SUPERENGINE® | Was ist an einer Gasfeder so tot?
                             von Karl Obermoser

SUPERENGINE ®  | Druck Volumen Diagramm

Nur ein Teil der in einem realen Stirlingmotor eingeschlossenen Gasmasse wechselt während des Betriebes von dem einen der beiden vorgegebenen Temperaturniveaus zum anderen. Dieser Teil wird als verdrängtes Volumen bezeichnet und ist in einem herkömmlichen Stirlingmotor eine feste, durch den Kurbeltrieb und die Kolbenabmessungen bestimmte Größe.

Der andere Teil wird nur komprimiert und expandiert, ohne an dem thermodynamischen Kreisprozess teilzunehmen.

Wird dieser passive Anteil am Gesamtvolumen vergrößert, dann sinkt die Kompression in dem Motor und damit auch seine Leistung. Dieser passive Anteil wird deshalb in Stirling-Fachkreisen auch als schädliches Volumen oder als Totvolumen bezeichnet; und die Meinung ist weit verbreitet, dass der passive Anteil den thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors reduziert.


Die Ursache für diesen Trugschluss liegt in der beim Stirlingmotor unzulässigen und deshalb fehlinterpretierten Anwendung des sogenannten pV-Diagramms, wie es auch hier links oben dargestellt wird.

Im pV-Diagramm wird der Zustandsverlauf des im Motor eingeschlossenen Gases während eines Arbeitszyklus dargestellt. Die Fläche innerhalb der dadurch entstehenden Kurve ist gleich der freigesetzten Arbeit; dieses gilt auch beim Stirlingmotor.

Üblicherweise werden im pV-Diagramm auch die Isothermen, zwischen denen der Stirlingprozess ablaufen soll, eingezeichnet. Isothermen zeigen den Druck des im Motor eingeschlossenen Gases in Abhängigkeit vom Volumen bei konstanter Temperatur und gelten natürlich nur, wenn das ganze Volumen diese Temperatur hat.

Genau dieses ist aber im Stirlingmotor prinzipbedingt niemals der Fall, sodass das Eintragen dieser Isothermen fast notwendig zu dem Trugschluss führt, der reale Stirlingzyklus verlaufe nicht entlang seiner Isothermen und zwar um so weniger, je größer der Anteil des passiven Volumens am Gesamtvolumen ist.


SUPERENGINE ®  | selbststartender Solarmotor

Hier sind z.B. zwei Videos eines frühen Vorführmodells eines selbststartenden Solarmotors zu sehen.


Das in ihm eingeschlossene Volumen ist zum größten Teil Totvolumen, sodass er demnach überhaupt nicht laufen dürfte.

(Zum Betrachten der Videos bitte die Miniaturen anklicken.)



SUPERENGINE ®  | selbststartender Solarmotor

Das nicht am Kreisprozess beteiligte und angeblich tote Volumen ist hier weder tot, noch schadet es irgendwie dem thermodynamischen Wirkungsgrad. Es ist auch nicht passiv, vielmehr wirkt es als Gasfeder und bestimmt durch seine Größe die Arbeitsfrequenz der Maschine.


Richtig ist allerdings, dass bei Verwendung konventioneller, reibungsbehafteter Kolben der Maschinenwirkungsgrad dadurch sinkt, dass das am Kreisprozess nicht beteiligte Volumen mitkomprimiert und -expandiert werden muss, ohne zur Motorleistung beizutragen. Dies hat einen unnötig großen Kolbenhub und damit unnötig hohe Reibungsverluste zur Folge. (Auch) dieser Aspekt führt zu folgendem Entwurf ohne jedes Totvolumen.



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