinen Schwungrad, der Langsamlauf ist mit großen Schwungrad allerdings etwas besser, trotzdem habe ich das große Schwungrad auf  280 g abgespeckt, damit die Drehzahländerung nicht ganz so träge erfolgt.
Ein Flammenschutz wie beim Originalmotor hat sich nicht bewährt, da die Flamme in ihrem Brennverhalten gestört und dann bei hohen Drehzahlen ausgeblasen wird, bzw. die hohen Drehzahlen auch nicht mehr erreicht werden.
Das Bild zeigt, dass dieser Motor seinem Namen "Flammenfresser" wahrlich gerecht wird. Auf dem Bild ist bei genauem Betrachten zu erkennen, dass der Docht des Brenners aus Messinggaze ist. Das ist neben einem Glasfaserdocht auch eine gute Möglichkeit einen lebenslangen Docht zu erhalten. Die Gaze gibt es bei http://www.hytta.de 

Änderungen:
- habe den Einlassschieber aus Graphit gemacht. Es hat sich herausgestellt, dass am Einlassschieber - obwohl hochglanzpoliert - kleinste Messingpartikel haften bleiben und dadurch auf dem polierten Zylinderkopf  leichte Riefen entstehen. Beim Originalmotor ist der Zylinderkopf aus Gusseisen und der Schieber aus Messing und bei dieser Kombination habe ich keine Probleme feststellen können. Beim Auslassventil treten diese Probleme nicht auf, weil hier nur eine vertikale Bewegung erfolgt. Der Graphit-Einlassschieber hat sich inzwischen bewährt und hat den großen Vorteil, dass die bewegliche Masse reduziert ist und obendrein ist die Reibung dieses Schiebers auf  Messing geringer. Das alles kommt der  Drehzahl zugute. Ich erreiche jetzt mehr als 1200 U/Min. Einen Flammenfresser mit diesem Drehzahlbereich (400- knapp 1300 U/Min) habe ich bisher noch nicht gesehen!
- eine weitere Änderung betrifft die Geräuschbildung. Gewollt ist das "Auspuffgeräusch" des Auslassventils. Es treten aber an dem Nocken-/Andrückrad und der Einlassventilstange metallische Geräusche auf, die nicht gewünscht sind. So gibt es am Andrückrad nicht nur horizontale, sondern auch vertikale Kräfte.  Diese vertikalen Kräfte reiben die Hülse, in der die Einlassschieberstange nur punktuell geführt wird, immer mehr auf, so dass hier zuviel Spiel und damit Klappergeräusche entstehen.  Ich habe hier die Einlassschieberstange in Teflon geführt.  Mal sehen, ob sich das bewährt.
Das Andrückrad habe ich nun aus Delrin angefertigt. Es gibt jetzt praktisch außer dem Auslassventil keine metallischen Klappergeräusche mehr.

Für mich ist dieser Motor in dieser Bauart das absolute Non-Plus-Ultra!
Es war und ist auch eine große Herausforderung diesen Motor so hinzubekommen.

Eine Besonderheit dieser Bauart ist die Drehzahlverstellung über einen Gashebel. Im Video kann man sehr schön die Gashebelfunktion erkennen. Eine Schnellverstellung ist auch mit dem Finger auf dem Auslassventil zu erreichen. Da werden Jugenderinnerungen wach, als man an seinem Moped mit dem Gasgriff gespielt hat und auch der Sound erinnert etwas an die legendäre Horex. 
Der Motor ist vorgeheizt, um Schwitzwasserbildung zu vermeiden. Nur so die hervorragende Drehzahländerung von ca. 400 U/Min auf ca. 1300 U/Min über den Gashebel zu erreichen.
Der Motor "rennt" mit einer Füllung ca. 1 Std. und ich habe ihn auch mal eine Stunde bei kleinster Drehzahl durchlaufen lassen. Die Drehzahl bleibt dabei sehr gut konstant, wenn die Flamme nicht gestört wird. Der Zylinder erreicht aussen ungefähr 60-70 Grad Celsius, die Bodenplatte wird nur handwarm.
Ein interessantes Verhalten dieses Motors konnte ich bei einer bestimmten Drehzahl (ca. 500U/min) feststellen. Das Auslassventil öffnet nicht mehr bei jedem Kolbenhub zum OT, sondern nur noch bei jedem 2. Hub. Und bei dieser Drehzahl kann sogar das Auslassventil zugehalten werden und der Motor läuft mit der gleichen Drehzahl weiter. Hier tritt anscheinend eine Art Resonanzeffekt auf. Dieses Phänomen gibt es wohl nur, wenn der Kolben fast ohne Reibung im Zylinder läuft. Ein Video hierzu habe ich hier

