1) (zwischen a und b)
Der
Verdrängerkolben bewegt
sich
nach unten. An ihm vorbei
strömt
die Luft in den heißen
Teil,
erwärmt sich dabei und
erzeugt
einen höheren Druck
als
im Getriebe.
Funktionsweise eines langsam laufenden Stirlingmotors
1)
(zwischen
a und b)
Der
Verdrängerkolben bewegt sich
nach unten. An ihm vorbei strömt
die Luft in den heißen Teil,
erwärmt sich dabei und erzeugt
einen höheren Druck als
im Getriebe.
2) (zwischen b und c)
Der
erhöhte Druck pflanzt sich
im
Kaltteil und im Überströmrohr
fort
und drückt den Arbeits-
kolben
nach rechts: Die Kurbel
wird
ein erstes Mal angetrieben.
Dabei
sinkt der Druck auf das
Niveau
des Getriebedrucks.
3) (zwischen c und d)
Der
Verdrängerkolben bewegt
sich
nach oben. Die heiße Luft
gelangt
in den kalten Teil, wobei
sie
sich abkühlt und ein Unter-
druck
gegenüber dem Getriebe
erzeugt
wird.
4) (zwischen d und a)
Der
Unterdruck pflanzt sich im
Überströmrohr
fort und saugt
den
Arbeitskolben nach links:
Die
Kurbel wird ein zweites
Mal
angetrieben. Dabei erhöht
sich
der Druck wieder auf das
Niveau
des Getriebedrucks.
Ein langsam laufender Stirlingmotor besitzt also innerhalb einer Kurbelumdrehung einen Drucktakt (b nach c) und einen Saugtakt (d nach a). Beide Takte besitzen ein positives Drehmoment. Lediglich kurz vor den Totpunkten wird das Schwungrad benötigt.
Wer mit physikalischen Begriffen und dem pV-Diagramm etwas anfangen kann, dem sei gesagt, dass die oben aufgeführten 4 Phasen folgende Fach-Bezeichnungen tragen:
1) Isochore Kompression 2) Isotherme Expansion 3) Isochore Expansion und 4) Isotherme
Kompression Das
ist allerdings nur die halbe Wahrheit, denn die vier Phasen oben gelten
wie gesagt nur für langsam laufende Stirlingmotoren, und heutige
Stirlingmotoren sind alles andere als langsam.
Nur
was heißt langsam? Um
diese Frage zu klären, müssen wir etwas tiefer in die Thermodynamik
eintauchen.
Isotherme
Kompression heißt, dass das tiefe Temperaturniveau des Gases durch eine
Kühlung
des Kompressionszylinders aufrecht gehalten wird, und zwar über die
gesamte
Dauer der Kompression hinweg.
Isotheme
Expansion heißt, dass das hohe Temperaturniveau des Gases durch eine
Erhitzung
des Expansionszylinders aufrecht gehalten wird, und zwar über die
gesamte Dauer
der Expansion hinweg.
Die
Frage ist, wie schnell kann ein Gas im Inneren eines Zylinders von
außen
nachgekühlt bzw. nachgewärmt werden? Tests haben ergeben, dass dies
bereits bei
60 Umdrehungen pro Minuten nicht mehr ganz der Fall ist, wenn von einem
Liter auf
0,5 Liter komprimiert wird. Bei kleineren Motoren, die von 100 cm³ auf
50 cm³
komprimieren, liegt dieser Punkt bei 100 Umdrehungen pro Minute.
Komprimiert
bzw. expandiert man schneller, so muss man eine Temperatur-Veränderung
in Kauf
nehmen, die das pV-Diagramm völlig verändern. Ab ca. 400 Umdrehungen
pro Minute
kann man schon deulich von adiabaten Zustandsänderungen sprechen.
Bereits
die Stirlingmotoren das 19.Jahrhunderts liefen in dem Mischbereich.
Seit 1937,
als Philipps damit begann, die Motoren aufzuladen, gibt es keine
Leistungs-Stirlingmotoren
mehr mit Drehzahlen unter 600.
Angesichts
dieser Tatsache ist es ein Witz, dass im Physikstudium und in der
Fachliteratur der
Stirling-Kreisprozess
immer noch mit zwei isothermen Zustandsänderungen dargestellt wird.
Man könnte über die Affäre mit einem lächelnden Auge hinwegsehen, wenn es da nicht einen sehr ernsten Aspekt gäbe. Schaut man sich das neue pV-Diagramm mit den Adiabaten genauer an (siehe unten), dann fällt auf, dass die Druckspitze auf der Überdruckseite fast doppelt so hoch ist. Dies bedeutet dann im Mittel, dass die Lagerstellen ca. 60% stärker belastet werden. Jede Mehrbelastung um 10% bewirkt aber bereits eine Lebensdauer-Reduktion um 27%. Bei der Mehrbelastung von 60% bleiben nur noch 20% der Lebensdauer übrig! Wehe, jemand legt seine Lager nach dem oberen und nicht nach dem unteren pV-Diagramm aus, dessen Firma bzw. Heißgasmotor-Projekt wird scheitern!
