Manson-Motor, Manson Hot Air Engine (01.2010)
Der Manson-Motor ist zwar auch ein Heissluftmotor, aber k e
i n ! Stirlingmotor, da er für den Druckausgleich eine Öffnung
hat und somit kein geschlossenes System darstellt.
Den Manson-Motor möchte ich in ähnlicher Bauweise wie den
Originalmotor
von 1952 nachbauen.
Für einen ersten Versuch habe ich schon mal Arbeitszylinder und
Arbeitskolben aus einer 10 ml Glasspritze vorbereitet:
Manson-Motor ein erster Entwurf mit Bild 1 - Bild 2 - Bild 3 und Bild
4
Der Arbeitszylinder wird in ein Alurohr mit dem Belüftungsschlitz
eingeklebt. Dieses Teil wird dann in den Kühlkörper eingebaut.
Der Druckausgleich erfolgt innen über den Kolben über eine Öffnung
in der Pleuelbefestigung. Der Arbeitskolben wird vorne mit dem Verdrängerkolben
luftdicht verschlossen. Der Verdrängerkolben wird in den Arbeitskolben
geschraubt, um mögliche Änderungen leichter durchführen
zu können, Der Kühlkörperr und das Grundbrett mit Schwungrad
ist mittlerweile auch fertig.
Ich bin noch am Überlegen, ob der Druck im geschlossenen Verdrängerkolben
so groß werden kann, dass das Glas platzt. Bei 100° C steigt
der Druck im Verdrängerkolben gegenüber Normaldruck von 1060
mbar um ca. 300 mbar an, das dürfte noch unkritisch sein. Ich habe
trotzdem eine Ausgleichsbohrung durch den Arbeitskolben vorgesehen.
Die Reagenzgläser für den Heizzylinder und Verdrängerkolben
habe ich bei http://www.basteln-co.de gekauft, einmal 24/21,5 mm
außen/ innen und 20 mm außen. Sie sind angeblich aus Borosilikat
und damit feuerfest.
Der erste Probelauf ging in die Hose. Es ist mir zwar gelungen mit
viel Hitze den Motor ganz müde zum Drehen zu bringen.
Jetzt fängt das Grübeln an, warum läuft der Motor so
lustlos?
Mit einem "Schweißbrenner" einen Stirlingmotor zu betreiben,
wie ich es oft auf youtube und ähnlichen Plattformen sehe, ist nicht
mein Ding. Ein Heißluftmotor (Modell) muss auch mit einem Teelicht
funktionieren.
Es könnte sein, dass der Arbeitskolben mit einem Durchmesser von
14 mm zu groß ist und somit das Volumen im Verdrängerzylinder
(Heizzylinder) zur Kolbenfläche nicht optimal ist, um den nötigen
Kolbenhub zu bekommen.
Vielleicht sind auch die Belüftungsöffnungen noch nicht optimal
auf den OT und UT abgestimmt. Möglicherweise ist die thermische Trennung
von Verdrängerkolben zu Arbeitskolben nicht groß genug.
Der Druckausgleich sollte schnell und präzise erfolgen. Bei Glas
ist ein Schlitz einfacher als eine Bohrung herzustellen.
Zu bedenken ist auch, dass der Verdrängerkolben sehr heiss wird.
Deshalb muss der Arbeitskolben thermisch vom Verdrängerkolben entkoppelt
werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Das Schwungrad ist unkritisch und kann sehr klein sein, der Original-Rupp-Motor
(Video) von www.stirlingmotor.com
funktioniert auch ohne Schwungrad.
Da mir das schlecht laufende Motörchen
keine Ruhe gelassen hat, habe ich meine grauen Gehirnzellen aktiviert und
nach dem Motto "dem Ingenieur ist nichts zu schwör", bin ich
an das Problem erst mal theoretisch rangegangen:
Das Luftvolumen zwischen Verdrängerkolben und Verdrängerzylinder
beträgt bei den oben genannten Reagenzgläsern ca. 3 cm³.
