Heißtluftmotor – gestern und heute

Um ca. 1800 war die Dampfmaschine die meist eingesetzte Kraftmaschine, die jedoch durch das Betreiben der nötigen Dampfkessel zu dieser Zeit große Gefahren durch explodierende Dampfkessel mit sich brachte. Nach der Dampfmaschine ist der Heißluftmotor die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Nach einem ihrer Erfinder, dem schottischen geistlichen Robert STIRLING auch weltweit STIRLING-Motor benannt. Die Geschichte des Heißluftmotors im damaligen Großmaschinenbau reicht zurück in das Jahr 1807 als Sir George Cayley (1773–1857) in England die Konstruktionszeichnung und -beschreibung einer Maschine veröffentlichte, die er „calorische Maschine“ nannte. Diese Maschine blieb im Reißbrettstadium und wurde auch später nie verwirklicht. Jedoch regte diese Idee viele Ingenieure an, die Idee weiter zu verfolgen und zu verbessern.

Nach der Dampfmaschine ist der Heißluftmotor die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Nach einem ihrer Erfinder, dem schottischen geistlichen Robert STIRLING auch weltweit STIRLING-Motor benannt. Die Geschichte des Heißluftmotors im damaligen Großmaschinenbau reicht zurück in das Jahr 1807 als Sir George Cayley (1773–1857) in England die Konstruktionszeichnung und -beschreibung einer Maschine veröffentlichte, die er „calorische Maschine“ nannte. Diese Maschine blieb im Reißbrettstadium und wurde auch später nie verwirklicht. Jedoch regte diese Idee viele Ingenieure an, die Idee weiter zu verfolgen und zu verbessern. 1816 meldet der Reverent Robert Stirling, damals 26 Jahre alt, die erste „STIRLING-Maschine“ und des „Economizers“ (Regenerator) zum Patent an. Die Auswirkung des Regenerators hat bis heute in der Industrie ihre Bedeutung.

1827 wird eine verbesserte Heißluftmaschine in Zusammenarbeit mit seinem Bruder Ing. James Stirling angemeldet. Diese Heißluftmaschine war die Erste, die mit einem völlig geschlossenen Kreislauf arbeitete, und stellte auch von der Konstruktion her ein heute noch gern benutztes Aussehen (Beta-Type) dar.

Heute ist der „STIRLING-Motor“ rund um den Globus ein Sammelbegriff für Wärme-Kraftmaschinen die nach diesem Prinzip arbeiten.Mehrere Namen sind im vorigen Jahrhundert mit der Weiterentwicklung der Maschineverbunden: Der SchwedeJ. Ericsson, wohl der bedeutenste Pionier auf diesemSektor,A.K. Rider(USA),W. Lehmann(Deutschland).Ihre Maschinen und Erfindungen aufzuführen, würde den hier gedachten Informa-tionsrahmen sprengen.

Bauarten und Maschinentypen

Trotz der Übermacht von Wasser- und Dampfkraft konnte sich das Arbeitsmedium Luft in einigen speziellen Anwendungsbereichen als sinnvolle Alternative behaupten.

Besonders im Kleingewerbe, in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts, waren beson-dere, einfach zu bedienende Kleinantriebe gefragt. Der menschliche Erfindergeist hatviele Maschinen dieses Genres entstehen lassen. Der Verdienst, etwas Ordnung in dieverschiedenen Heißluftmaschinentypen gebracht zu haben und sie nach Funktion undWirkungsweise in Gruppen einzuordnen, gebührt nachJ. O. Knokedem ConrectorG. Delabar. Lange Zeit begleiteteDelabarals vielbeachteter Fachautor die Entwicklungder Heißluftmaschinen in den damaligen Fachblättern und berichtete über Fortschritteauf diesem Gebiet, hauptsächlich in Dingler’s polytechnischem Journal.Er beurteilte die Bauarten nach ihrem Funktionsprinzip und unterschied drei Haupt-gruppen:

