Murmelmotor (05.2009)

Der einfachste Stirlingmotor bei dem das Prinzip der Heißluftmaschinen sehr anschaulich dargestellt werden kann, ist der "Murmelmotor" von Dr. Wilfried Schlagenhauf.Murmelmotor von Schlagenhauf Als Verdränger arbeiten Glaskugeln (marble displacer) in einem drehbar gelagerten Reagenzglas, an dem über eine Schlauchverbindung der Arbeitskolben angebracht ist. Der Arbeitskolben hebt das Reagenzglas bei Erwärmung an (Druckerhöhung im System) und und die heiße Luft wird über die sich bewegenden Glaskugeln in Richtung Arbeitskolben geschoben, wo sie sich abkühlen kann, d.h. das Reagenzglas senkt sich (Druckminderung im System). Jetzt bringen die Glaskugeln die abgekühlte Luft wieder in den Heizbereich, der Kolben wird wieder angehoben und das  Spiel beginnt von vorne. Der "Motor" ist der sich auf- und abwärtsbewegende Kolben.
Der Schlagenhauf-Motor ist schwieriger in Gang zu setzen, als es die Darstellung vermuten läßt. Bei diesem Motor ist es wichtig, dass der Drehpunkt des Reagenzglases einfach horizontal und vor allem vertikal verstellt werden kann. Als Arbeitskolben sind Glasspritzen 5ml geeignet, wenn als Reagenzglas eines mit 160 x 16 mm zum Einsatz kommt.
Das zu verdrängende Luftvolumen im Reagenzglas muss größer sein, als das Luftvolumen das sich beim Verschieben des Arbeitskolbens ergibt,
d.h. der Innendurchmesser Reagenzglas sollte größer sein, als der Innendurchmesser der Glasspritze.
Die Fischer Pneumatic-Ventile funktionieren zwar auch, sind aber viel schwerer in Auf- und Abwärtbewegung zu bringen, da deren Reibung meist zu hoch ist.
Bei der Glasspritze darauf achten, dass der Kolben leichtgängig "fluscht".
Zu Beginn des Experimentes ist es ratsam, den Arbeitskolben etwas anzuheben und dann die Schlauchverbindung zu schließen, so dass sich im Arbeitskolben bereits ein Luftpolster befindet. Hierbei ist der Drehpunkt so zu verstellen, dass die Kugeln in Richtung Arbeitskolben rollen. Wird jetzt die Flamme an das Reagenzglas gebracht, dann muss sich nach einer gewissen Zeit (ca. 2 Min.) der Arbeitskolben anheben und das "Spiel" beginnt, evt. ist die Höhenlage des Reagenzglases zu korrigieren, bzw. den Schlauch nochmal abziehen und den Arbeitskolben anheben.
Mit etwas Fingerspitzengefühl bekommt man das "Motörchen" zum Laufen. Wichtig ist auch, dass die Kugeln sauber rollen.
Hebt der Arbeitskolben das Reagenzglas nicht, dann ist das System undicht oder die Reibung des Arbeitskolbens zu groß oder die Flamme zu klein.
Nach einiger Erwärmzeit ist eine Korrektur der Höhenlage des Drehpunktes vorzunehmen.
Dieser Motor wird ohne Nachjustierung nicht längere Zeit (mehr als 5 Min.) durchlaufen können, denn durch geringe Undichtigkeiten des Systems und die allgemeine Erwärmung tritt eine Verschiebung des optimalen Arbeitspunktes ein.
Hier das  Bild und  Video  eines besonders großen Motores (Reagenzglas 28 mm Ø und Alukugeln), das mir von einem Modellbauer zur Verfügung gestellt wurde.

Man kann das Experiment auch so durchführen, dass man an ein Reagenzglas 160x16 gefüllt mit 5 Keramikkugeln direkt über eine Schlauchverbindung z.B. eine Glasspritze 10 ml oder kleiner anschließt. Die Glasspritze darf nicht zu groß sein, sonst bewegt sich der Kolben nicht genügend. Man hält das Reagenzglas waagerecht und heizt eine Weile auf. Nun bewegt man das Reagenzglas so, dass die Kugeln hin- und herrollen können und siehe da (Video), der Kolben bewegt sich synchron zu den Kugeln um 90° phasenverschoben. 
Die 90°-Phasenverschiebung ist besonders gut zu erkennen, wenn die Kugeln in Richtung Brenner rollen und damit Unterdruck im System entsteht. Im umgekehrten Fall (bei Druckerhöhung) ist die Phasenverschiebung wesentlich kleiner, sogar fast Null.
Erklärung: wenn die Kugeln in Richtung Brenner rollen wird die heisse Luft in Richtung Arbeitskolben geschoben und kann sich abkühlen, was Druckminderung bedeutet ( Kolben bewegt sich Richtung Brenner) , umgekehrt, wenn die Kugeln in Richtung Arbeitskolben rollen wird die kältere Luft in Richtung Brenner zum Aufheizen geschoben, was zur Druckerhöhung im System führt (Kolben bewegt sich entgegengesetzt)!!
Nun ersetzt man die Kugeln durch einen Verdrängerzylinder und koppelt Arbeitskolben und Verdränger um 90° versetzt über ein Gestänge an ein Schwungrad und schon ist der Stirling  fertig. Ja, ja die praktische Ausführung ist etwas komplizierter, dennoch dürfte spätestens jetzt, auch dem Leien,  die Funktion eines Stirlingmotors etwas verständlicher sein.

