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Stirlingmotor „CX-32“

Ernst-Arno Kruse

Mit freundlicher Genehmigung der Fachzeitschrift

Wenn ein Stirling-Motor nicht nur gut aussehen soll, sondern auch Leistung bringen soll, gehört der Beta-Typ immer zur ersten Wahl. Bei diesem Typ laufen Arbeits- und Verdrängerkolben axial hintereinander in einem Zylinder. Im Gegensatz dazu benötigt der weit verbreitete Gamma-Typ je einen Zylinder für den Arbeits- und den Verdrängerkolben, welche nebeneinander, übereinander oder im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Abgesehen vom kompakteren Aufbau hat der Beta-Typ einen entscheidenden Vorteil, nämlich einen verhältnismäßig kleineren schädlichen Raum. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei dem schädlichen Raum um alle Hohlräume im Motor, in die sich die erwärmte Luft ausdehnen kann, ohne direkt auf den Kolbenboden des Arbeitskolbens zu wirken. Beim Gamma-Typ zählt hierzu das gesamte Volumen des Verdrängerzylinders vermindert um das Volumen des Verdrängerkolbens, der aus diesem Grunde bei allen Heißluftmotoren stets luftdicht sein muss. Hinzu kommt noch das Volumen des Überströmkanals.

Gerade dieser letzte Punkt stellt bei allen Konstruktionen immer einen Kompromiss dar. Um den schädlichen Raum zu reduzieren empfiehlt es sich, ein dünnes Rohr zu verwenden, was aber zu erhöhter Reibung und Druckabfall der hindurchströmenden Luft mit Drehzahlverlust führt. Beim „CX-32“ überschneiden sich die Wege vom Arbeits- und Verdrängerkolben um 6 mm, was sich günstig auf das Volumen des schädlichen Raumes auswirkt. 6 mm Überschneidung erscheint auf den ersten Blick nicht gerade spektakulär. Wenn der „CX-32“ jedoch mit gleichem Hub und gleicher Bohrung als Gamma-Typ gebaut würde, müsste der Verdrängerzylinder um 6 mm Überschneidung zuzüglich 1 mm Luft am Zylinderende länger gebaut werden. Hinzu käme noch das Volumen des Überströmkanals und die unvermeidlichen Reibungsverluste in diesem Rohr. Insgesamt hätte der vergleichbare Gamma-Typ einen ca. 27 % größeren schädlichen Raum als der Beta-Typ, was sich erheblich auf die Leistung auswirkt.

Der hier vorgestellte Motor wurde speziell für den Antrieb einer Diesellokomotive der Spurweite IIm (1:22,5) konstruiert. Er hat deshalb keine Grundplatte und kein Brennerhaus. Beide Teile lassen sich aber bei anderweitiger Verwendung des Motors recht einfach nach eigenem Ermessen anfertigen. Weil die meisten Teile des Motors beim Betrieb durch den Aufbau der Lokomotive verdeckt werden, wurde auf die Optik des Motors nicht so großen Wert gelegt. Im Vordergrund stand stets ein problemloser Betrieb mit möglichst wenigen bewegten Teilen für optimale Drehzahl und Leistung.

Kleinteile wie z.B. Schrauben, Muttern, Splinte usw. sind in der Stückliste und im Bauplan nicht erwähnt. Es fehlen auch Angaben zu Toleranzen und Passungen, da es sich beim Nachbau stets um Einzelstücke handelt. Hier genügt es, wenn alle Teile, die miteinander in Verbindung stehen, optimal angepasst werden. Der Motor wird mit Brennspiritus betrieben. An dieser Stelle wird nochmals auf die allgegenwärtige Brandgefahr hingewiesen. Der Motors sollte deshalb nur von sachkundigen Personen weitab von brennbaren Gegenständen betrieben werden. Die folgende Bauanleitung erwähnt nur solche Teile, bei deren Herstellung zusätzlich zu den Angaben in der Zeichnung noch weitere Besonderheiten zu beachten sind.