1. Offene Heißluftmaschinen, bei denen die Feuergasenicht mit dem Arbeitskolben in Berührung kommen undnormale atmosphärische Luft ansaugen und erhitzt wird, arbeitsleistend wirkt und dann die Maschine wieder in dieAtmosphäre verläßt. Die bekannteste Maschine dieserBauart wurde 1861 von derFirma Wilcoxgebaut.
2. Feuerluftmaschinen, in welchen die Feuergase direktarbeitsleistend auf den Arbeitskolben wirken und die teil-weise zwecks Herabminderung der Temperatur Umgebungsluft mit ansaugen. Hier sei auf dieFirma Windhau-senundHuchin Braunschweig hingewiesen. Diese hatten1864 eine Feuerluftmaschine konstruiert, patentiert undwohl nach Aussage vonKnokein kleiner Stückzahl gebaut. Die damaligen technischen Möglichkeiten zeigtendieser Bauart ihre Grenzen, sodass ihr wenigErfolg beschieden war.
3. Geschlossene Maschinen, bei denen eine konstanteLuftmenge im geschlossenen System einen Kreisprozessdurchläuft (System Stirling).

Geschlossene Heißluftmaschinen

Das Prinzip der geschlossenen Heißluftmaschinen, auch „Stirling-Motor“ genannt, beruht auf der Überlegung, eine konstante Luftmenge in einem geschlossenen, variablenRaum einen Kreisprozess durchlaufen zu lassen, und dabei arbeitswirkend die Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Die Maschinen dieser Gruppe verfügen über einen Arbeits- und Verdrängerkolben, welche wahlweise in einem oderzwei Zylindern angeordnet sein können. Beide Kolben sind über Kolbenstangen mitder Kurbelwelle verbunden, wobei der Verdrängerkolben VK dem Arbeitskolben AK um etwa eine viertel Umdrehung (zwischen 65°bis 99°) voreilt.Das Arbeitsprinzipeiner geschlosse-nen kalorischenMaschine ist relativeinfach:* Denktman sich eine ge-wisse konstanteLuftmenge in ei-nem zylindrischenRaum so einge-schlossen, dasssich in dem Zylin-der ein Kolbenluftdicht verschieben lässt, so wird, sobald die abgeschlossene Luft in irgendeinerWeise erwärmt wird, dieselbe sich ausdehnen und den Raum zu erweitern suchen;die sich dabei äußernde Spannnung (Druckanstieg) der heißen Luft treibt dann denverschiebbaren Kolben vor sich her. Kühlt man hierauf die Luft im Zylinder plötzlich ab,so zieht sich dieselbe zusammen; der Druck von innen nach außen hört auf und derRückgang des Kolbens wird dann durch die Schwungkraft eines auf der Triebwelledes Motors befestigtenschwerenSchwungrades bewirkt. Die Maschine ist daher nureineeinseitigwirkende, da bei derselben, die bewegende Kraft nur den Hingang desArbeitskolben bewirkt, wärend dessen Rückgang durch die Schwungmasse besorgtwird. Gemäß dieser Arbeitsweise besitzen Heißluftmaschinen in der Regel zwei Zylin-der, den im Durchmesser größeren Verdrängerzylinder VZ und den Arbeitszylinder AZ. Im VZ bewegt sich ein Hohlkolben aus dünnwandigem Eisen-, Kupfer- oder Mes-singblech, aber auf jeden Fall möglichst leicht gearbeitet, der sogenannte Verdränger V, welcher im Zylinder nicht eng anliegt, sodass die Luft an ihm vorbei strömen kann.Hingegen befindet sich der Arbeitskolben AK im AZ gut geschmiert und gasdicht pas-send, er verschließt den oben offenen Zylinder, welcher über ein Rohr (Überströmka-nal) mit dem VZ verbunden ist. W ist die unter dem „heißen Teil“ befindliche Wärme-quelle und K ist die Kühlvorrichtung, die in diesem Beispiel als Wasserkühlung gezeigtwird. Ein Regenerator ist in diesem Schema nicht vorgesehen, wäre aber wohl im Zwi-schenraum Kolben / Verdränger am sinnvollsten untergebracht. In der Regel eilt, wiebereits gesagt, der AK dem VK um 90°vor und bestimmt dadurch die Drehrichtung!