Wird dieses Luftvolumen nun einer Temperaturerhöhung von angenommen
100 ° C ausgesetzt, dann dehnt sich das Gas (Luft) um ca. 1/3 aus,
d.h. das Volumen vergrößert sich um etwa 1 cm³ ( siehe
Gasgesetz von Gay- Lussac). Bei einem Arbeitskolben von 15 mm Durchmesser
und einem Hub von 10 mm ist das zu verschiebende Volumen ca. 1,5 cm³.
Das bedeutet auf meinen Motor übertragen, dass bei dieser Temperaturdifferenz
von 100 ° C der Kolben nicht genügend bewegt, bzw. nicht genügend
Druck aufgebaut wird. Das passt auch zu der Tatsache, dass ich viel mehr
aufheizen musste, um ein Drehen zu erzielen. Jetzt veringern wir den Kolbendurchmesser
auf etwa 9 mm (Glasspritze 2 ml) dann ergibt sich ein zu verschiebendes
Volumen von ca. 0,75 cm³. Jetzt kann die Temperaturdifferenz von 100
° C locker den Kolben um 10 mm verschieben.
Ich habe also meinen Motor dahingehend geändert und siehe da,
jetzt schnurrt das Motörchen wie eine Nähmaschine mit dem typischen
Plop-Geräusch bei den jeweiligen Totpunkten. Im Video
ist dies eindrucksvoll zu sehen und zu hören. Die Drehzahl beträgt
knapp 1200 U/Min. Das auf dem Video zu sehende Teflonband ist zwar nützlich
zum schnellen Zerlegen des Motors, da aber der Kühlkörper sehr
heiß wird dehnt sich das Aluminium zu sehr aus, und der Verdrängerzylinder
klemmt nicht mehr vernünftig im Kühlkörper. Ich habe deshalb
den Verdrängerzylinder mit Epoxy in den Kühlkörper geklebt. |
Überarbeiteter Manson-Motor der gut funktioniert Der Blick in
den Kühler zeigt den Schlitz im Glaszylinder/Aluteil.
Achtung, wenn das Pleuel zu groß ist, hat es im Kolbenröhrchen
keinen Platz zum Gelenk.
Es muss dann die Pleuelbefestigung (mit Bohrung für den Druckausgleich)
wie bei meinem Motor durchgeführt werden.
Der Bauplan für den Manson-Motor:
Um einen gut funktionierenden Motor zu erhalten,
sind folgende Bedingungen einzuhalten:
Durchmesser Arbeitskolben ~ 1/2 Durchmesser
Verdrängerkolben
Hub ~ Durchmesser Arbeitskolben
|
Grundsätzlich gilt für alle Heißluftmotoren
mit Verdrängerkolben:
Der Arbeitskolbendurchmesser sollte immer
kleiner oder höchstens gleich Verdrängerkolbendurchmesser sein!
Das absolute Minimum an Flamme ist hier
zu sehen. Auch hier mußte ich gewaltig abdunkeln, um die Flamme zu
sehen.
Man höre und staune:
der Motor läuft mit einer Füllung bei kleinster
Flamme 210 Minuten mit einer Drehzahl von ca. 100 U/Min!
Statt Bohrungen im Glas habe ich Schlitze gesägt, dadurch ist der
Druckausgleich präziser und schneller. Hier muss man sich die Arbeit
machen die Schlitze und den Hub so zu gestalten, dass in den Totpunkten
gerade genügend Belüftungsöffnung freigegeben wird (Schlitz
ca. 4x1 mm).
Die thermische Entkopplung zwischen Verdränger und Arbeitskolben
gelingt ganz gut mit O-Ringen. Das ist auch besser, als Aluteile direkt
in das Glas zu kleben, denn wenn sich das Alu erwärmt, führt
das unweigerlich zu Glasbruch (Alu dehnt sich bei Erwärmung ca. 7
mal mehr aus als Borosilikatglas!).
Dass die thermische Trennung mit O-Ringen ganz gut funktioniert schließe
ich daraus, dass ich das Pleuel - entgegen meinen Vorschlägen - über
einen Alustöpsel direkt in den Arbeitskolben geklebt habe und ich
bisher damit keine Probleme hatte, d.h. der Arbeitskolben bzw. das Aluteil
bleibt kühl genug.
