Wie funktioniert ein Vakuummotor?

Was ist ein Vakuummotor?

Ein Vakuummotor (auch Flammenleckermotor, Flammenmaschine, Flammenfressermotor, Flammentänzer genannt) bezieht seine Kraft aus dem Luftdruck auf einer Seite des Kolbens, auf dessen anderer Seite ein Unterdruck herrscht. Zu Beginn eines Aushubs öffnet sich ein Ventil im Zylinderkopf und lässt eine Ladung brennenden Gases und Luft einströmen, die durch das Schließen des Ventils eingeschlossen wird und sich ausdehnt. Gegen Ende des Hubs kommt die Ladung mit einem wasser- oder luftgekühlten Teil des Zylinders in Kontakt und wird gekühlt. Dies führt zu einem plötzlichen Druckabfall, der ausreicht, um den zur Kurbel hin offenen Kolben beim Rückhub zurückzuziehen. Das Ventil öffnet sich rechtzeitig wieder, damit der Kolben die verbrannten Gase ausstoßen kann, bevor der nächste Aushub beginnt.

Wie funktioniert ein Vakuummotor?

Bei einem Vakuummotor wird der Unterdruck durch eine externe Pumpe erzeugt. Diese Motoren wurden in Großbritannien häufig zum Antrieb von Eisenbahndrehscheiben eingesetzt. Dabei wurde das durch den Vakuum-Bremsauswerfer einer Dampflokomotive erzeugte Vakuum genutzt. Das Funktionsprinzip ähnelt dem einer Dampfmaschine – in beiden Fällen wird die Leistung aus einem Druckunterschied gewonnen.

Anders als der ideale Ottomotor benötigt der Vakuummotor eine konstante Wärmequelle durch die Verbrennung von Kraftstoff. Wie bereits erwähnt, ermöglicht ein Ventil die Zufuhr von Wärme in die Kolbenkammer. Nimmt man an, dass die Wärmezufuhr (Qin) im kontrollierten Volumenraum konstant ist, impliziert die ideale Gasgleichung PV = nRT einen Druckanstieg in der Kolbenkammer. Nach dem Schließen des Ventils durchläuft der Kolben während des Abwärtshubs einen adiabatischen Prozess. Am unteren Ende seines Hubs wird die Kammer entweder durch die umgebende Luft oder Wasser gekühlt, und die resultierende Wärmeabfuhr (Qout) bewirkt einen Druckabfall im Kolben. Anschließend wird das Gas in der Kammer erneut adiabat komprimiert. Das Ventil am oberen Ende des Zylinderhubs entlastet das Gas, während gleichzeitig neues, erhitztes Gas in die Kammer strömt.

Eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung dieses Motors war die extrem niedrige Effizienz in der Praxis. Da die Wärmequelle nicht auf einen bestimmten Bereich begrenzt ist, wird nur ein kleiner Teil des potenziellen Kraftstoffs zum Antrieb des Motors verbraucht. Da der Motorwirkungsgrad durch das Verhältnis zwischen der geleisteten Arbeit und der potenziellen Energie des verbrauchten Kraftstoffs definiert wird, wird beim Vakuummotor nur ein geringer Teil des verbrannten Kraftstoffs zum Antrieb des Motors genutzt. Die restliche Kraftstoffenergie geht an die umgebende Atmosphäre verloren.

Ein Vakuumsystem kann zur Kraftübertragung verwendet werden, obwohl die maximale Leistung, die auf einen Vakuummotor übertragen werden kann, geringer ist als bei herkömmlicher Pneumatik. Es gibt einen optimalen Druck für den Betrieb eines Vakuum-Kraftübertragungssystems von etwa 0,4 bar (8 psig), wie Downie ebenfalls zeigt. Obwohl es weniger effizient als Pneumatik ist, kann es durchaus funktionieren. Beispielsweise kann ein 22 mm (7/8") Rohr unter Vakuum bei 0,4 bar (8 psig) genauso viel Leistung übertragen wie ein 6 mm (1/4") Rohr bei 8 bar (100 psig). Das System ist so effizient, dass Boulton und Watt in ihrer Fabrik eine Vakuum-Kraftübertragung einsetzten. Sie nannten die Vakuumhauptleitung in der Fabrik „Spirit Pipe“.

Zusammenfassung

Der Vakuummotor ist ein atmosphärischer Motor, da hier der äußere Luftdruck die Arbeit übernimmt (vergleichbar mit dem ersten Benzinmotor). Dadurch ist die maximale Kolbenkraft auf das Produkt aus Kolbenfläche und Luftdruck begrenzt.

Genauer gesagt handelt es sich um einen Vakuummotor, der im Volksmund auch Flammenfresser genannt wird. Er zählt zu den Heißluftmotoren, ist aber im Gegensatz zum Stirlingmotor ein offenes System.

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