 

Bauanleitung

Teil 3: Seitenplatte

Die Seitenplatte wird zweimal benötigt, ist aber nur einmal dargestellt. Die gegenüberliegende Seitenplatte wird spiegelbildlich gefertigt. Dabei befinden sich die Abkantungen und der mit 4 Nieten befestigte Lagerring für das Kurbelwellenlager auf der entgegengesetzten Seite.

Teil 7: Zylinder

Alle Teile des Zylinders werden hart gelötet. Oben auf dem Zylinder befindet sich ein Gewindestück M5 als Entlüftungsöffnung. Beim Betrieb des Motors wird diese Öffnung mit einer Schraube M5 und einem Dichtungsring verschlossen. Ohne die Möglichkeit der Entlüftung ist es sehr schwierig, beide Kolben bei der Montage gegen den Innendruck im Zylinder einzuschieben.

Teil 8: Kurbelwelle

Damit die beiden Enden der Kurbelwelle genau fluchten, wird hierfür zunächst eine Welle Ø6x100 verwendet. Die 3 Kurbelwellenwangen und die 2 kurzen Zwischenwellen werden nach Plan ausgerichtet und alles weich verlötet. Zu beachten ist, dass die Zwischenwellen genau parallel zu der durchgehenden Welle ausgerichtet sein müssen. Der 90º-Versatz ergibt sich dabei zwangsläufig. Wenn der Motor für seinen späteren Verwendungszweck eine bestimmte Drehrichtung haben soll, muss das schon bei der Herstellung der Kurbelwelle beachtet werden. Der Motor läuft immer in die Richtung, in welcher die Verdrängerkurbel (Hub 36 mm) der Arbeitskurbel (Hub 24 mm) vorauseilt. Zum Schluss wird die durchgehende Welle zwischen den äußeren Wangen getrennt und alle Flächen sauber bearbeitet.

Teil 9: Arbeitskolben

Um die Massekräfte möglichst klein zu halten, wird der Arbeitskolben als Hohlkörper gefertigt. Zuerst wird die Kolbenaußenseite mit reichlich Übermaß gedreht. Der nächste Schritt ist das Ausdrehen (Ø27 – 26 mm tief). Das Teil wird nun ausgespannt und der 3 mm dicke Deckel hart aufgelötet. Der Durchmesser des Deckels hat ebenfalls Übermaß. Anschließend wird der Kolben auf der Drehmaschine auf Endmaß gebracht und die beiden Bohrungen Ø8 gefertigt. Hier wird zum Schluss das Lagerrohr aus Messing Ø8xØ6x32 für die Verdrängerkolbenstange weich eingelötet.

Teil 12: Verdrängerkolben

Alle Teile am Verdrängerkolben werden hart gelötet. Es ist darauf zu achten, dass der Kolben luftdicht  ist und die Achsen von Kolben und Kolbenstange genau fluchten.

Teil 16: Tank

Der Tank wird aus 0,5 mm Messingblech gebogen und komplett weich gelötet. Die Seitenstücke sind 3 mm dick. Auf einer Seite sind eine Öffnung und 4 Gewindebohrungen M3 für die Treibstoffanzeige. Bei der Konstruktion des Tankes mussten die Besonderheiten beim Einbau in eine Lokomotive berücksichtigt werden. Für andere Verwendungszwecke ist auch eine seitliche Aufstellung des Tankes möglich, um die Gesamtlänge zu reduzieren. Wichtig ist nur, dass sich der Baumwolldocht mittig unter dem Zylinder mit 19 mm Abstand zum Zylinderboden befindet. In der Seitenansicht sind unter der Bodenplatte zwei Bolzen Ø3 zu sehen. Diese greifen in entsprechende Bohrungen in der Bodenplatte, damit der Tank beim Betrieb nicht verrutscht.

Teil 19: Schauglas

Dieses Teil muss treibstofffest sein. Bei unbekannter Herkunft des Kunststoffes sollten Vorversuche gemacht werden.
 

