Die Stirling-Pyramide

Man muss wissen, was man will und was man kann

Es gibt viele Unterschiede zwischen Heißgasmotoren. Die Typologie scheint keine Grenzen zu kennen.

Neben den sogenannten Typen Alpha, Beta und Gamma gibt es die vielfältigsten Bauformen nach Kolben-Variationen und Triebwerks-Variationen (siehe Literatur, z.B. „Stirlingmaschinen“ von Martin Werdich und Kuno Kübler; Seite 39-55 und 58-70 in der 12. Ausgabe, bzw. Seite 27-35 und 39-46 in der 13. Auflage).

Darüber hinaus kann man deutlich zwischen drei Generation unterscheiden:

• die großen, offenen Motoren mit Tropföl-Schmierung des 19. Jahrhunderts
• die geschlossenen Maschinen mit Spritzöl-Schmierung ab 1938 und
• die fettgeschmierten Trockenläufer, etwa ab 1980

Aber es gibt noch ein weiteres Unterscheidungsmerkmal , auf das selten eingegangen wird, obwohl es allgegenwärtig ist. Ich denke, es ist am besten, dieses Merkmal einmal als Pyramide aufzuzeichnen (siehe unten).

Dabei will ich den Modellbauer nicht schmähen und schon gar nicht abwerten, der ein formvollendetes Modell für den Schreibtisch fertigt. Ein solches Modell ist als Wegbereiter genauso wertvoll wie eine wirtschaftliche Kraft-Wärme-Kopplung im Keller. Aber es gibt dazwischen große Unterschiede.

Bei der Stirling-Pyramide geht es um diese Unterschiede, nicht um Qualitäts-Stufen und schon gar nicht um gut oder schlecht konstruierte bzw. gefertigte Maschinen.

Jeder, der einen Stirlingmotor plant, muss wissen, was er will (Anwendung) und kalkulieren, was er zu investieren bereit ist – finanziell, zeitlich und organisatorisch. Es geht also um eine Art Level oder noch besser einen Stand, den der Stirlingmotor inne hat.

Außerdem kann die Stirling-Pyramide dazu dienen, zu erkennen, welche Maßnahmen nötig wären, um bei der nächsten Konstruktion einen nächst höheren Stand zu erreichen. Der Aufwand wird nach oben hin immer größer. Das muss man wissen, wenn man z.B. bessere Wirkungsgrade oder ein besseres Leistungsgewicht erreichen will.

Die Einteilung in die verschiedenen Pyramiden-Stufen habe ich durch Vergleich vieler Stirlingmotoren (auch selbstgebauter) getroffen. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder „richtige“ Reihenfolge. So kann man sich durchaus vorstellen, dass bei Modellen auch angepasste Phasenwinkel von z.B. 70° gebaut werden, aber der Normalfall wird das nicht sein.

Die Zahlenangaben sind alle mit dem Etikett „ungefähr“ und „ca.“ zu verstehen, sie bezeichnen lediglich den Trend, der sich bei den Stufen abzeichnet.

Jedenfalls sollte anhand dieser Pyramide ein Käufer abschätzen können, ob ein Motor, der ihm angeboten wurde, das hergibt, was er sich von der Maschine erhofft hat.

Der Sprung vom Modellmotor zum Projektmotor

Wer bisher Erfahrungen mit einem Modellmotor gemacht hat, will mehr. Ein bisschen Leistung - wenigstens 200 W - das sollte doch möglich sein! Doch der Sprung ist groß. Deshalb gibt es kaum Motoren in dieser Leistungsklasse, die Einzelne auf den Weg gebracht haben. Ein Leistungsmotor benötigt gleich fünf Dinge mehr als ein Modellmotor. Fehlt eines dieser fünf Maßnahmen, so kommt entweder die gewünschte Leistung nicht heraus oder der Motor ist sehr schnell verschlissen. In der Biologie nennt man das eine nichtreduzierbare Komplexität.

