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Verfolgen wir die Grundzüge beim Aufbau eines Stirlingmotors. Zunächst werden drei Bestandteile zu einem Kraftpaket zusammengefügt. Von oben aufgelistet: Ein Erhitzer, ein Regenerator und ein Kühler. An das Kraftpaket wird ein Verdrängerzylinder angeschlossen, so dass der Zylinderraum über dem Verdrängerkolben mit dem Erhitzer verbunden ist. Der Zylinderraum unter dem Verdrängerkolben wird mit dem Kühler verbunden. Das Kraftpaket und Verdrängerzylinder bilden zusammen ein geschlossenes Volumen, das mit Gas gefüllt ist. Der Gasdruck über und unter dem Verdrängerkolben ist durch das Kraftpaket ausgeglichen, somit kann die Hubbewegung des Kolbens fast widerstandslos erfolgen. Das Gas über dem Kolben ist vom Erhitzer erhitzt, unter dem Kolben vom Kühler gekühlt. Durch die Hubbewegung des Kolbens wird im geschlossenen Volumen mal mehr heißes Gases gegenüber dem Kalten – mal weniger – enthalten, wodurch die Druckschwingungen entstehen. Die Energie für diese Schwingungen kommt vom Erhitzer. Wegen der Trägheit der Wärmeübertragung von dem Erhitzer an das Gas und andererseits vom Gas an den Kühler erfolgen die Druckschwingungen im geschlossenen Volumen mit einer Phasenverspätung zur Hubbewegung des Verdrängerkolbens. An das geschlossene Volumen wird der Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben angeschlossen. Die mechanische Energie der Druckschwingungen des Gases wird mit Hilfe des Arbeitskolbens angezapft. Die Hubbewegung des Arbeitskolbens erfolgt entsprechend den Druckschwingungen des Gases mit einer Phasenverspätung zum Verdrängerkolben, deren Größe üblicherweise zwischen 90 und 120 Grad liegt. Das Volumen des Arbeitszylinders gehört ebenfalls zum geschlossenen Volumen des Stirlingmotors. Der Energiegewinn entsteht dadurch, dass der Hub des Arbeitskolbens nach oben erfolgt beim niedrigen Druck des Arbeitsgases und der Hub nach unten beim höheren Druck. Anders ausgedrückt: Während das Gas im Motor meist gekühlt ist – erfolgt der Komprimierungstakt des Arbeitskolbens; während das Gas im Motor meist erhitzt ist – erfolgt der Expansionstakt, bzw. der Arbeitstakt des Arbeitskolbens. Ein Teil der mechanischen Energie des Arbeitskolbens wird für die Hubbewegung des Verdrängerkolbens benutzt. Der Stirlingmotor funktioniert solange der Energiefluss vom Erhitzer an das Gas und vom Gas an den Kühler erfolgt.
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Der zum Stirlingmotor zugehörige thermodynamische Zyklus wird Stirling-Zyklus genannt. Das pV-Diagramm eines theoretischen Stirling-Zyklus' ist auf der gezeigt. Vier thermodynamische Prozesse bilden einen Stirling-Zyklus: Zwei Isothermen und zwei Isochoren. Im Punt (1) des PV-Diagramms hat das Arbeitsgas die obere Prozesstemperatur (To); der Arbeitskolben befindet sich im oberen Totpunkt. Es folgt die isotherme Ausdehnung des Gases vom Punkt (1) bis (2), bei der das Gas mechanische Arbeit am Arbeitskolben verrichtet und als Energieausgleich eine bestimmte Wärmemenge vom Erhitzer aufnimmt. Ein Teil der Wärmeenergie wird bei dieser Expansion-Isotherme von einem Wärmeregenerator geliefert. Im Umkreis zum unteren Totpunkt hat der Kolben eine geringe Geschwindigkeit, entsprechend gering ist die Volumenänderung; insofern folgt im pV-Diagramm die isochore Abkühlung des Arbeitsgases vom Punkt (2) bis (3), die entsprechende Wärmemenge wird vom Gas an den Kühler übertragen; das Arbeitsgas bekommt die untere Prozesstemperatur (Tu). Zwischen den Punkten (3) und (4) im pV-Diagramm leistet der Arbeitskolben eine isotherme Komprimierung des Gases, dementsprechende Wärmemenge wird weiterhin an den Kühler übertragen. Ein Teil der Wärmeenergie wird bei dieser Kompressions-Isotherme von einem Wärmeregenerator aufgenommen. Im Umkreis zum oberen Totpunkt des Arbeitskolbens wird das Gas erneut zur oberen Prozesstemperatur (To) erhitzt, was im pV-Diagramm als ein isochorer Prozess zwischen den Punkten (4) und (1) gezeigt ist. Somit ist der Stirling-Zyklus geschlossen. Die in einem Zyklus verrichtete Nutzarbeit (WSt) entspricht im dargestellten pV-Diagramm der vom Graphen umschlossener Fläche mit Eckpunkten (1-2-3-4-1).