Ebenso habe ich den Arbeitszylinder auch in die Alubuchse mit Cyanacrylat
eingeklebt, nachdem ich den Arbeitszylinder schlitzbündig ausgerichtet
habe. Dazu nehme ich nur einen kleinen Tropfen mit einer Nadel damit das
Cyanacrylat kapillar nur in den Zwischenraum und nicht in den Zylinder
gelangt. Obwohl sich auch hier das Aluminium mehr ausdehnt als der Glaszylinder,
hat es bislang keine Probleme gegeben.
Ein weiteres Modell habe ich mit einem modifizierten
Fertigmodell (von www.stirlingmotor.com), das meinem Eigenbau ähnlich
sieht, realisiert. Hierzu musste ich nur das Pleuel verlängern und
den vorgegebenen Hub einhalten. Der Motor läuft phantastisch (Video),
mit groß eingestellter Flamme schafft er fast 2000 U/Min.
Anmerkung zum gekauften Rupp-Motor:
der Motor wird nach 10 Min. Dauerbetrieb "sauheiß" und trotzdem
bleibt er nicht stehen. Warum? Die gemessene Temperatur vorne am Heizzylinder
beträgt ca. 300° C und am Kühlzylinder mitte ca. 80°
C, d.h. die Temperaturdifferenz ist noch groß genug für den
weiteren Betrieb!
Die Bauart des Manson-Motors ist einfach, da Verdrängerkolben und
Arbeitskolben starr miteinander verbunden sind, trotzdem wurde der Motor
bislang nur von wenigen Modellbauern nachgebaut.
Jetzt weiß ich auch warum, siehe oben!
Inzwischen haben es aber etliche Modellbauer geschafft, den Manson-Motor
nachzubauen. Vielleicht haben meine Baubeschreibungen mit dazu beigetragen.
Der Manson-Motor hat im Vergleich
zu meinen Stirlingmotoren bei geicher Baugröße (Kolben, Verdränger,
zugeführte Wärmemenge) mehr Power. Dies ist eine rein subjektive
Feststellung, die meßtechnisch nicht überprüft wurde. Vermutlich
ist meine Euphorie hinsichtlich der Leistung des Manson-Motors lediglich
auf die Modellmotorgröße beschränkt. Es bleibt festzustellen,
dass durch den Druckausgleich keine besonders große Expansion/- bzw.
Kompressionsdrücke enstehen können, die unbedingt für
größere Leistungen erforderlich sind. Der Druckausgleich hat
wohl den Vorteil, dass die frische Außenluft kühler ist, als
wenn sie nur im geschlossenen System abgekühlt wird. Das heißt,
die Temperaturdifferenz zwischen aufgeheiztem und abgekühltem Luftvolumen
ist größer ist, und das bedeutet zwangläufig mehr Leistung.
Dass der offene Manson-Motor dem geschlossenen Stirlingsystem unterlegen
sein muss, schließe ich auch daraus, dass der Manson-Motor bei gleicher
Wärmezufuhr wie bei einem vergleichbaren Stirlingmotor viel heißer
wird, d.h. die zugeführte Wärmeenergie wird nicht optimal ausgenutzt. |
Ich habe die Zeichnung des Manson-Motors, wie er 1952 in der "Newnes
Practical Mechanic" beschrieben wurde, so geändert (gemäß
einer Patentanmeldung
DE 199 04 269 A1
von Michael Ruppel im Jahr 2000 ), dass sie technisch verständlicher
wird. Man beachte die Metamorphose vom Ursprungsmodell zum Rupp-Motor!
Die Funktionsweise dieses Motors kann wie folgt erklärt werden:
Sämliche Heißluftmotoren folgen dem einfachen physikalischen
Prinzip: - heiße Luft dehnt sich aus (Expansion) und kalte
Luft zieht sich zusammen (Kompression).