In der Arbeitsphase (1) dehnt sich die durch W erhitzte Luft im VZ aus, streicht an V vorbei und treibt den AK nach oben. Durch die entstandene Kurbelwellendrehung be-wegt sich jetzt der Verdränger V nach unten und verdrängt die im Heizraum befindlicheerwärmte Luftmänge. Sie strömt am Verdränger vorbei in den gekühlten Raum obenund gibt ihre Wärmeenergie an die Kühlvorrichtung ab. Diesen Arbeitspunkt kann manals Entspannungsphase (2) betrachten. Der Druck im AZ ist dadurch gesunken. DieTrägheit der Schwungmasse treibt den Arbeitskolben AK nach unten. Gleichzeitig bewegt sich der Verdränger V wieder nach oben und verdrängt die abgekühlte Luftwieder in den warmen Teil des Verdrängerzylinders. Bezogen auf die Bewegung desArbeitskolbens kann man diesen Arbeitspunkt Rücklaufphase (3) nennen. Hat derVerdränger nun seinen oberen Totpunkt erreicht, beginnt der Kreisprozess von neuem,der nächste Arbeitsakt wird eingeleitet.

Alle in der Geschichte erfolgreichen Heißluftmotoren arbeiten nach diesem Prinzip(Rider, Ericsson, Lehmann, u.a.). Die Gründe liegen auf der Hand, denn im Gegensatzzur Dampfmaschine, bei der ständig der Wasserstand im Kessel überprüft und mittelsSpeisepumpe dosiert nachgespeist werden muss, um das verbrauchte Wasser zuersetzen, wird die Laufdauer eines Heißluftmotors allein durch die Brennstoffversorgung bestimmt. War eine kontinuierliche Versorgung vorgesehen, zum Beispiel einflüssiger oder gasförmiger Brennstoff, war die Betriebsdauer praktisch unbegrenzt, vonsporadischen „Schmierpausen“ einmal abgesehen. Während dieser Zeit lief der Motorwartungsfrei. Diese spezifischen Qualitäten wurden nur durch den Elektromotor übertroffen.

Eine weitere wichtige Bauform der geschlossenen Maschinen ist die Anordnung derbeiden Kolben in nur einem Zylinder. Der Vorteil ist eine kompaktere Bauweise der Ma-schine und nur ein Zylinder, in dem sich alles abspielt, der Nachteil ein deutlich höherermechanischer Aufwand bei der Ansteuerung der beiden Kolben. Die Funktion ent-spricht der oben an der Zweizylindermaschine erklärten Wirkungsweise. Erfolgreich ingrößeren Stückzahlen gebaut wurden diese Maschinen von den Firmen Lehmann inDeutschland, und Ericsson in den USA.

Im Jahre 1868 wurde eine geschlossene Maschine von Lehmann bekannt, welchewohl eine Weiterentwicklung von Ericsson’s letzter offener Maschine darstellt. Lehmann übernahm einige wichtige Konstruktionsmerkmale, wechselte aber dasFunktionsprinzip. Er wählte ebenfalls eine liegende Anordnung mit einer über derMaschine angeordneten Kurbelwelle. Den Verdränger führte er mit Hilfe einer Rolleim Inneren des Zylinders und durch die Führung im Arbeitskolben. Die Beheizungerfolgte mit Kohle in einem gemauerten Ofen und die Kühlung bestand aus einemum den Zylinder angeordneten Wassermantel. Einen Regenerator hatten dieersten Konstruktionen nicht.

Ericsson’s Weiterentwicklung führte zu der hiergezeigten Anordnung. Er wechselte das Funktionsprinzip, denn er hatte wohl auch die Vorzügeder geschlossenen Bauart erkannt. Im Gegensatz zu Lehmann baute er seine Maschinen instehender Ausführung, was die Lagerung undFührung des Verdrängers vereinfachte. Um eineaufwendige Mechanik kam er allerdings auchnicht herum. Die Ansteuerung beider Kolbenerfolgte mit nur einer Kurbel. Der Arbeitskolbenund die angeflanschte Wasserpumpe wurdenmittels Balancier mit der Kurbel verbunden, derVerdränger hatte über einen Winkelhebel Verbindung mit der Kurbel. Bei der Brennstoffversorgung hatte Ericsson erkannt, dass für einenmöglichst gleichmäßigen Lauf der Maschineeine kontinuierlich brennende Wärmequelle Grundvoraussetzung ist. Von allen in Frage kommenden Brennstoffen ist auch heute noch Gas der Vorteilhafteste und so versah Ericsson diese Maschine mit einem Gasbrenner, der den Vorteil der Regelung hatund der leichteren Handhabung diente.

