Der Heißluftmotor –
Modell einer einfachen Wärmekraftmaschine

von:
Dr. Joachim Bolz
Paul-Klee-Gymnasium
51491 Overath
 

Wärmekraftmaschinen wandeln Wärmeenergie in mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen, Generatoren, Werkzeugen u.s.w. um. Die Wirkungsweise einer solchen Maschine lässt sich an dem einfachen Selbstbaumodell eines Heißluft- oder Stirlingmotors gut beobachten.

Es erleichtert den Zusammenbau des Motors sehr, wenn man weiß, wie er funktioniert:

Der Heißluftmotor ist die geniale Erfindung des schottischen Geistlichen und Physikers Robert Stirling (1790 - 1878). Er unterscheidet sich einigen wesentlichen Punkten von dem heute so weit verbreiteten Ottomotor (Benzin- und Dieselmotor). Im Gegensatz zum Ottomotor ist der Stirlingmotor ein Motor mit äußerer Verbrennung: Das Arbeitsgas Luft wird mit einer äußeren Wärmequelle erhitzt, wobei die Natur dieser Wärmequelle für die Funktion des Motors ganz unwichtig ist. Das Arbeitgas Luft verlässt den Motor nie, sodass der Motor auch keine Ein- oder Auslassventile benö-tigt.  Damit die Luft mechanische Arbeit verrichten kann, muss sie sich periodisch ausdehnen und zusammenziehen. Ein Kolben überträgt diese Volumenänderung in eine  Hin- und Herbewegung, die dann auf eine Pleuelstange und von dieser auf eine Kurbelwelle übertragen wird und so die gewünschte Drehbewegung liefert. Anstelle eines Arbeitszylinders besitzt unser einfaches Modell eine Gummimembran (Luftballon). Das vermeidet die Dichtungsprobleme, die man sonst mit einem solchen Arbeitszylinder hätte. Natürlich ist die Bewegung einer solchen Membran (der „Hub“) begrenzt. Die periodische Erwärmung und Abkühlung der Luft erfolgt durch einen ebenso einfachen wie genialen Trick. Man kann ja nicht die Wärmequelle ständig schnell an- und ausmachen. Man sorgt stattdessen dafür, dass die Luft periodisch zwischen einem heißen und einem kühleren Teil der Maschine hin- und herfließt: Ist sie im heißen Teil, dann dehnt sie sich aus und treibt die Pleuelstange nach außen, ist sie im kühleren Teil, dann zieht sie sich zusammen und die Pleuelstange bewegt sich nach innen. In unserem Modell ist der heißere Teil einfach der untere Teil des Glaszylinders, der von der Flamme erwärmt wird, während der obere Teil viel kälter ist. Die Bewegung der Luft zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Zylinders wird durch einen „Verdränger“ bewirkt. Das ist ein Körper mit einem Volumen, das etwas der Hälfte des Glaszylinders entspricht. Befindet sich der Verdränger oben, dann muss die Luft notwendigerweise unten sein und umgekehrt. Zwischen dem Verdränger und der Glaswand ist  dabei genügend Platz, damit die Luft ungestört auf- und abfließen kann. Die Bewegung des Verdrängers wird dabei von der Kurbelwelle gesteuert. Der Verdränger ist also kein Arbeitskolben, wie von flüchtigen Beobachtern häufig angenommen wird, sondern er dient nur als sehr einfache „Pumpe“.

Der Heißluftmotor verdeutlicht anschaulich die wesentlichen Eigenschaften einer Wärmekraftmaschine:

1) Zum Betrieb einer solchen Maschine ist immer eine Temperaturdifferenz erforderlich. Ohne eine solche Temperaturdifferenz kann sich die Arbeitssubstanz ( in der Regel ein Gas) nicht periodisch ausdehnen und zusammenziehen.

2) Um eine solche Temperaturdifferenz aufrecht zu erhalten, muss man der Apparatur an einer Stelle Wärme zuführen und sie an einer anderen Stelle kühlen. Da bei der Kühlung immer ein Teil der Wärme „nutzlos“ in die Umgebung abgeführt wird, kann eine solche Maschine nie die gesamte Wärmeenergie in Arbeit umwandeln, der „Wirkungsgrad“ h, den wir allgemein als „Nutzen / Aufwand“ bezeichnet hatten, hier also h = verrichtete Arbeit / zugeführte Wärmeenergie“ kann nie 100% erreichen.