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Der praktische Zyklus eines Stirlingmotors kann nur bedingt mit theoretischem Stirling-Zyklus verglichen werden. Die praktischen Prozesse laufen fließend ohne die Eckpunkte (1, 2, 3, 4), die es im theoretischen Zyklus gibt. Außerdem, gibt es praktisch kaum reine isotherme und isochore Prozesse. Gemäß des theoretischen Stirling-Zyklus' kann ein Stirlingmotor fast den Carnot-Wirkungsgrad erreichen: η = 1 – (Tu/To). Der tatsächliche Zyklus des Stirlingmotors entspricht nie dem theoretischen Stirling-Zyklus, zudem entstehen Reibungs- und Wärmeverluste, wodurch sich ein weit geringerer Wirkungsgrad ergibt. Nach dem Merkmal Wirkungsgrad ist der Stirlingmotor einem Otto- oder Dieselmotor unterlegen. Wegen dieses Nachteils findet Stirlingmotor im Vergleich zu den Verbrennungsmotoren eine beschränkte Anwendung. Durch Erhöhung des Wirkungsgrades könnte diese Balance zugunsten des Stirlingmotors verschoben werden.
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Beim konventionellen Stirlingmotor wird das Arbeitsgas in einem geschlossenen Volumen mit Hilfe eines Verdrängerkolbens zwischen Erhitzer und Kühler hin und her geschoben. In der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 000 163 A1 ist ein Stirlingmotor beschrieben bei dem das Arbeitsgas mit Hilfe eines Beförderungskolbens in einem geschlossenen Kreislauf befördert und in externen Wärmetauschern gekühlt wird. Dank der besseren Kühlung wird eine niedrigere Gastemperatur erzielt. Im geschlossenen Kreislauf des Arbeitsgases wird eine Gasdruckdifferenz erzeugt, um beim unteren Totpunkt des Kolbens das Arbeitsgas im Arbeitszylinder möglichst rasch durch gekühltes Gas zu ersetzen. Dank diesen Maßnahmen wird eine niedrigere untere Prozesstemperatur (T
u) erzielt, was gemäß der Formel, Absatz [0003], zur Erhöhung des entsprechenden Carnot-Wirkungsgrades (η) führt. Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
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Eine weitere Möglichkeit den Wirkungsgrad des Stirlingmotors zu erhöhen ist durch die Erhöhung der oberen Prozesstemperatur (To) gegeben. Dafür wird hier vorgeschlagen nebst der Durchführung der Gaskühlung im Kreislauf, ebenfalls die Gaserhitzung in einem Kreislauf zu verrichten. Das alleine wäre lediglich die halbe Lösung. Der Wirkungsgrad des Motors ist unmittelbar vom Komprimierungsgrad des Arbeitsgases abhängig. Wegen des großen gesamten Volumens des Kraftpakets samt Verdrängrzylinders im Vergleich zu eigenem Volumen des Arbeitskolbens kann bei dem konventionellen Stirlingmotor ein relativ geringer Komprimierungsgrad erzielt werden. Solange der Komprimierungsgrad des Stirlingmotors niedriger als beim Ottomotor ist, wird sein Wirkungsgrad ebenfalls niedriger bleiben.
