Verbrennungsmotoren haben einen schlechten Wirkungsgrad. Das heißt, dass die in Form des Kraftstoffs eingebrachte Energie schlecht in Kraft, also Arbeit, umgesetzt wird. Die Kaufauswahl des Modellmotors richtet sich kaum nach dessen Verbrauch pro Kilowatt und Stunde, sondern nach der nutzbaren Leistung. Dennoch hat der Wirkungsgrad indirekt einen sehr hohen Einfluss auf die Betriebssicherheit von Motoren.
Wohin verschwindet die eigentliche, jedoch nicht genutzte Energie des Kraftstoffs? Ohne jetzt die einzelnen Verlusttypen prozentual aufzuzählen, gilt, dass der Großteil der Energie in Form von ungenutzter Wärme buchstäblich verpufft. Logische Tatsache ist prinzipiell, dass – je heißer der Abgasstrahl – der in Arbeit umgesetzte Teil umso geringer ist. Je höher der Verlust, umso schlechter ist der Wirkungsgrad. Dass außerdem die an die kühlenden Flächen abgegebene Verbrennungswärme – die kontinuierlich entsteht und ebenso kontinuierlich energiegleich abgeführt werden muss – Verlustwärme bedeutet, verdeutlicht die negative Energiebilanz zudem.
Modellmotoren warten wegen ihres technisch simplen Aufbaus mit sehr schlechten Wirkungsgraden (weniger als 10 bis 15 Prozent; Neufahrzeug-Motoren mehr als 40 Prozent) auf. Sie unterliegen – zumal nur luftgekühlt – auch deswegen einer besonders hohen thermischen Belastung. Da sich eine ungekülte Wärmekraftmaschine durch Überhitzung kurzfristig sozusagen selbst zerstört, ist eine sichere Kühlung Bestandteil jeder Motorfunktion. Die hohe entstehende Wärmeenergie muss mehr oder weniger kompromisslos abgeführt werden. Denn die mechanische Festigkeit der Werkstoffe und die Druckfestigkeit des Ölfilms nehmen mit zunehmender Erhitzung überproportional ab. Beim Öl scheiden spätestens ab 250 Grad Celsius (°C) die Schmiergeister nicht mehr nur allmählich, und ein ebenso heißes Pleuelauge kann auch nur noch mit etwa der Hälfte der ursprünglichen (kalten) Festigkeit aufwarten. Aus dem allem folgt, dass die Betriebstemperatur möglichst niedrig gehalten werden soll. Dass es hier auch deutliche Untergrenzen gibt, sei angemerkt, aber das ist ein anderes Thema.
Der Grund, dass die Zylinder luftgekühlter Motoren mehr oder weniger üppig mit Kühlrippen bestückt sind, hat technisch gesehen seine Ursache in der Vergrößerung der Fläche, die die Wärme des Zylinders aufnimmt und an die Umgebung ableitet. Das leuchtet grundsätzlich ein: Die im Brennraum entstehende Wärme, die zudem dem arbeitenden Kolben im Zylinder hinterher eilt, wird an die Wandungen des Zylinderkopfs und der Zylinderlaufbuchse abgegeben. Diese leiten die Wärme nach außen weiter. Die äußere Oberfläche gibt diese Wärme an das dortige Medium Luft ab; die vorbeistreichende Luft transportiert die erhitzte Luft ab und führt kühle nach.
Die an und für sich logische Konsequenz könnte nun lauten: Je größer die Kühlfläche, umso mehr Wärmeenergie wird abgeführt. Sinngemäß: man verdoppelt die zu kühlende Fläche mittels Kühlrippen und kann somit die Kühlleistung verdoppeln. Oder noch schöner: Wir machen die Kühlrippen viermal größer und dadurch vervierfacht sich die Wärmeabfuhr. Pech gehabt, so einfach funktioniert Thermophysik leider nicht.
Der Wärmetransport wird zwar von der Fläche beeinflusst, die diese Wärme aufnimmt und abtransportiert. Auch wird er beeinflusst vom kühlenden Medium Luft, die am Motor vorbeiströmt. Beides geht aber leider nicht linear beziehungsweise proportional einher. Denn die Effektivität der Wärmeabgabe (der Kühlrippen) an die Außenluft hängt auch von deren Temperaturdifferenz ab. Ein Quadratzentimeter Kühlrippe mit 150 °C kann zeitgleich mehr Wärme an Luft mit 15 °C abgeben, als bei einer Lufttemperatur von 30 °C. Die Temperaturdifferenz ist es, die außer der Fläche den Kühlfaktor mitbestimmt. Und hier sind wir nun endlich am Kern der Sache angelangt: dem Abtransport der Verbrennungswärme vom Motorinneren nach außen bis zum letzten Ende der Kühlrippe hin.
Maßgeblich für die Abführung der Wärme von innen nach außen ist der Wärmeleitfaktor. Hier ergänzt sich der Werkstoff Aluminium nahezu perfekt. Aluminium ist leicht und verfügt über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Ideale Voraussetzung somit für leichte und luftgekühlte Modellmotoren.
Verfolgen wir kurz den Abtransport der Verlustwärme. Das im Entflammungskern rund 2.000 °C heiße Arbeitsgas erhitzt primär den Brennraum, den Kolbenboden und längs des Hubs abnehmend den Zylinder. Die vom Kolben aufgenommene Hitze wird über dessen Hemd, etwas behindert durch den isolierenden Ölfilm, an den Zylinder weitergeleitet, von dort aus geht es weiter nach außen auf die flächigen Kühlrippen. Der erhitzte Brennraum hat es etwas einfacher und gibt die Wärme direkt und auf kurzem Weg an die Verrippung des Zylinderkopfs ab. Über die Kühlrippen wird ein Teil der Wärme per Strahlung, der größere Teil per Kontaktübertragung an die vorbeistreichende Außenluft abgegeben. Ist keine Windgeschwindigkeit vorhanden, findet auch kaum Kühlung statt. Da ein Helikopter mit relativ wenig oder gar keinem Fahrtwind beaufschlagt wird, gibt es ein kräftiges Gebläse zur Zwangskühlung.
Eine Erhöhung der Gebläseleistung, die vom Motor abgezwackt wird und natürlich so klein wie möglich gehalten werden sollte, kostet deutlich zunehmend Leistung. Doch auch hier sind die Grenzen nah: Wird mehr Wärme innerhalb einer bestimmten Zeit zugeführt, als in der gleichen Zeit abtransportiert werden kann, steigt die Motortemperatur immer weiter an, bis entweder die Motorleistung zurückgenommen wird oder bis der Motor überhitzt kollabiert. Daher ist auch die immer wieder erwähnte Innenkühlung so ungemein wichtig.
Man muss den Motor stets mit ausreichend fetter Vergasereinstellung betreiben, da ein Teil der Wärmeenergie zusätzlich über die Innenkühlung (Stichwort Verdampfungswärme) abgeführt werden muss. Ein hoher Ölanteil im Kraftstoff führt mehr gespeicherte Wärme glühendheiß durch den Auspuff ab als kleine Ölmengen. Auch sollte man zwischendurch immer wieder die Leistung etwas zurücknehmen; schon kurzes Drosseln auf 75 Prozent Leistung senkt die Temperaturspitzen deutlich herab.