3) Die  Maschine wird umso besser arbeiten, je größer die Temperaturdifferenz ist. Da man durch Kühlen diese Differenz nicht wesentlich erhöhen kann, muss man die Arbeitstemperatur erhöhen. Hierbei ergeben sich oft Materialprobleme, da die gängigen Materialien (z.B. Stahl) nicht beliebig hohe Temperaturen vertragen. Keramische Werkstoffe könnten hier weiterhelfen.



Zum Bau des Stirlingmotors:

Teileliste:
 
 
Anzahl Teil Verwendung
1 Holzlatte ca. 5mm x 20mm x 30 cm Schwungstange
2 Holzlatten ca. 5mm x 20mm x 20cm Halterungen für die Kurbelwelle
2 Sechskantschrauben M8 x 20mm Gewichte für Schwungstange
4 Muttern M8 Gewichte für Schwungstange
1 Luftballon ca. 70cm Durchmesser Arbeitsmembran
1 Eisendraht 25cm Kurbelwelle
2 Silberdraht 15cm Pleuelstangen
1 Becherglas hohe Form  600ml Arbeitszylinder
3 Styropor ca. 10cm x 10cm x 2cm Verdränger
1 Aluminiumfolie Umwicklung als Hitzeschutz für den Verdränger
1 Faden (Zwirn oder Nähgarn) ca. 25cm Verbindung Kur-belwelle – Verdränger
2 Stecknadeln Befestigung des Zugfadens am Verdränger
Klebeband Befestigungen der Kurbelwellenlager am Glas, 
Zentrierungen der Pleuel-stangen
1 eeres Tablettenröhrchen aus Kunststoff, 
z.B. von Brause- oder Vitamintabletten
Verbindung Pleuelstangen – Arbeitsmembran

Die Arbeiten 1) bis 12)  solltest Du, wenn Du die Möglichkeit hast, schon zu Hause erledigen:

1) Von dem Tablettendöschen brauchen wir nur den Deckel und den oberen Teil (etwa 2 – 3 cm) des Röhrchens. Schneide den oberen Teil ab, am besten mit einer Laubsäge oder einem scharfen Küchenmesser. Vorsicht, der Kunststoff bricht dabei leicht!

2) Im Deckel des Tablettendöschens befindet sich ein kleiner Becher mit Trockenmittel. Schneide diesen Becher auf und entferne das Trocken-mittel.

3) Stecke den Deckel auf den abgeschnittenen Teil des Döschens und bohre seitlich ein Loch (Durchmesser 1mm)  ganz durch das Döschen, den Deckel und das kleine Gefäß. Hier wird später der untere Teil der Pleuelstangen befestigt. Die Mitte des Deckels erhält eine kleine Bohrung (ca. 1mm Durchmesser), durch die der Steuerfaden für den Verdränger geführt wird.

4) Säge die 3 Holzlatten auf die angegebene Län-ge.

5) Der Schwungstange erhält in der Mitte eine Bohrung mit Durchmesser 2mm für die Aufnahme der Kur-belwelle und an den beiden Enden genau im gleichen Abstand von ca. 1,5cm vom Ende 2 Bohrungen mit Durchmesser 8mm zur Aufnahme der Gewichte. Stecke die Gewindeschrauben durch die Lö-cher und schraube sie mit je 2 Muttern fest.

6) Der Verdränger: Schneide die Styroporstücke mit Hilfe der Schablone (ausschneiden und auf das Styropor legen) mit einem scharfen Messer zu. Staple sie und wickle sie fest in Alufolie ein. Befestige den Faden mit den zwei Steck-nadeln oben in der Mitte des Verdängers. Am besten hält der Faden, wenn Du die Nadeln dicht nebeneinander schräg in das Styropor steckst, den Faden mehrmals um die Steckna-delköpfe wickelst und dann verknotest.

7) Die Arbeitsmembran: Schneide vor der Spitze des Luftballons ein kleines Stück ab, sodass ein Loch entsteht. Stecke den kleinen Becher des Tablettendöschens durch das Loch, und stecke den abgeschnittenen Teil des Tablettendö-schens auf den Deckel. Der Luftballon wird so eingeklemmt und ist jetzt fest mit dem Deckel verbunden.

8) Schneide den Luftballon etwas unterhalb der Mitte ab.

9) Die Kurbelwelle: Biege den 2mm-Draht möglichst exakt  mit Hilfe der Schablone in die geforderte Form. Je exakter Dir das gelingt, desto besser wird der Motor nachher laufen. Der lan-ge U-förmige Bügel dient später für die Steue-rung desVerdrängers, die kurzen Bügel daneben auf der anderen Seite nehmen die Pleuelstangen auf. Benutze zum Biegen kleine Spitz- und Flachzangen. Die gestrichelte Bie-gung am Ende wird jetzt noch nicht hergestellt.