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Hier wird ein Stirlingmotor mit aufgeteiltem Arbeitszyklus vorgeschlagen, dessen Funktionsschema auf der dargestellt ist. Beim konventionellen Stirlingmotor ist der Verdrängerkolben weder an der Komprimierung noch an der Expansion des Arbeitsgases beteiligt, für die beiden Prozesse ist der Arbeitskolben zuständig. Auf der wird auf einen Verdrängerzylinder verzichtet, wodurch der Komprimierungsraum des Motors auf das Volumen (VK) des Kraftpakets – Kühler W, Regenerator R, Erhitzer E – beschränkt wird. Durch die Verkleinerung des Komprimierungsraumes des Motors wird ein höherer Komprimierungsgrad des Arbeitsgases erzielt. Vor dem Beginn des Komprimierungsvorgangs ist das Gasvolumen vom Kraftpaket (VK) um das Arbeitsvolumen (VB) des Komprimierungszylinders ZB größer. Somit beträgt der geometrische Komprimierungsgrad des Motors: εkom = (VK + VB)/VK = 1 + (VB/VK). Beispielsweise, für einen Komprimierungsgrad εkom = 10 soll das Arbeitsvolumen (VB) des Zylinders ZB um 9-fach größer des Volumens (VK) vom Kraftpaket sein.
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Der Expansions- und der Komprimierungs-Vorgänge des Arbeitsgases werden auf der nicht in einem Arbeitszylinder durchgeführt, sondern werden auf zwei separaten Zylinder ZA und ZB verteilt. Anders ausgedrückt: Der Arbeitszyklus des Stirlingmotors wird aufgeteilt. Die vier thermodynamische Prozesse des Stirling-Zyklus' werden im geschlossenen Kreislauf des Gases in vier verschiedenen Bestandteilen des Motors durchgeführt. Der Kreislauf vom Arbeitsgas ist auf der mit hohlen Pfeilen gezeigt. Die Expansion-Isotherme erfolgt im Zylinder ZA; die isochore Abkühlung des Gases findet im externen Wärmetauscher We statt; die isotherme Komprimierung des Arbeitsgases erfolgt im Zylinder ZB zusammen mit dem angeschlossenen Kühler W; die isochore Erhitzung des Gases wird im Regenerator R und Erhitzer E durchgeführt.
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Die Erhitzung des Gases erfolgt im Kreislauf im Regenerator R und Erhitzer E während das komprimierte Gas aus dem Zylinder ZB und Kühler W zum Zylinder ZA fließt. Für diesen Zweck ist der Regenerator R als ein Wärmetauscher gestaltet. Die Hubbewegung des Kolbens KB erfolgt mit einer Phasenverspätung bezüglich des Kolbens KA mit einem geschätzten Phasenwinkel 45°. Für die Optimierung des Motors kann die Phasenverspätung korrigiert werden.
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Bei dem Hub des Kolbens KA nach unten erfolgt die Expansion des Arbeitsgases, der im Regenerator R und Erhitzer E fortwährend erhitzt wird. Dem Hub des Kolbens KA nach unten entspricht im pV-Diagramm des Stirling-Zyklus' die isotherme Ausdehnung des Gases. Auf der ist dem Kolben KA gegenüber dem Kolben KB ein größere Hub zugeordnet. Dadurch wird ein größere Expansionsgrad des Gases gegenüber seinem Komprimierungsgrad erzielt (das Atkinson-Prinzip). Im unteren Totpunkt des Kolbens KA wird das Arbeitsvolumen (VA) des Zylinders (ZA) an das Volumen des Kraftpakets (VK) addiert. Somit beträgt der geometrische Expansionsgrad des Motors: εexp = (VK + VA)/VK = 1 + (VA/VK). Durch die Verteilung der Expansion- und Komprimierungs-Vorgänge des Gases auf zwei separaten Zylinder ZA, ZB lässt sich das Atkinson-Prinzip ohne großes Aufwandes anzuwenden. Eine weitere Optimierung des Expansions-Komprimierungs-Verhältnisses ist durch die Änderung der Durchmesser der Zylinder ZA, ZB möglich.