Aus
diesem Grund ist es dringend notwendig, das pV-Diagramm mit Adiabaten
in die
Stirling-Fachwelt einzuführen.
Sinnvoll
und zweckmäßig scheint es mir dabei, die beiden Adiabaten jeweils noch
einmal
zu teilen, so dass unser neues pV-Diagramm sechs statt vier Phasen hat.
Die
Teilung ergibt sich durch den Mitteldruck im Gehäuse. Während bei
langsam
laufenden Stirlingmotoren die pV-Kurve bei Punkt b und d gleichzeitig
auch
durch den Mitteldruck geht, fangen bei modernen Stirlingmotoren die
isochoren
Zustandsänderungen erst deutlich später an. Die adiabaten
Zustandsänderung
davor rufen ein negatives Drehmoment hervor. Sie bilden im unten
abgebildeten
pV-Diagramm die Strecken zwischen Punkt a und b und zwischen d und e.
Man nimmt diese negativen Drehmomente bei modernen Stirlingmaschinen in Kauf, weil der Zugewinn an Leistung einfach überwältigend ist. Die hohen Drehzahlen machen diese Leistung möglich, und mit ihnen sehr gute Leistungsgewichte. Das bedeutet, dass die Motoren plötzlich kompakt werden, keine riesigen Gestelle mehr darstellen. Aus den zum Teil hausgroßen Motoren des 19. Jahrhunderts sind handliche Aggregate geworden – ein großer Fortschritt!
1)
Adiabate Kompression (zwischen a und b)
[negatives Drehmoment] 2)
Isochore
Kompression (zwischen
b und c)
[schwaches neg. Drehmoment] 3)
Adiabate Expansion (zwischen
c und
d) [positives
Drehmoment] 4)
Adiabate Expansion (zwischen d und e)
[negatives Drehmoment] 5)
Isochore Expansion (zwischen e und f)
[schwaches negatives Drehmoment] 6)
Adiabate Kompression
(zwischen f und a) [positives Drehmoment ! ] Funktionsweise
eines modernen
Stirlingmotors
1)
(zwischen
a und b)
Vom Schwungrad angetrieben komprimiert der Arbeitskolben das
Arbeitsgas. Dadurch wird Wärme frei, die nicht weggekühlt
werden kann, wodurch der Druck zusätzlich steigt.
Zu Beginn dieser Phase waren Arbeitsgasdruck und
Getreibedruck gleich, am Ende liegt der Arbeitsgas- druck
ca. 40% höher als der Mitteldruck im Getriebe.
2) (zwischen b und c)
Der
Verdrängerkolben wird durch sein Kurbeltriebwerk nach
unten
bewegt. An ihm vorbei strömt das Arbeitsgas in den
heißen
Teil, erwärmt sich dabei und erzeugt einen noch
höheren
Druck, der nun bei ca. 80% über dem Mitteldruck liegt.
Diese
Druckerhöhung pflanzt sich auch durch das
Überströmrohr
in den Arbeitszylinder fort.
3) (zwischen c und d)
Der Arbeitskolben wird durch den Überdruck in Richtung
Getriebe
gedrückt und treibt die Kurbel an. Dabei verliert
das
Arbeitsgas seinen hohen Druck und kühlt merklich ab.
Da
es nicht schnell genug nachgewärmt werden kann,
senkt
die Abkühlung im weiteren Verlaufen den Druck
zusätzlich.
Schließlich wird der Mitteldruck erreicht.
4) (zwischen d und e)
Der
Arbeitskolben wird durch das Schwungrad
weiterbewegt.
Wie bei einer Vakuumpumpe baut
er
nun einen Unterdruck im Arbeitsraum auf.
Dabei
kühlt sich das Arbeitsgas noch weiter ab.
Am
Ende dieser Phase liegt der Druck bei
ca.
75% des Mitteldrucks im Getriebe.
5) (zwischen e und f)
Der Verdrängerkolben wird durch sein Kurbeltriebwerk
nach
oben bewegt. An ihm vorbei strömt das
Arbeitsgas
in den kalten Teil, kühlt sich dabei ab
und
erzeugt einen noch niedrigeren Druck,
der
nun bei ca. 60% des Mitteldruckes im Getriebe
liegt.
6) (zwischen f und a)
Die letzte der sechs Phasen ist eine Unterdruck-Kompression.
Der
Unterdruck saugt dabei den Arbeitskolben an.
Er
bewegt den Kolben und das Pleuel, so dass die
Kurbel
ein zweites Mal angetrieben wird. Dabei nimmt
der
Unterdruck ab, bis wieder der Mitteldruck vom Getriebe
erreicht
ist und der Zyklus von vorne beginnt.