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:

Kolben und Zylinder Manson-StirlingManson-Stirling Verdränger-/ArbeitskolbenManson-Stirling KühlzylinderManson-Stirling Grundbrett mit Schwungrad
Manson-Motor ein erster Entwurf

Um den Zylinder kommt ein Alurohr mit dem Belüftungsschlitz. Dieses Teil wird dann in den Kühlzylinder 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 Kühlzylinder 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 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 muss schnell und präzise erfolgen und das geht nur mit einem Schlitz im Arbeitszylinder und Arbeitskolben statt mit einer Bohrung. 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, d.h. man könnte den Kolben auch direkt schwingen lassen (free piston), wenn die Wegbegrenzung beachtet wird!
 

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 Heizzylinder 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.


 

Manson Motor nach VerbesserungManson-Motor. Blicik in den ZylinderManson Motor, Manson EngineManson Motor, Manson Engine
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:

Bauplan 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.

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.

Rupp/Manson-MotorRupp/Manson-Motor

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, vermutlich haben meine Baubeschreibungen mit dazu beigetragen und
es gibt den Hersteller Wilesco, der als Neuheit 2014 diesen Motor als Stirlingmotor H50 anbietet, obwohl es ein Manson-Motor ist. 
Der Preis ist allerdings mit ca 70 Euro nicht schlecht.


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.

 

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).

Manson-Motor
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! 

PV-Diagramm Stirlingmotor/Manson-Motor

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.
Warum die Leistung dieses Manson-Modellmotors scheinbar besser ist, als die eines vergleichbaren Stirlingmotors,  kann ich mir nur so erklären, dass die Ecken des pV-Diagramms besser ausgefahren werden und damit eher der ideale Carnot-Prozess erreicht wird. 

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 erwärmte 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 Verrängerkolben 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.

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