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Beim unteren Totpunkt des Kolbens KA öffnet das Ventil XA und schließt das Ventil XW. Bei dem Hub des Kolbens KA nach oben strömt das „gebrauchte” Gas durch das Ventil XA in den Motorraum unter die beiden Kolben KA, KB. Das Volumen des Zylinderraums ZA, ZB unter den beiden Kolben KA, KB ist größer des Volumens über dem Kolben KA, somit dauert die Expansion des Gases bei diesem Auslassvorgang an. Bei den Wärmekraftmaschinen sind die ungewollten Wärmeverluste zu vermeiden. Auf der sind die Kolben KA, KB entsprechend mit Isolierkappen IA, IB versehen, um die Wärmeübertragung aus dem heißen Teil des Motors durch die Kolben KA, KB nach unten möglichst zu reduzieren. Somit wird die unerwünschte Erwärmung des expandierten Gases unter den Kolben KA, KB verhindert.
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Beim oberen Totpunkt des Kolbens KA schließt das Ventil XA und öffnet das Ventil XW. Die Hubbewegung des Kolbens KB erfolgt im Phasenwinkel 45° später des Kolbens KA. Beim oberen Totpunkt des Kolbens KB schließt das Ventil XR, anschließend öffnet das Ventil XB. Bei dem Hub der beiden Kolben KA, KB nach unten strömt das expandierte Gas durch die Kühler We und W in den Zylinder ZB über dem Kolben KB. Der externer Wärmetauscher We darf beliebig groß ausgelegt werden, damit das Arbeitsgas möglichst tief gekühlt wird. Zusätzlich erfüllt der Wärmetauscher We für den Stirlingmotor die Funktion eines Gasbehälters, ähnlich der Erdatmosphäre, die für die Verbrennungsmotoren gleichzeitig ein Kühler und ein Gasreservoir ist. Der Stirlingmotor kann mehrere Komprimierungszylinder KB enthalten, die von einem Wärmetauscher We bedient werden können.
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Bei dem Hub des Kolbens KB nach oben erfolgt die Komprimierung des Gases im Kühler W. Im Unterschied zum Wärmetauscher We soll das Volumen des Kühlers W begrenzt sein, um den vorgegebenen Komprimierungsgrad zu erzielen und folglich einen hohen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen. Weil die Größe des Kühlers W begrenzt ist, könnte bei größeren Motoren eine zusätzliche Kühlung WB des Zylinders ZB nützlich sein. Bei dem konventionellen Stirlingmotor erfolgt beim Komprimierungstakt des Arbeitskolbens sowohl die Komprimierung des gekühlten Gases unter dem Kraftpaket, als auch die Komprimierung des erhitzten Gases über dem Kraftpaket, was einen zusätzlichen Arbeitsaufwand am Arbeitskolben zufolge hat. Der Punkt (4) im pV-Diagramm des theoretischen Stirling-Zyklus' existiert im praktischen Zyklus des Stirlingmotors nicht, weil ab Beginn des Komprimierungstaktes im Punkt (3) das heiße Gas mitkomprimiert wird. Auf der ist der Kühler W durch das Ventil XR vom Regenerator R und Erhitzer E getrennt, wodurch das vom Kolben KB komprimierte Gas gleichzeitig im Kühler W gekühlt wird. Die Hubbewegung des Kolbens KB folgt dem Kolben KA mit einer Phasenverspätung um 45°. Beim oberen Totpunkt des Kolbens KA schließt das Ventil XA und anschließend öffnet das Ventil XR; die Ventile XA, XR dürfen nicht gleichzeitig geöffnet sein, damit kein heißes Gas umsonst verloren geht. Das Ventil XR bleibt bis zum oberen Totpunkt des Kolbens KB geöffnet, damit erfolgt die Erwärmung des Gases im Regenerator R und Erhitzer E ohne eines nennenswerten Arbeitsaufwand am Kolben KB, weil im Umkreis zum oberen Totpunkt der Kolbenweg gering ist.