Ausgangslage: Das Schwungrad dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn
und bewegt den Kolben zum oberen Totpunkt (OT) , dann wird die aufgeheizte
Luft in den Kühlbereich gelenkt und kann sich dort abkühlen,
d.h. im System entsteht Unterdruck und der Kolben wird zum OT gezogen.
Im OT erfolgt der Druckausgleich. Das Schwungrad bewegt den Kolben weiter
Richtung unteren Totpunkt (UT) und verschließt die Öffnung.
Jetzt kann der Verdränger kalte Luft in den Heizbereich schicken,
d. h. im System steigt der Druck und der Kolben wird zum UT gedrückt.
Im UT erfolgt wieder Druckausgleich. Das Spiel beginnt von vorne.
Die Laufrichtung des Manson-Motors ist wie beim Ringbom-Stirling und
thermoakustischen Motor beliebig.
Der Verdrängerkolben ist thermisch vom Arbeitkolben isoliert,
da sich der Arbeitskolben immer im Kühlbereich befindet.
Versucht man den Kreisprozess eines Manson-Motors in einem idealisierten
pV-Diagramm darzustellen, dann stellt man fest, dass beim Manson-Prozess
von 1 nach 2 ein Volum- und Druckanstieg stattfindet im Gegensatz zum Stirling-Prozesses
und das ist schon verblüffend, d.h. der Manson-Prozess ist nur bedingt
mit Stirlingprozess vergleichbar!
Die frühere Aussage, das pV-Diagramm des Manson-Motors habe
Ähnlichkeiten mit dem Kreisprozess einer Gasturbinenanlage (Ericsson-Prozess),
kann - nach dem Hinweis eines aufmerksamen Besuchers (Dr. Klaus-Jürgen
Bladt, Rostock) dieser Seite - nicht mehr aufrecht erhalten werden.
Nähere theoretische Überlegungen zu diesem Motor gibt
es bei: http://www.jbladt.de
Meine Annahme es fände eine isobare Expansion statt, wenn der
Kolben von OT nach UT geht, ist falsch, denn dann könnte bei UT keine
warme Luft entweichen, d.h. es hat zuvor ein Druckanstieg stattgefunden!!
Umgekehrt findet, bevor der Kolben von von UT nach OT geht, ein Druckabfall
statt.
Anmerkung zum Manson-Motor:
Wenn ich den Manson-Motor mit meinem Alpha-Stirling im praktischen
Betrieb vergleiche, dann habe ich das Gefühl, dass beide Motoren ähnlich
arbeiten.
Vielleicht ist es ja möglich den Manson-Motor so umzubauen, dass
er als geschlossenes System mit nur einem Kolben funktioniert, quasi als
Alpha-Stirling mit nur einem Arbeitskolben.
Der Manson-Motor als geschlossenes System? (01.2016)
es scheint tatsächlich möglich, dass dies funktioniert.
Ich habe noch einen Manson-Motor bei dem man das Kurbelgehäuse
verschließen kann (siehe oben das Bild des käuflichen Manson-Motors),
so dass praktisch kein Druckausgleich erfolgt.
Das habe ich gemacht und der Motor funktioniert.
Ich muss allerdings dazu sagen, dass die Kugellager mehr oder weniger Luft
durchlassen, also nicht absolut dicht sind, um als geschlossenes System
zu gelten. Nur bin ich überzeugt davon, dass der Motor auch als geschlossenes
System funktioniert.
Warum?: Im Grunde genommen ist es egal, ob die Luft über
einen Verdränger zum Abkühlen oder Aufheizen hin und her geschoben
wird oder ob dies auf dem Weg über Ventile geschieht. Das geschlossene
Kurbelgehäuse wäre der Abkühlraum. Den Verdrängerkolben
beim Manson-Motor sehe ich nur als Hilfsmittel um das Luftvolumen zu verringern,
ähnlich wie ich es beim Alpha-Stirling gemacht habe.
Ich sehe meine Vermutung bestätigt, dass der Manson-Motor zu einem
Manson-Stirling, alias Alpha-Stirling, mutieren könnte. |