Die Leistungsregelung bei Stirlingmotoren

 

Die Dynamik eines ungeregelten Stirlingmotors ist nicht vergleichbar mit Dampfmaschinen oder Motoren mit innerer Verbrennung. Bei diesen regelt man die Wellenleistung, indem man die Dampfzufuhr bzw. die Spritzufuhr dosiert, das heißt, die Energiezufuhr bestimmt die Abtriebsleistung an der Welle.

 

Die Temperaturregelung

Wollte man dasselbe beim Stirlingmotor durchführen, und allein mit der Flamme am Erhitzer die Leistung regulieren, würde man automatisch dabei die Temperatur am Erhitzer variieren. Aber bei niedrigerer Temperatur hätte man zwangsläufig eine massive Wirkungsgrad-Beeinträchtigung. Keine gute Idee.

Es gibt beim Stirlingmotor andere, viel bessere Möglichkeiten, die Wellenleistung zu regeln. Im Folgenden sollen die wichtigsten davon aufgezählt werden.

 

Die Drehzahlregelung

Wie im Beitrag “Warum gibt es keinen Stirlingmotor?“ ganz zum Schluss erwähnt, hat diese Regelung durchaus Sinn, wenn man selten eine hohe Leistung benötigt und es dann nicht so sehr auf den Wirkungsgrad ankommt. Denn der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors steigt nicht nur mit steigender Temperatur, sondern auch mit sinkender Drehzahl. Am einfachsten ist eine solche Regelung mit einem Generator zu realisieren, der z.B. von 4 auf 6 Pole umschalten kann. Dieses Umschalten kann allerdings nicht während des Laufes geschehen. Man muss dazu den Motor kurz anhalten.

Eine andere Möglichkeit stellt ein stufenloses Getriebe zwischen Motor und Generator dar. Solche Getriebe sind allerdings nicht billig und haben meist viel Verschleiß.

Bei stufigen Getrieben zwischen Motor und Generator muss wieder ein Zwischenhalt beim Verändern der Drehzahl eingelegt werden.

 

Die Druckregelung

Hierbei variiert man den Mitteldruck im Kurbelgehäuse. Diese Art der Leistungsregelung ist langsam, weil das Arbeitsgas an den Kolbenringen des Arbeitskolbens vorbei muss. Je nach Kolbenring-Dichtigkeit sind es 50 bis 500 Umdrehungen, bis die neue, gewünschte Leistung erreicht ist. Das ist ein Nachteil. Aber die Druckregelung hat auch einen unschlagbaren Vorteil: Sie ist die preiswerteste Regelung unter den stufenlosen Regelungen ohne Wirkungsgradverluste.

Den Mitteldruck erhöht oder verringert man stets während des Laufes. Bei zu schnellem Druckwechsel kann der Motor kurzzeitig weniger Leistung bringen.

Bei Stirlingmotoren ab 10 kW lohnt es sich, alle Arbeitskolben mit Kolbenstangen auszustatten und einen Pufferraum hinter den Arbeitskolben einzurichten. Man lässt dann den Motor bei geringem Mitteldruck an (smarte Anfahr-Leistung) und pumpt dann mit einem kleinen Kompressor allmählich immer mehr Gas vom Getrieberaum in den Pufferraum. Um einen solchen sanft anfahrenden Stirlingmotor mit einer Druckregelung zu versehen, benötigt man dann nur noch  ein Magnetventil mit Drossel, so dass das Arbeitsgas vom Pufferraum wieder in den großen Getrieberaum zurückströmen kann. Der Vorteil dieser Aufteilung in Getrieberaum, Pufferraum und Arbeitsraum ist nebenbei der, dass man für den großen Getrieberaum nur noch kleine Wandstärken benötigt. Das Gewicht kann dadurch um meist 50% (bei gleicher Leistung) gesenkt werden.

 

Die Totraumregelung

Hier geht es wieder um eine stufige Leistungsregelung. Am Überströmrohr zwischen Arbeitszylinder und Verdrängerzylinder sind T-Stücke angebracht und gleich daran Magnetventile, die in verschieden großen Toträumen enden. Damit wird der Arbeitsraum künstlich erweitert. Man kann die Toträume auch hintereinander schalten oder sich verzweigen lassen. Die Vorteile der Totraumregelung ist die Geschwindigkeit und kaum Wirkungsgrad-Verluste bei großen Toträumen. Nachteil ist die Stufigkeit, wobei viele Toträume, gut miteinander kombiniert, die Stufen klein halten, ja fast verschwinden lassen.

 

Die Kolbenhubregelung

Den Kolbenhub des Arbeitskolbens mechanisch zu variieren, ist nicht zu empfehlen. Es sind meistens aufwändige Maschinenelemente am Arbeitskolben-Triebwerk notwendig, die dann im Betrieb hohem Verschleiß ausgesetzt sind.

 

Die Phasenwinkelregelung

Bei der Phasenwinkelregelung werden das Verdrängerkolben-Triebwerk sowie das Arbeitskolben-Triebwerk je mit einer eigenen Kurbelwelle ausgestattet. Nach der getrennten Auswuchtung jeder dieser beiden Triebwerke werden die beiden Wellen wieder miteinander verbunden, aber nicht starr, sondern mit einem Zahnriemen oder einer Kette. Der Zahnriemen bzw. die Kette wird dabei in Kreuzform um weitere sechs Zahnräder geschlungen, so dass durch Hin- und Herschieben der beiden mittleren Zahnräder der Phasenwinkel zwischen den beiden Kolben von 0° bis 70° variiert werden kann (siehe auch Beitrag „Rekuperation“). Da das benötigte Drehmoment für den Antrieb des Verdrängerkolben-Triebwerkes klein (meist sogar vernachlässigbar kein) ist, können Zahnriemen bzw. Kette und die Zahnräder für eine hohe Lebensdauer ausgelegt werden.

Diese Regelung ist die erste Wahl, wenn eine schnelle Regelung gefragt ist. Außerdem hat sie den Vorteil, dass man den Motor bei 0° Phasenwinkel leicht anfahren kann, was vor allem bei großen Motoren notwendig ist. Der dritte Vorteil dieser Regelung ist es, dass man eine Rekuperation realisieren kann, wenn man das Zahnrad-Kreuz so erweitert, dass auch minus 70° Phasenwinkel gefahren werden können. In diesem Fall gibt es schließlich noch den vierten Vorteil, den der Rückwärtsfahrt. Aber dazu mehr im Beitrag „Rekuperation“.

Leistungsregelungen beim Stirlingmotor im Vergleich

 

Was für alle Regelungen gilt

Bei allen Regelungs-Arten (außer der anfänglichen Temperaturregelung) ist zu beachten, dass der Erhitzer einen zweiten unabhängigen Regelkreis benötigt, um sein Temperaturniveau in den verschiedenen Lastpunkten zu halten. Bei hoher Wellenleistung braucht er mehr Energiezufuhr, bei niedriger Wellenleistung entsprechend weniger. Das scheint trivial zu sein, aber tritt bei der Planung oft in den Hintergrund.

 

 

Dieser Artikel stammt aus „www.stirling-und-mehr.de