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Im unterschied zum konventionellen Stirlingmotor erfolgt der Gasstrom auf der durch den Regenerator R und Erhitzer E in einer Richtung im Kreislauf. Die Richtung des Gasflusses ist auf der mit hohlen Pfeilen gezeigt. Beim konventionellen Stirlingmotor wird das Gas durch den Erhitzer hin und her geschoben, dabei bleibt bei jedem Zyklus ein Teil des erhitzten Gases im Verdrängerzylinder und Erhitzer zurück. Erfolgt der Gasfluss in einer Richtung im Kreislauf, dann wird beim jeden Zyklus das Gas im Regenerator R und Erhitzer E komplett durch kühleres Gas ersetzt, wodurch die Wärmeübertragung im Erhitzer intensiviert wird. Ungeachtet des geänderten Gasflusses bleibt der Wärmefluss, bzw. der Energiefluss im Regenerator R unverändert: Der Gasstrom in Richtung Erhitzer E bekommt die Wärmeenergie vom Regenerator R, der Gasstrom aus dem Erhitzer E gibt ein Teil seiner Wärmeenergie an den Regenerator R ab.
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Die Verteilung der Expansions- und Komprimierungs-Vorgänge in einem Arbeitszykus auf zwei separaten Zylinder ZA, ZB, sowie die Durchführung der Gaskühlung und Gaserhitzung im Kreislauf des Arbeitsgases soll für einen hohen Wirkungsgrad des Stirlingmotors mit aufgeteiltem Arbeitszyklus sorgen. Der theoretische Zyklus des Stirlingmotors mit aufgeteiltem Arbeitszyklus ist schematisch im pV-Diagramm auf der gezeigt. Wegen der Erwärmung des Gases im Kreislauf wird die Wärmeübertragung im Regenerator R und Erhitzer E an das Gas intensiviert, wodurch eine höhere obere Prozesstemperatur (To) zu erwarten ist. Einer höheren Temperatur entspricht der höhere Gasdruck: Im pV-Diagramm ist der Punkt (1a) höher des Punktes (1) gezeigt. Wegen eines höheren Expansionsgrades des Arbeitsgases im Zylinder ZA gegenüber dem Komprimierungsgrad im Zylinder ZB (das Atkinson-Prinzip) wird die Expansions-Isotherme gegenüber dem Punkt (2) bis zum Punkt (2a) verlängert. Wegen der Kühlung des Gases im Kreislauf im externen Wärmetauscher We wird eine tiefere untere Prozesstemperatur (Tu) erzielt, im pV-Diagramm liegt der Punkt (3a) tiefer des Punktes (3). Durch die Trennung des Kühlers W vom Regenerator R und Erhitzer E mit Hilfe des Ventils XR wird vom Kolben KB nur das kalte Gas komprimiert, im pV-Diagramm liegt der Punkt (4a) unter dem Punkt (4). Eine höhere obere Prozesstemperatur (To) und die tiefere untere Prozesstemperatur (Tu) des Stirling-Zyklus' bewirken zusammen einen entsprechend höheren Carnot-Wirkungsgrad. Insgesamt ist die umschlossene Fläche des Stirling-Zyklus' (1a-2a-3a-4a-1a) im pV-Diagramm größer der umschlossenen Fläche des Zyklus' (1-2-3-4-1), was eine größere Nutzarbeit (WSt) in einem Zyklus bedeutet und zur höheren Leistung des Stirlingmotors mit aufgeteiltem Arbeitszyklus führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014000163 A1 [0004]
