Dampfmaschinen und Heißluftmotoren (Stirling-Motoren) mit Heimwerkermitteln:
 
 

Der Stirling-Motor:

Angefangen hat Alles mit einem Bericht über das Treffen von Stirling-Motor Fans im Fersehen. Dort wurden auch exotische aber funktionsfähige Motoren gezeigt, die mich damals schwer beeindruckt haben. Als mir lange Zeit später eine 10mm Kugellager-Kugel in die Hände fiel kam mir die Idee, diese als Arbeitskolben für einen Stirling-Motor zu verwenden. Das spart das Pleuel-Gelenk und würde die Sache wohl sehr vereinfachen. Das Gelenk wurde wirklich gespart, aber einfach wurde die Sache dadurch auch nicht. An einem Wochenende entstand dieses Modell:

Stehender Stirlingmotor. Die Arbeitskolben-Kugel wirkt direkt auf die Kurbel. Über einen Hebel-Mechanismus wird der Verdrängerkolben im Plexiglasrohr von der Schwungscheibe aus angetrieben. Unten im Gestell ist der kleine Spiritus-Brenner zu sehen.

Der eigentliche Motor etwas detailierter.

Das Modell funktionierte auf Anhieb recht ordentlich. Allerdings ist das Maschinchen gerade so in der Lage sich selber zu betreiben, hat also kaum Leistungsüberschuss. Laufbüchse und Lager müssen mit dünnflüssigem Öl frisch geschmiert sein. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, dass die Oberseite des Hauptzylinders die Wärme nicht los wird. Nach einiger Laufzeit wird die obere Deckplatte so warm, dass die Temperaturdifferenz nicht mehr zum Betrieb ausreicht.
 

Wie arbeitet eigentlich ein Stirling-Motor ?

Der Stirling-Motor arbeitet mit einem geschlossenem Gas-Volumen (bei Amateur-Modellen meist Luft). Das Gas befindet sich in einem Zylinder mit einem kalten und einem warmen Ende. In diesem Zylinder befindet sich auch noch ein s.g. Verdrängerkolben, der an der Kolbenwand nicht abdichtet.
Wird dieser Kolben hin und her geschoben, so befindet sich das Gasvolumen abwechselnd an der kalten und an der warmen Seite. Ist das Gas gerade an der warmen Seite, so dehnt es sich aus, kurz darauf wird es vom Verdrängerkolben auf die kalte Seite verdrängt, kühlt dort ab und zieht sich wieder zusammen. Ausdehnen und Zusammenziehen bedeuten "Druckunterschied". Mit diesem Druckunterschied läßt sich der Arbeitskolben auf und ab bewegen. Diese Bewegung wird, wie bei Dampfmaschine oder Verbrennungsmotor auch, mit Pleuel und Kurbel in eine Drehbewegung umgesetzt. Mit der Drehbewegung wird nun wiederum der Verdrängerkolben mit 90° Phasenversatz zum Arbeitskolben angetrieben.
 
 

Dampfmaschinen:

Durch eine Anzeige in einer Zeitschrift wurde ich auf dieses Buch aufmerksam:

"Die Dampfmaschine". Funktionsmodelle mit einfachen Mitteln selbst gebaut.
Von Alfred Bachmann und Werner Baumgartner
ISBN 3-88180-078-6

In diesem Buch findet sich eine Fülle von Anregungen und Ideen, sowie bemaßte Zeichnungen zum Bau von einfachen Dampfmaschinen. Nach diesen Ideen entstanden folgende Modelle:

Einzylinder doppelt wirkend.
 

Wie funktioniert die oszillierende Dampfmaschine ?

Bei dem oben gezeigten Modell handelt es sich um eine s.g. oszillierende Dampfmaschine. Bei einer solchen Maschine wird die Steuerung des Dampf-Einlass und des "Auspuffs" nicht über ein zusätzliches Ventil (Schieber) gesteuert, sondern dies geschieht durch den hin und her kippenden Zylinder selbst. Die Kippbewegung entsteht dadurch, dass Kolben und Kurbel über eine durchgehende Pleuelstange ohne Pleuelgelenk verbunden sind. Der Zylinder ist auf einem s.g. "beweglichen Spiegel" montiert, der sich über einen Stift in der Mitte auf dem "festen Spiegel" verdrehen kann. Die Flächen der beiden "Spiegel" sind aufeinander eingeschliffen (habe ich mit Auto Schleifpaste gemacht). Auf dem bereits angesprochenem Stift sitzt auf der Rückseite des festen Spiegels eine Druckfeder, die die beiden geschliffenen Flächen aufeinander drückt. In den beweglichen Spiegel ist von der Schliff-Fläche aus bis in den Zylinderraum ein kleines Loch mit etwa 1,5mm Durchmesser gebohrt. Gegenüber, im festen Spiegel, befinden sich nun zwei Löcher, die sich jeweis an den beiden Endpunkten der Kippbewegung mit der Bohrung im beweglichen Spiegel decken. Beim Drehen der Kurbel wird der Zylinderraum also abwechselnd mit der Einlass- und der Auslass-Bohrung des festen Spiegels verbunden. Man kann die Drehrichtung des Maschinchens übrigens einfach umdrehen, indem man die Anschlüsse von Einlass- und Auslass-Bohrung vertauscht.
Das ist die ganze Steuerung !
 
 

Ballancier-Dampfmaschine

Bei dieser einfachen Variante der Ballancier-Dampfmaschine kann die Steuerung nicht so einfach über die Kippbewegung des Zylinders realisiert werden. Der lange Balken sorgt für eine nur geringe Zylinder-Kippbewegung, die dann auch noch die doppelte Frequenz der Kurbelumdrehung hat. Das macht einen Zwischenschieber nötig der über eine zusätzliche Stange von der Kurbel angetrieben wird. In diesem Zwischenschieber ist ein etwas größeres Loch, das die Bohrung im beweglichen Spiegel im richigen Takt mit der Einlass- bzw. Auslass-Bohrung des festen Spiegels verbindet.
 

Die Modelle wurden bei mir auch schon mit echtem Dampf betrieben, dies ist aber wegen dem zugesetzten Öl eine ziemliche Ferkelei. Zum "Spielen" betreibe ich die Maschinchen deshalb normalerweise nur mit Druckluft. Für kleine, leichtläufige Modelle reicht manchmal eine solch einfache Aquarien-Pumpe:

Eine solche Aquarien-Pumpe erzeugt etwa 200mbar Druck und hat ein kleines Fördervolumen.

Besser geeignet ist ein kleiner Kolben-Kompressor wie er für Airbrush-Anwendungen zu bekommen ist (der aber schon einige Euronen kostet). Ich hatte Glück und konnte aus der Restposten-Liste von Conrad-Elektronik einen kleinen Kompressor ergattern, dem ich dann ein passendes Sperrholz-Gehäuse verpasst habe. Dieser erzeugt über 1bar Druck bei schon beachtlicher Förderleistung. Auf eine gute Kühlung muß geachtet werden, da das Teil schon "schön" warm wird (ist nunmal so, wenn man Luft zusammen drückt).

Kleiner Kolbenkompressor im Sperrholz-Gehäuse. Die ehemalige Sprühdose dient als Puffergefäß um die Druckimpulse etwas zu glätten.
 

Das wär's soweit zum Thema "Dampf und heiße Luft". Ich hoffe, es hat etwas Spass gemacht :-)
 

mail: Reinhard.Lauterbach[at]freenet.de