Manson Motor
| Maschinentyp: | Motor nach einem 1952 von A. D. Manson in |
| der Zeitschrift "Newnes Practical Mechanics" | |
| veröffentlichten Funktionsprinzip. | |
| Daten: | Durchmesser Verdrängerkolben: 22 mm |
| Innendurchmesser Verdrängerzylinder: 23 mm | |
| Durchmesser Kolben: 10 mm | |
| Hub Verdrängerkolben: 24 mm | |
| Konstruktion: | Prinzip: A. D. Manson / Michael Ruppel |
| Konkrete Maschine: Gerd Niephaus | |
| Gebaut: | Gerd Niephaus |
| Ende 2023 |
Die ursprüngliche Veröffentlichung zum Manson Motor erschien im Jahre 1952. Im Jahre 1999 erhielt Michael Ruppel ein Patent auf einen Motor nach demselben Funktionsprinzip. Im Motor von Michael Ruppel wird eine andere Form der Steuerung benutzt, d.h. die Ausführung der Bohrungen zur Belüftung des Arbeitsraumes der Maschine in den Endlagen des Verdrängerkolbens ist eine andere. Alternativ wird auch eine Belüftung über gesteuerte Ventile beschrieben. Schließlich wurde im Jahre 2016 noch ein britisches Patent auf einen Motor mit einer nochmals geänderten Form der Belüftung in den Kolben-Endlagen angemeldet.
Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau des Motors mit der Ausführung der Belüftungsbohrungen nach Michael Ruppel.
In einem Zylinder Z läuft ein Kolben K. Der Kolben ist durch einen Pleuel und eine Kurbel mit einer Kurbelwelle verbunden. An dem Kolben K ist ein Verdrängerkolben V befestigt, so dass er sich synchron mit dem Kolben K im Verdrängerzylinder H bewegt. Die Belüftungskanäle B1 und B2 bewirken, dass im oberen Totpunkt (Figur 1) und im unteren Totpunkt (Figur 3) der Verdrängerzylinder mit dem Äußeren des Motors verbunden wird, sich also zu diesen Zeitpunkten im Inneren des Motors der Atmosphärendruck einstellt. Im Gegensatz zu einem Stirlingmotor handelt es sich bei dem Manson Motor also nicht um ein abgeschlossenes System. Im Bereich HR des Verdrängerzylinders wird geheizt, im Bereich KR wird gekühlt.
Wie funktioniert der Manson Motor?
Man muss sich zunächst klar machen, dass die Bewegungsrichtung von Kolben und Verdrängerkolben durch den Druck im Inneren des Verdrängerzylinders bestimmt wird: ist der Druck größer als der Atmosphärendruck, so bewegt sich der Kolben zusammen mit dem Verdrängerkolben nach links (Richtung UT), ist der Druck im Inneren kleiner als der Atmosphärendruck, so bewegt sich der Kolben nach rechts (Richtung OT). Zu dieser Erkenntnis kommt man, wenn man betrachtet, welche Kräfte auf die rechte und die linke Seite des Kolbens K wirken.
Wir gehen aus von der Situation, wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Wenn sich jetzt der Kolben nach links bewegt, passieren zwei gegenläufige Effekte. Einerseits vergrößert sich das Volumen im Verdrängerzylinder, da sich der Kolben aus dem Verdrängerzylinder heraus bewegt. Der Druck im Verdrängerzylinder sinkt also. Andererseits strömt die Luft in den heißen Bereich des Verdrängerzylinders und dehnt sich bei der Erwärmung aus. Der Druck steigt also. Damit sich der Kolben nun stetig nach links bewegt, muss der Druck im Inneren größer als der Außendruck sein. Die Druckerhöhung durch die Erwärmung muss also größer sein als die Druckminderung durch die Volumenvergrößerung.
Erreicht der Kolben den UT, wird das Innere belüftet. Der Druck sinkt also wieder auf den Atmosphärendruck. Nun bewegt sich der Kolben nach rechts, d.h. das Volumen im Verdrängerzylinder nimmt ab und der Druck steigt. Andererseits wird die Luft in den kalten Teil des Verdrängerzylinders befördert und der Druck sinkt bei der Abkühlung. Damit sich der Kolben nun stetig nach rechts bewegt, muss der Druck im Inneren kleiner als der Außendruck sein. Die Druckerniedrigung durch die Abkühlung muss also größer sein als die Druckerhöhung durch die Volumenverkleinerung.