Mit der Erfindung von O. Ringbom hat wohl die klassischeHeißluftmaschinenentwicklung ihr Ende gefunden. Ringbom patentierte diesen nach ihm benannten Maschinentyp im Jahr 1907, lange nach der Einführung von Gas-,Benzin- und Elektromotoren. Viel zu spät, als dass erhiermit noch eine Chance auf dem Markt gehabt hätte. Eshandelt sich hierbei um eine bemerkenswerte geschlossene Maschine, welche eine weitere Untergruppe in diesem Typus darstellt. Sie verfügt über einen federnd aufgehängten Verdränger, welcher keine mechanischeVerbindung mit der Kurbelwelle hat. Nur der Arbeitskolbensteht mit der Kurbelwelle in Verbindung. Der eng, abernicht luftdicht passende Verdrängerkolben wird nur durch die Luftbewegung der vomwarmen zum kalten Teil und zurück strömenden Luft bewegt. Diese Maschine ist zwarselbstanlaufend, d.h. die Verdrängersteuerung. Die Drehrichtung, nach der diese sichin Gang setzt, lässtsich aber im Voraus nicht bestimmen.

Da gegen Ende des 19. Jahrhundert neue Erfindungen auf den Markt kamen, diewieder eine neue Epoche der Industrialisierung darstellten (Otto-, Diesel-, Elektromotor), wurde der Heißluftantrieb sehr schnell durch diese Aggregate verdrängt.

Die Heißluftmaschine war von Größe und Leistung eben nur für’s Kleingewerbe geeignet. D. h. er wurde eingesetzt als Antrieb für Pumpen, Rührwerke, Ventilatoren,Schleifsteine, Nähmaschinen, Gramophone usw. Für diese Zwecke wurde sie auslaufend bis ca. 1920 gebaut. Dann wurde es sehr ruhig um diese Antriebsart.

Da seit der Blütezeit der Heißluftmaschine ein Jahrhundert mit zwei Weltkriegen vergangen ist, ist erklärlich, dass sich nur sehr wenige dieser interessanten Maschinenüber die Zeit erhalten haben und sie somit sehr selten sind. Nur wenige Museen undSammler verfügen über alte Originale.

1938 griff Firma Philips die Idee wieder auf. Der Gedanke war, einen Stromgenerator mit Stirlingantrieb zu entwickeln, um die damaligen Röhren-Radios vom Stromnetzunabhängig betreiben zu können. Als das Aggregat serienreif war, stellte sich auf anderer Ebene der Transistor und leistungfähige Batterien dem Stirlingaggregatgegenüber und traten ihren Siegeszug an. Philips hat jedoch den Stirling-Motor weiterentwickelt bis in die 70er Jahre und sehr viel erreicht. Es wurden viele technischeNeuerungen und Patente erarbeitet. So entstanden Stromaggregate, Jachtmotore,U-Bootmotore, Verdichter. Diese technische Entwicklung ließ manches Unternehmenin der Welt aufhorchen. Patente und Lizenzen wurden vergeben u. a. anGeneral Motors, MAN, Ford Motor Company. Es sind nicht wenige Firmen die heuteüber Antriebe zwischen 45–800PS verfügen. Fast alle Autokonzerne haben ihren Prototypen laufen, vor allem in Japan. In Schweden wird der Stirling-Motor alsHybridsystem in U-Booten eingesetzt. Für kleine U-Boote wird ein 100 KW Stirling-Motor angeboten mit einer Lebensdauer von 30 Jahren. Insgesamt beschäftigen sichweltweit ca.100 Unternehmen mit der STIRLING-Technologie.

Dass der Stirlingmotor inzwischen (fast) wieder in aller Munde ist, verdankt er offensichtlich der Energieverteuerung und dem wachsenden Umweltbewusstsein derletzten Jahre. Die Bedeutung des Stirling-Motor nimmt kontinuierlich zu.

Wenngleich in einer größeren Anzahl von Unternehmen an der Weiterentwicklunggearbeitet wird, besteht auch in technisch interessierten Kreisen noch teilweiseUnkenntnis über die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Bedauerlicherweise wirkt sichdieser Umstand negativ auf die Fertigungskosten und somit den Endpreis aus undhemmt eine wünschenswerte Verbreitung.