Erfolgreicher Nachbau des Rebi-Motors von anderen Modellbauern:

Rebi-Nachbau  von Stefan Bernhofer:
Rebi-Motor von Stefan BernhoferRebi-Motor von Stefan BernhoferRebi-Motor von Stefan BernhoferRebi-Motor von Stefan Bernhofer
 
 

Rebi-Nachbau von Dieter Gerblinger:

Laufbuchse und Kolben stammen aus einem Flugzeug-Modellmotor


Von Thomas Koch erhielt ich vorläufige Zeichnungen für den Rebi-Nachbau. Durch Maßkorrekturen bedingt, sind die Zeichnungen teilweise nicht maßstabsgetreu. Nicht gezeichnete Teile sind in meiner Skizze zu sehen. Eine 3D-Animation des Motors kann hier runtergeladen werden.

Rebi-Nachbau der Zweite

Nachdem ich den Rebi-Motor auf Graphitkolben umgestellt hatte, war noch der schöne Gußkolben übrig. Den konnte ich nicht mehr im alten Rebi-Motor einsetzen, da ich den Zylinder etwas aufgerieben hatte, um die vorhandenen Riefen zu entfernen. Somit hatte der Kolben jetzt zuviel Spiel. Also was machen mit dem Kolben?, na klar, einen weiteren Rebi-Nachbau herstellen. Hier sind schon einmal die ersten Brocken zu sehen. Der Kolben hat Ø 29 mm und wird ein Hub von 40 mm bekommen und läuft in einem Eisenzylinder. Den Zylinder habe ich passend für den Kolben zeitaufwendig aufgerieben und eingeschliffen, mit dem Ergebnis einer hervorragenden Kompression. Ein gutes Ergebnis ist daran zu erkennen, dass der Kolben bei offenem Zylinder locker durchfällt, aber bei geschlossenen Zylinder nur unmerklich absackt oder beim Reindrücken wieder auf die Ausgangsstellung zurückfedert.



Obige Bilder zeigen die Entstehung des Motors mit Detailfotos 

Die Kurbelwelle habe ich dieses Mal nicht getrennt, sondern in einem Stück gefertig mit einem Kugellager für das Pleuel. Hartlöten ist in diesem Fall wegen zu großer Hitzeentwicklung nicht gut, besser ist weichlöten. Ich habe weder das Eine noch das Andere gemacht, sondern mit Loctite 648 "Fügen Welle Nabe" fixiert. Das funktioniert gut, wenn die Wellen passgenau in die Kurbelwangen gehen. Die Kurbellagerböcke sind ca. 1mm tief ind die Grundplatte eingelassen, somit sind sie später sauber parallel ausgerichtet. Die Kugellagersitze sind soweit aufgerieben, dass die Kugellager durchfallen, so können sie noch etwas in ihrer Lage korrigiert werden. Das ist wichtig, damit die Kurbelwelle nicht klemmt. Ein Hauch von Ungenauigkeit und die Kurbelwelle geht schwergängig.
Dieser Rebi-Nachbau soll in der Drehzahl gemächlicher werden. Es wird ein Schwungrad mit ca. 100 mm Ø und ca. 400g schwer zum Einsatz kommen.
So, langsam nimmt der 2. Rebi-Nachbau Gestalt an. Jetzt fehlt nur die Nocke und der Einlassschieber. Die Flächen für das Ausslass- und Einlassventil müssen nach dem Fräsen geschabt werden, damit sie schön plan und glatt sind. Das geht sehr gut mit einem Vierkantdrehstahl. Diese Stähle sind so gut geschliffen, dass sie als Schaber verwendet werden können. Das Einlassventil ist nicht wie auf dem Bild zu sehen aus Eisen, sondern aus Graphit.
Es ist vollbracht, der zweite Rebi-Nachbau ist bis auf die Grundplatte fertig. Auch dieser Motor funktioniert, aber aufgrund der größeren Reibung des Gußkolbens ist er bei weitem nicht so drehfreudig wie der Rebi mit Graphitkolben und springt auch schlechter an.
Ganz so gemächlich ist der Motor nun doch nicht geworden. Dazu müßte das Schwungrad viel größer und schwerer werden.