Montageanleitung

Der Zylinder wird mit einem Gewindebolzen M4 und einer Mutter M4 am Kühler befestigt. Beide Seitenteile werden mit eingesetzten Kurbelwellenlagern und Kurbelwelle mit 6 Schrauben und Muttern M3 an die Stirnplatte mit Befestigungswinkel geschraubt. Der zweite Befestigungswinkel wird mit 2 Schrauben M3 am Kühler montiert. Zwischen Kurbelwangen und Kurbelwellenlager kommen passende Unterlegscheiben, die das seitliche Verschieben der Kurbelwelle verhindern. Das Pleuellager wird mit 2 Schrauben M3 an den Arbeitskolben geschraubt. Der Bolzen Ø3 des Arbeitspleuels führt durch das Pleuellager und wird außen mit einer Unterlegscheibe und einem Splint gesichert. Die Unterlegscheibe ist so dick, dass das Lagerspiel möglichst gering ist. Die Verdrängerkolbenstange wird durch den Arbeitskolben geschoben. Mit dem Kolbenbolzen Ø3, Splint und Unterlegscheibe wird das Verdrängerpleuel am Verdrängerkolben gehalten und mit einer Madenschraube M3 an der Stirnseite der Verdrängerkolbenstange befestigt. Beide Pleuelstangen werden mit den Lagerschalen und je 2 Schrauben M3 an der Kurbelwelle befestigt. Dabei ist zu beachten, dass das Arbeitspleuel an dem Kurbelstück mit dem Hub 24 und das Verdrängerpleuel an dem Kurbelstück mit dem Hub 36 befestigt wird. Bei der Fertigung und der Montage der Pleuelstangen ist auf möglichst geringes Spiel aller Lager zu achten. Mit reichlich Öl wird die Kolbeneinheit in den Zylinder gesteckt und die Seitenteile mit 4 Schrauben M3 am Kühler befestigt. Ohne geöffnete Entlüftungsschraube würde es sich hierbei um eine sehr kraft- und zeitaufwändige Arbeit handeln. Jetzt wird erst einmal geprüft, ob die Pleuelstangen während einer Umdrehung nirgendwo klemmen.
Alles muss sehr leichtgängig laufen. Das Schwungrad wird mit einer Madenschraube M4 auf der Kurbelwelle befestigt. Das Entlüftungsventil wird mit einer Schraube M5 und Dichtungsring verschlossen, der Tank mit Brenner in Position gebracht und der Motor am Schwungrad zum ersten Probelauf gestartet.

Fotos und Zeichnungen: Ernst-Arno Kruse

Stückliste CX-32
Teil
Stück
Bezeichnung Material Maße
1
1
Grundplatte Alu nach Bedarf
2
1
Kühler Alu  nach Zeichnung
3
2
Seitenplatte Alu 80x80x108
4
1
Stirnplatte Alu 58x48x2
5
2
Befestigungswinkel Alu 64x12x14
6
2
Kurbelwellenlager Kugellager Ø19xØ6x6
7
1
Zylinder Stahl Ø34xØ32x182
8
1
Kurbelwelle Stahl nach Zeichnung
9
1
Arbeitskolben Stahl Ø32xØ6x32
10
1
Pleuellager Stahl nach Zeichnung
11
1
Arbeitspleuel Messing nach Zeichnung
12
1
Verdrängerkolben Stahl/Messing nach Zeichnung
13
1
Kolbenbolzen Messing Ø3x16
14
1
Verdrängerpleuel Messing nach Zeichnung
15
1
Schwungrad Stahl Ø78xØ6x11
16
1
Tank Messing 72x50x25
17
1
Tankverschluss Messing nach Zeichnung
18
1
Treibstoffanzeige Messing 24x25x3
19
1
Schauglas Kunststoff 24x25x1

 

Stirlingmotor "CX-32"

 

Stand: 28.04.2010