Erreicht der Kolben den OT, wird der Unterdruck im System wieder durch Belüftung auf Atmosphärendruck gebracht.
Es ergibt sich folgendes Druck-Volumen Diagramm (pV-Diagramm):
Auf der y-Achse ist der Druckunterschied zum Atmosphärendruck aufgetragen, 0 bar entspricht also dem Atmosphärendruck. Der soeben beschriebene Ablauf entspricht dem Weg 1 nach 2 nach 3 nach 4 nach 1 im pV Diagramm.
Wie man der Überschrift des pV-Diagramms entnimmt, handelt es sich hier um eine Berechnung, nicht um eine Messung. Im Internet findet man als Vorbild für Berechnungen des Manson Motors
und
die Webseiten von Jürgen Bladt
Jürgen Bladt bezieht sich auf die Seiten von Pierre Gras. Ich habe die Berechnungen von Gras und Bladt nachvollzogen und in Octave (einem MATLAB Clone) programmiert. Das Ergebnis sieht man in dem pV-Diagramm. Als Grundlage der Berechnungen dient eine ideal isotherme Behandlung des Problems, wie sie auch schon 1871 von Gustav Schmidt zur Berechnung von Stirlingmotoren benutzt wurde.
Als Eingaben habe ich die später beim Bau meines Motors benutzten Werte genommen:
Kurbelradius 12 mm
Durchmesser Kolben 10mm
Durchmesser Verdrängerkolben 22 mm
Innendurchmesser Verdrängerzylinder 23 mm
Länge Verdrängerkolben 40mm
Innenlänge Verdrängerzylinder 66 mm
Temperatur im kalten Bereich 60° C
Temperatur im heißen Bereich 300° C
Die von dem pV-Diagramm eingeschossene Fläche ist die pro Umdrehung des Motors geleistete Arbeit, also hier sagenhafte 0,04 Ws. Bei einer angenommenen Drehzahl von 600 1/min würde die indizierte Leistung also 0,4 W betragen. Den im Diagramm angegebenen Wirkungsgrad sollte man vergessen, der ist sicher ziemlich falsch.
Wie kommt man zu einer geeigneten Dimensionierung eines zu bauenden Motors?
Wie ich erläutert habe, müssen die gegensätzlichen Einflüsse auf den Druck (Volumenvergrößerung / Temperaturerhöhung und umgekehrt) bei der Bewegung des Kolbens beachtet werden. Im Internet findet man Aussagen, dass der Kolbendurchmesser halb so groß wie der Verdrängerkolbendurchmesser sein sollte. Diese Aussage ist physikalisch wenig sinnvoll, da sicher nicht die Durchmesser, sondern die Quadrate der Durchmesser (d.h Größen, die zu den Flächen und den Volumina von Kolben und Verdrängerkolben proportional sind) eine Rolle spielen.
Ich habe zur Bestimmung eines geeigneten Kolbendurchmessers D1 bei gegebenem Verdrängerkolbendurchmesser D2 Berechnungen zur geleisteten Arbeit gemacht.
Auf der x-Achse ist das Verhältnis N der Quadrate von Verdrängerkolbendurchmesser und Kolbendurchmesser aufgetragen, auf der y-Achse die geleistete Arbeit pro Umdrehung. Das Ganze für eine konstante Temperatur von 60° C im kalten Bereich und für die angegebenen Temperaturen im heißen Bereich.
Die geleistete Arbeit muss natürlich positiv sein, sonst läuft der Motor nicht! Wird der Durchmesser D1 des Arbeitskolbens zu groß (wird also N zu klein), wird die geleistete Arbeit negativ. Man sieht, dass es bei hohen Temperaturen ein Maximum im Bereich von ca. N = 2,5 gibt, bei niedrigen Temperaturen gibt es kein deutliches Maximum. Bei der von mir zu Grunde gelegten Temperatur von 300° C habe ich ein N ca 4,8 gewählt, das entspricht Durchmessern von 22 mm für den Verdrängerkolben und 10 mm für den Kolben.
Mit Hilfe des gezeigten Diagramms ist also eine passende Kombination von Kolben und Verdrängerkolben bestimmbar.
Hier noch ein Video vom Lauf des Motors: Manson Motor