Stirlingmotor - die Anfänge

Schnittdarstellung

Der als 90° V-Zweizylinder konzipierte Motor "SOLO Stirling 161" verfügt über einen Verdichtungs- und einen Arbeitszylinder, zwischen denen das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreisprozeß hin- und hergeschoben wird. Im Verdichtungszylinder erfolgt bei niedriger Temperatur unter Wärmeabfuhr an das Kühlwasser die Kompression, beim isochoren Übertreiben in den Arbeitszylinder nimmt das Gas Wärme aus dem Regenerator und erwärmt sich dadurch auf ca. 650 °C. Bei der isothermen Expansion im Arbeitszylinder wird ihm im Erhitzer Wärme zugeführt, danach erfolgt das Zurückschieben in den Kompressionszylinder, wobei es Wärme an den Regenerator abgibt und sich dabei abkühlt. Der Erhitzer besteht aus Röhrchen, die von der Wärmequelle auf etwa 700 °C erwärmt werden, der Arbeitsgaskühler aus einem von Kühlwasser durchströhmten Röhrchenbündel und der Regenerator, der einen thermischen Speicher zwischen den beiden Temperaturniveaus darstellt, aus einem Paket von Drahtsieben. Um Strömungsverluste in den Wärmeübertragern zu verringern, wird als Arbeitsgas meist Helium verwendet. Durch den geschlossenen Kreisprozeß mit der Wärmeeinkopplung von außen ist der Stirlingmotor unabhängig von der Art der Wärmequelle. Wird ein Brenner als Wärmequelle verwendet, verläßt das Rauchgas den Erhitzer mit einer Temperatur von etwa 800 °C, die noch im Abgas enthaltene Energie wird dann über einen Luftvorwärmer auf die Verbrennungsluft übertragen, die auf etwa 600 °C vorgewärmt wird. Brenner für effiziente Stirlingmotoren unterscheiden sich durch diese Luftvorwärmung von üblichen Heizungsbrennern und arbeiten im Brennraum auf deutlich höheren Temperaturniveau bei 1200-2000 °C.

Die Kolben sind über Stangen mit den Pleueln verbunden, an denen das ölfreie Arbeitsgas und der ölgeschmierte Kurbeltrieb durch Manschetten abgedichtet werden. Kolben- und Kolbenringe (aus speziell entwickeltem Material) laufen trocken in den Zylindern. Die abgegebene Leistung läßt sich durch Anpassung des Arbeitsgasdruckes zwischen 30 und 130 bar zwischen 3 und 9 kW an der Welle einstellen. Über eine Pumpe kann Arbeitsgas aus dem Prozeß in eine Druckflasche abgepumpt werden, bei Öffnen eines anderen Magnetventils kann dieses wieder zurückfließen.

Zur Maschine gehört eine Prozessor gesteuerte Regelung, die die Temperatur des Arbeitsgases im Erhitzer durch Steuerung der Wärmezufuhr oder des Arbeitsgasdruckes konstant hält. Der Prozessor überwacht außerdem Öldruck, Kühlwassertemperatur, Drehzahl bei Generatorbetrieb und weitere Sicherheitsaspekte, er gibt Störmeldungen mit Fehlerangabe aus, bei Bedarf auch über ein Modem zur Ferndiagnose.