1. Der Modellmotor verbraucht ein Großteil seiner thermodynamisch erzeugten Leistung selbst in Form von Reibung am ölgeschmierten Arbeitskolben. Diese Reibung gilt es zu minimieren. Dies erreicht man durch den Trockenlauf. Das Pleuel wird durch einen Anlenkhebel unterbrochen und die restlichen Querkräfte durch eine Teflonbandage am Arbeitskolben abgefangen. Der Zugewinnfaktor beträgt ca. 2,5.
2. Das Gehäuse des Motors wird abgedichtet und der Mitteldruck im Gehäuse erhöht. Zugewinnfaktor (wenn dies einhergeht mit den zwei nächsten Maßnahmen): linear, das heißt bei 2 bar Faktor2, bei 5 bar Faktor 5, bis 20 bar, danach wir Luft immer zäher. Gefährlich wird es ab 40 bar, wegen Fett-Explosion ausgehend von den Kugellagern. Vorsicht bei Druckluft: wenn sie nicht getrocknet wurde, entsteht Rost im Getriebe. Ein höherer Druck im Erhitzer bedeutet, dass dieser unbedingt aus Edelstahl gefertigt werden muss! Ansonsten besteht Explosionsgefahr.
3. Wer hinten aus einem Stirlingmotor richtig viel mechanische Leistung herausbekommen will, muss vorne entsprechend viel Wärmeenergie zuführen. Und das geht nicht mehr über eine noch höhere Temperatur, sondern nur über eine noch größere Oberfläche. Rippen sind gefragt, vor allem außen, nicht aus Messing oder Alu - das wäre angenehm leicht zu fertigen, sondern aus Edelstahl! Und lange Rippen schaden eher, kurze , viele Rippen müssen es schon sein. Sie zu drehen ist möglich, aber eine Geduldsarbeit. Schweißen geht kaum, Löten rate ich nur, wenn man eine Firma mit einem Hochvakuum-Ofen kennt. für größere Leistungs-Motoren sind statt Rippen Röhrchen angesagt, entweder angeschweißt oder auch hochvakuumgelötet.
4. Ein hohes Drehmoment ist dem Stirlingmotor aber erst zu entlocken, wenn er über einen passenden Regenerator verfügt. Am besten eignen sich Edelstahlgewebe, finanziell günstiger und thermodynamisch kaum schlechter sind gestrickte Edelstahl- Strümpfe, wie sie als Filter in Flüssigkeits-Leitungen oder Defibratoren im Auspuff-Bereich verwendet werden (siehe auch Beitrag "Regenerator"). Am besten ist es, die Durchmesser der Zylinder und Kolben bei einer Neu-Konstruktion nach den Regeneratoren zu dimensionieren, die man auf dem Markt findet.
5. Schließlich hilft ein Leistungsmotor nichts, wenn wir seine Leistung nicht beherrschen. Wir sollten uns also ein paar Gedanken zur Leistungs-Regelung machen. Außerdem kann ein Leistungsmotor durchgehen, und dieser Fall kann schneller eintreten, als einem lieb ist. Dann war alle Arbeit umsonst und der Motor ist hin. Es braucht nur ein Keilriemen zu reißen oder jemand stolbert über das Kabel, das den Generator mit der aufzuladenden Batterie verbindet. Ab einer bestimmten Überdrehzahl sollte ein akustisches Warnsignal unüberhörbar sein und bei einer nur geringfügig höheren Drehzahl sollte eine Fliehkraftbremse (siehe auch Beitrag "Die Bremse") das Schlimmste verhindern. Denn auch wenn man die Feuerung sofort abstellt, nimmt die Temperatur am Erhitzer nur langsam ab - viel zu langsam.

Diese fünf Zusatzmaßnahmen braucht man also, um einen Leistungs-Stirlingmotor zu bauen. Ging es bei einem Demonstrationsmotor vielleicht noch mit Pleuel aus Holz, hier ist spätestens Schluß damit. Und bei einem Stirlingmotor, der zwischen 100 und 200W leisten soll, muss man einen Arbeitskolben-Durchmesser von mindestens 45 mm einplanen, der Verdränger-Durchmesser mindestens 50 mm. Der Hub kann 40 mm betragen. Hier merkt man schnell, das sind keine Dimensionen mehr, wie sie bei Modellmotoren üblich sind.