Wir dürfen gespannt sein, trotz der ein oder anderen technischen Schwierigkeit, inwelchen Bereichen wir noch in den nächsten Jahren von Maschinen und Aggregatenerfahren, die nach dem STIRLING-Prozess arbeiten. Weitere umfassende Informationentnehmen Sie bitte unserem Angebot an Schriften und Bücher.

Heißluft im Spielzeug

Nachdem sich im Jahre 1866 Ernst Plank als erster mit der Produktion von Spiezeug-Dampfmaschinen und anderen Spielwaren aus Blech befasste, dauerte es noch bisungefähr 1895, bis die ersten Spielzeug-Heißluftmotoren in den Geschäften auftauch-ten. Wer der erste Anbieter war, lässt sich leider nicht mehr ermitteln; aber in zeit-genössischen Katalogen tauchen ziemlich zeitgleich Maschinen der Firma Plank, Schoenner und Krauss Mohr & Co. auf. Sie arbeiteten alle mit dem geschlossenenSystem nach STIRLING, also mit nebeneinander gelagertem Arbeits- und Verdrängerzylinder, wobei K. M. & Co. die Wasserkühlung, die anderen die Luftkühlung bevorzugten. Direkte Vorbilder im Großmaschinenbau gab es nicht. Diese Maschinen sindeher als Lehrmittel zur Verdeutlichung der physikalischen Effekte zu verstehen. ZweiJahre später bringt Plank das erste Boot mit einem Heißluftmotor als Antrieb auf denMarkt, wenig später dann auch eine Lokomotive und eine Straßenbahn. Reale Vorbilder sind nur aus dem Schiffbau (vergl. J. Ericsson, 1852 ) bekannt.

1903 erschien Carette zuerst mit einer Maschine, bei der beide Kolben in einemZylinder untergebracht waren. Die Konkurrenten wie Märklin zogen bald nach. Abschließend ist zu bemerken, dass aber im Spielzeugbereich die zweizylindrige Bauweise aufgrund des einfacheren Aufbaus überwiegend in Anwendung kam. Nur Märklin hat, bis zum Schluß der Heißluft-Ära, ca. 1931 (vergl. Märklinkatalog DD8, 1931), an der einzylindrigen Bauweise festgehalten.

Heißluftmaschinen im Modellbau

Der Faszination, die von dieser interessanten Technik ausgeht, kann sich wohl kein Motoren- und Maschinen-Modellbauer über kurz oder lang entziehen.

Ob man sich nun beim Modellbau für den Nachbau von Historischen Vorbildernentscheidet oder lieber eigene Konstruktionen und Ideen verwirklicht, in beiden Fällen wird man wohl das Funktionsprinzip der geschlossenen Bauart nach STIRLING anwenden.

Der Stirling-Modellbau erfordert eine exakte, ordentliche Bearbeitung, da das Modellnur durch den Temperaturunterschied zwischen kalter und heißer Zone bewegt wird.Ein Stirlingmodell hat demzufolge motorgemäß erheblich weniger Kraft als ein gleichgroß dimensioniertes Dampfmodell. Im Stirling-Modellbau geht es jedoch in erster Linieum den Bau von schönen voll funktionierenden Modellen und nicht um Kraftentfaltung.Ein Angebot von Fertig-Bausätzen wird kaum angeboten, da es bei der Montage vonungeübten Erbauern zu Fehler kommen kann und der Erfolg sich nicht einstellt.

Eine große Unterstützung ist für den Modellbauer mit entsprechender Möglichkeit (drehen, fräsen, bohren, löten) der Erweb von guten Zeichnungen und evtl. Material-bausätzen mit den entsprechenden Einzelteilen. Der wesentliche Vorteil ist hierbei aberder Wegfall von zeitraubender Suche nach geeigneten Materialien und speziellenBauteilen, die im Materialsatz dann in der Dimension und richtigen Materialpaarungstimmen.

Alle WIGGERS-Modelle, ob originalgetreuer Nachbau oder eigener Entwurf, arbeitenmit dem geschlossenen System, wie in den Anfängen dieser faszinierenden Technikvor über 180 Jahren.