Hochinteressant ist das Verhalten des Motors beim Verändern der Steuerzeiten:
Wird die Nocke so eingestellt, dass das Einlassventil bei etwas mehr als 360° gerade wieder öffnet,  um warme Luft einzusaugen, dann ist die Drehzahl stark reduziert und der Motor läßt sich nicht mehr in der Drehzahl regulieren. Erst wenn die Nocke so verdreht wird, dass das Einlassventil etwas früher bei ca. 350° öffnet, also wenn der Kolben noch nicht den OT errreicht hat, dann bringt der Motor Drehzahl und mehr Leistung und muss auch mit höherer Drehzahl angeworfen werden. Man hat das Gefühl, es ist wie beim Einstellen von Ottomotoren auf Frühzündung. Da gibt es auch ohne Verstellung auf Frühzündung keine Leistung.

Ich habe dies mal versuchweise (Video) durchgeführt, um zu zeigen, wie langsam dieser Motor noch drehen kann. Für diese Motorgröße schon erstaunlich.
Habe die Nocke aber wie beim Original-Motor eingestellt, d.h. die Drehzahl geht von ca. 200 U/min bis auf 1000 U/min.
Ein Problem von Vakuummotoren ist die Schmierung. Die Produktionsreihe von Rebi-Motoren ohne Wasserkühlung hatten eine Öffnung zum Schmieren mit Petroleum, was auch in der Betriebsanleitung so stand. Die Baureihe mit Wasserkühlung hatte diesen Schmiernippel nicht mehr. Ich nehme an, dass die damaligen Konstrukteure gemerkt haben, das der Gußkolben nicht unbedingt geschmiert werden müsse. Ich habe das jetzt bei 2. Nachbau auch nicht gemacht und siehe der Motor läuft auch ohne Schmierung gut.  Ein Kriterium muss der Motor erfüllen: ->der Motor muss beim Anwerfen ohne Flamme bei angehobenem Auslassventil wenigstens 5-10 Umdrehungen machen, ansonsten wird er nicht vernünftig laufen. Ich betreibe den Motor ohne Schmierung mit Unterstützung von etwas  Graphitpulver. Dazu habe ich den Kolben und Zylinder zuvor mit Benzin gereinigt.
Für den Nachbauer von Flammenfressern empfehle ich wegen der geringeren Reibung Graphitkolben einzusetzen. Die Leistung von Flammenfressern ist erbärmlich, wie ich jetzt wieder beim 2. Rebi-Nachbau feststellen konnte. Industriell waren in der Frühzeit (ca. 1900)  Vakuummotoren im Gegensatz zu Stirlingmotoren nie eingesetzt.
Ich habe auch diesen Motor auf Graphitkolben umgestellt und im Gegensatz zum ersten Nachbau mit Graphitkolben macht dieser Motor bislang keine Probleme beim Kaltstart und ich habe dafür keine Erklärung, genausowenig, warum dieser 2. Nachbau ein viel stärkeres Lanzgeräusch hat.
Einziges Problem ist die Schwitzwasserbildung und damit Rostgefahr für den Zylinder, wenn er aus Eisen ist. siehe oben Rebi-Motor.
Eines möchte ich noch klarstellen: ein kleiner Vakuummotor mit Metallkolben "springt" ohne Vorheizen und viel Anwerfen nicht so leicht an, wie es immer wieder in Videos gezeigt wird. Das mag vielleicht für die großen Typen gelten, bei denen das Schwungrad einiges ausgleicht.
Der Rebi-Nachbau Nr. 2 ist wohl der krönende Abschluß meiner "Flammenfresser-Karriere", denn dieser Motor hat nun 2 Verstellmöglichen der Geschwindigkeit, nämlich einmal über das Verschieben der Flamme in Richtung Einlassschieber und zum anderen über den Gashebel. So kann die Geschwindigkeit doppelt von langsam bis schnell geändert werden.

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