10) Die Pleuelstange: Biege die beiden  Silberdrähte mit einer kleinen Spitzzange so, dass sie am Ende eine Öse erhalten, die sich leicht über die Kurbelwelle stecken lässt aber auch kein unnötiges „Spiel“ haben (d.h. wackeln). Das andere Ende wird senkrecht umgebogen und abgeschnitten:  Maße siehe Schablone.

11) Haken für den Steuerfaden: Der Haken besteht wie die Pleuelstangen aus einem kleinen Silberdrahtstück mit einer Öse und einem Haken

12) Die Kurbelwelle muss jetzt noch geknickt werden: der Bügel für die Steuerung des Verdrängers muss nämlich senkrecht auf den Bügeln für die Pleuelstangen stehen. Das ist sehr wichtig, damit der Motor funktionieren kann. Man sagt auch, Pleuel- und Verdränger sind in ihren Bewegungen um 90 Grad „phasenverschoben“ und nicht um 180 Grad, was der Fall wäre, wenn sie sich direkt gegenüber stünden. Dazu wird die Kurbelwelle so in einen Schraubstock eingespannt, dass die Achse gerade noch eingeklemmt ist und der lange Bügel oberhalb der gestrichelten Linie (s. Schablone) nach oben aus dem Schraubstock herausragt. Dann wird er mit einem Hammer umgebogen. Wenn man die Kurbelwelle herausnimmt, kann man noch von Hand nachbiegen, bis man den Eindruck hat, dass die beiden Bügel nun wirklich senkrecht zueinander stehen.

13) Stecke den Verdränger in das Becherglas. Er muss gut in das Becherglas passen und am Rand einen ungestörten Luftaustausch ermög-lichen. Ziehe den Faden durch das Loch des Deckels und spanne den Luftballon mit dem Deckel über die Öffnung des Becherglases. Der Ballon soll an den Seiten dicht abschließen, und der Deckel mit dem Faden soll möglichst genau in der Mitte stehen.

14) Stecke die beiden Pleuelstangen und den Ha-ken auf die Kurbelwelle. Schneide aus dem Klebeband dünne Streifen und klebe sie so um die Kurbelwelle, wie es die Abbildung zeigt. Dadurch wird verhindert, dass sich die Pleuel-stangen und der Haken auf der Kurbelwelle verschieben.

15) Stecke die Enden der Kurbelwelle in die Löcher der Lagerhölzer. Stecke die abgebogenen Enden der Pleuelstangen durch die Löcher des Kunststoffdeckels. Richte die Lagerhölzer in der Höhe so aus, dass die Ballonmembran ge-nau waagerecht steht, wenn die Pleuelstangen ihre Mittelstellung haben, d.h. wenn die beiden Bügel waagerecht stehen. Befestige die Lagerhölzer in dieser Stellung mit Klebeband am Becherglas. Klebe auch an der Kurbelwelle au-ßen dünne Streifen auf, damit die Kurbelwelle nicht verrutschen kann.

16) Justierung des Steuerfadens: Drehe die Kur-belwelle so, dass der lange Steuerbügel ganz oben steht. In dieser Stellung soll der Verdrän-ger ganz oben stehen, aber gerade nicht am Ballon anstoßen.  Ziehe in dieser Stellung den Faden durch den Haken, ziehe den Verdränger am Faden nach oben, bis er den Ballon gerade nicht berührt und verknote ihn dann mit dem Haken.
 

Der Motor ist jetzt fertig. Prüfe, ob sich alle Teile ungehindert bewegen können. Halte ihn über eine Wärmequelle. Als Wärmequelle eignet sich eine Kerze oder besser eine kleiner Spiritusbrenner, wie er sich z.B. in Wärmegeräten (Rechauds oder Fon-duepfannen) befindet. Beim Aufheizen sollte der Verdränger oben stehen, um nicht unnötig heiß zu werden. Wie jede Wärmekraftmaschine muss auch unser Heißluftmotor angeworfen werden. Du wirst schnell merken, in welcher Richtung der Motor läuft und in welcher nicht. Markiere die Laufrich-tung auf der Schwungstange. Vorsicht! Die Unter-seite des Becherglases wird sehr heiß! Stelle sie nach dem Betrieb nie auf eine wärmeempfindliche Unterlage sondern am besten auf einen Porzellanteller o.ä.

Viel Spaß beim Betrieb und bei der Vorführung! Denke daran: Es ist am spannendsten, wenn Du den Motor vorführst, die Zuschauer raten lässt und dann erst die Erklärung lieferst!

(c) Bz 2001