Der Gedanke liegt nahe, die Bewegung des Kolbens an ein Schwungrad zu koppeln ( sieht halt mehr nach einer Maschine aus).
Versuche für solche Motoren gibt es, haben aber den Nachteil, dass die Drehung des Schwungrades nicht gleichmäßig ist. Selbst zwei gegenläufige Reagenzgläser, um 180° versetzt an ein Schwungrad gekoppelt, können das auch nicht so richtig ausgleichen. Eine Anregung das zu verbessern, gab es mal wieder im Internet, nämlich über ein relativ schweres Schwungrad mit Getriebe die ruckartige Schwungradbewegung zu minimieren.
Ich habe mich an die Arbeit gemacht und Teile meines thermoakustischen Motors direkt übernommen.Murmelmotor mit Getriebe
Das Pleuel ist starr mit dem Arbeitkolben verbunden, so dass sich das drehbar gelagerte Reagenzglas über eine Exzenterscheibe auf- und abwärts bewegen kann. Ein Getriebe 1:5 aus dem Flugmodellbau ist an das Schwungrad gekoppelt. Der Aufbau erfolgte zunächst wieder in bewährter Art aus Holz.
Ein Video zeigt die grundsätzlich funktionierende Arbeitsweise. Dieser Motor dreht nur in eine Richtung, da die Kugeln dem Kolben um 90° phasenverschoben vorauseilen, bzw. nacheilen  müssen, und das ist nur in einer Drehrichtung möglich. 
Wenn im Internet Motoren gezeigt werden, die augenscheinlich in beide Drehrichtungen laufen, dann ist das nur bedingt möglich und zwar durch unkontrollierte Bewegungen der rollenden Kugeln und dieser Zustand ist nicht stabil. Stabile Drehrichtungsänderungen sind nur bei bestimmten bauartbedingen Heißluftmotoren möglich.
Das Ergebnis dieses Motors war zunächst  für mich etwas ernüchternd, da die Maschine immer mal  zwischendurch stehen blieb, weil z.B. die Glaskugeln nicht sauber rollten.
Ich habe die Geometrie ewas verändert, die Glaskugeln überprüft und das Schwungrad mit Bleistreifen auf  200g erhöht.
Jetzt "marschiert" der Motor einwandfrei.
Wer dieses Motörchen nachbauen will, muss schon einigermaßen präzise arbeiten.
Das Getriebe und das Schwungrad müssen kugelgelagert sein (4 Stück).
Das Pleuelkugellager ist nicht unbedingt notwendig. Das Getriebe selbst darf in keiner Stellung klemmen! Die Kugeln werden auf etwa gleichen Durchmesser geprüft, ca 12,5 mm und sollten alle gemeinsam gleichmäßig rollen.
Bewährt haben sich Keramikkugeln SA50 Umarex (gibt es bei http://www.target-sport.de) mit einem Durchmesser von ~ 12,7 mm. Hier kann man sich von 72 Kugeln die passenden aussuchen. Das Reagenzglas hat einen Innendurchmesser von ca 13,5 mm und es sollte noch genügend Luft zwischen Kugel und Glaswand bleiben, daher sollten die Kugeln nicht mehr als 12,7 mm Durchmesser haben.
Die Höhenlage von Drehpunkt Zylinder und Mittelpunkt Exzenterscheibe ist nicht, wie man vermuten könnte identisch, sondern der Drehpunkt des Zylinders liegt ca. 5 mm tiefer, was das Laufverhalten  meines Motors verbessert hat. Ob das grundsätzlich so besser ist oder mit der unterschiedlichen Phasenverschiebung bei Druckerhöhung  bzw. bei  Druckminderung  im System ( siehe oben) oder mit dem Aufbau (Hub, Getriebeübersetzung, Schwungrad, Geometrie)  zusammenhängt, ist offen.
Auch bei diesem Motor ist zu beachten, dass der Kolbendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Reagenzglases. Ist dies nicht der Fall, dann ist der Hub des Kolbens nicht groß genug.
Die Kombination Reagenzglas 160x16 und 10 ml Glasspritze war gerade noch im zulässigen Bereich (Innendurchmesser Reagenzglas ~ Kolbendurchmesser).
Hier ein Bild der endgültigen Ausführung mit  aktuellem Video.Murmelmotor aktuelle Ausführung
 

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