Dieter Viebach, Spielhahnstr.17, D-83059 Kolbermoor 11.7.02
Entwicklungsbüro, Tel. 08031 93491, Fax 08031 97727

Der Stirlingmotor ST 05 G läuft!

Warum liefert er noch nicht die volle Leistung von 500 Watt?

Wo ist der Fehler und wie finde ich diesen?


Alle Arbeitsschritte zur Montage, Prüfung und Fertigstellung des ST 05 G sind im Zeichnungssatz beschrieben. Der aktuelle Stand ist die Ausgabe 3 vom November 1999.
Besonders zu beachten, genau nach Zeichnung anzufertigen und sorgfältig zu montieren sind:
Der Regenerator, Zeichnungssatz Seite 70 und folgende Hinweise weiter unten.

Die Kolbenringe mit den Andruckfedern auf den Seiten 34,35,54,55 und der Seite 77 im Zeichnungssatz.

Anweisungen für die Inbetriebnahme finden Sie auf den Seiten 83 bis 85.

Auch die Hinweise und Vorschläge in den Ringinformationen Ausgabe 1 bis 6, die mit den Gussteilen geliefert werden und in Ringinformation Nr. 7, die jetzt im Internet unter www.geocities.com/viebachstirling kostenlos abgerufen werden kann, sind zu beachten.
Zur direkten Leistungsmessung des Stirlingmotors mit einem Bremszaum beachten Sie bitte die Anweisung in Ringinfo 2, Seite 4. Die Ermittlung der vom Stirlingmotor abgegebenen Leistung mit einem Generator über die Messung der erzeugten elektrischen Leistung ist wesentlich einfacher und eleganter, aber dafür auch mit sehr vielen und gravierenden Fehlern verbunden.

Sie werden natürlich zur Stromerzeugung mit dem ST 05 G aus Kostengründen und wegen der leichten Verfügbarkeit an eine aus einem Schrottauto ausgebaute KFZ-Lichtmaschine denken. Von dieser Entscheidung möchte ich Ihnen abraten! KFZ-Lichtmaschinen haben bei den Drehzahlen des Stirlingmotors nur einen geringen Wirkungsgrad. Wenn Sie den Stirlingmotor schon mit viel Aufwand und Kosten gebaut haben, sollten Sie sich auch noch für einen guten Generator entscheiden und nicht die wenigen mühsam erzeugten Watt mechanischer Leistung an der Welle des Stirlingmotors mit einem schlechten oder nur mittelmäßigem Generator wieder in Wärme umwandeln.
Gut geeignet sind permanentmagneterregte Synchronmotoren mit einer Leistung von 0,75 bis 1 kW, wie sie an modernen Werkzeugmaschinen als Servo-Antriebe eingesetzt werden. Diese Motoren besitzen eine dreiphasige Drehstromwicklung. Um Gleichstrom zu erzeugen, muss ein geeigneter Gleichrichter zwischengeschaltet werden. Um die Verluste gering zu halten, bei Spannungen bis 24 Volt Schottkydioden einsetzen! Auch moderne permanentmagneterregte Gleichstrommotoren mit Kollektor, wie sie bei schon etwas älteren Werkzeugmaschinen eingesetzt wurden, sind geeignet. Die Nennspannung des als Generator eingesetzten permanentmagneterregten Motors sollte nicht höher als 2x die Spannung Ihrer Anlage sein. Der Innenwiderstand der Wicklung ist bei Motoren für hohe Spannungen größer. Die Verluste im Generatorbetrieb werden dadurch größer.
Bevor Sie den Generator Ihrer Wahl an den ST 05 G montieren, ermitteln Sie bitte den Wirkungsgrad dieses Teiles, insbesondere wenn Sie doch auf eine KFZ-Lichtmaschine zurückgreifen müssen. Nicht auf jedem Schrottplatz steht eine Werkzeugmaschine, von der der optimale Motor für unseren Zweck abmontiert werden kann. Sie können dann genau errechnen, welche Leistung der Stirlingmotor abgibt und wissen, wo die nicht als Strom zur Verfügung stehenden restlichen Watt mechanische Leistung in Wärme umgewandelt werden.
Den Drehzahlbereich, mit dem der Generator vom Stirlingmotor angetrieben wird und eine eventuell vorgesehene Übersetzung zur Drehzahlanpassung des Generators an den STM bei der Wirkungsgradermittlung bitte mit berücksichtigen.
Zur Ermittlung des Wirkungsgrades bitte die Lichtmaschine oder den als Generator geeigneten Motor mit einem drehzahlregelbaren Antrieb antreiben. Eine mit einem stufenlosem Antrieb ausgerüstete Drehmaschine ist dazu gut geeignet. Als Ersatzlösung ist eventuell auch eine starke elektronisch drehzahlgeregelte Handbohrmaschine mit genügender Leistungsreserve brauchbar. Achtung! Die angegebene Leistung bei Handbohrmaschinen ist die aus dem Stromnetz aufgenommene Leistung. Die am Bohrfutter zur Verfügung stehende Leistung ist nur etwa die Hälfte der aufgenommenen Leistung. Der Wirkungsgrad ist nur etwa 50% !
Für die Wirkungsgradmessung wird der Stromerzeuger (Generator) mit der Drehmaschine oder der Handbohrmaschine angetrieben. Beim Antrieb mit der Drehmaschine muss der Stromerzeuger mit einem Winkel von etwa 5° leicht drehbar um seine Achse auf der Drehmaschine gelagert werden. Dazu die Antriebswelle des Stromerzeugers in das Drehfutter einspannen und das hintere Wellenende mit dem Mitlaufkörner im Reitstock der Drehmaschine sichern. Für eine Lösung mit einer Handbohrmaschine muss eine geeignete stabile Vorrichtung angefertigt werden! Hier kann auch die Bohrmaschine drehbar um 5° gelagert sein.
Zur Ermittlung des von der Drehmaschine aufgebrachten Drehmomentes zum Antrieb des Stromerzeugers muss noch ein Hebel mit definierter Länge am Gehäuse des Stromerzeugers in radialer Richtung horizontal angebracht werden. Den Hebel oder besser noch das Generatorgehäuse auf der Drehmaschine so sichern, dass es sich nur um den kleinen Winkel von etwa 5° drehen kann.
An diesem Hebel kann mit einer Federwaage oder auch mit Gewichten das Antriebsdrehmoment ermittelt werden. Siehe auch Ringinfo Nr. 2 Seite 4. Wird der belastete Generator von der Drehmaschine angetrieben, wird das Gehäuse des Generators durch die Rückwirkung des mit Permanentmagneten belegten Ankers auf den Stator mit der Wicklung in Antriebsdrehrichtung gedreht. Diese Kraft ist das Drehmoment mit dem der Generator angetrieben wird. Es ist abhängig von der Leistung, die dem Generator entnommen wird.
Das Antriebsdrehmoment für den Generator, gemessen mit einem Hebel am Generatorgehäuse von genau 1m Länge bis zur Achsmitte, an dem ein Gewicht von 1 kg (entspricht 9,81 N) gerade angehoben wird, ist:
9,81 Nm x 6,28 x Drehzahl/Sekunde, = die zugeführte Leistung in Watt.
Die Ausgangsleistung des Generators bitte unbedingt mit Messgeräten ermitteln! Nur mit der Wattangabe bei zahlreichen Autolampen ist nicht einmal eine grobe Abschätzung der vom Generator erzeugten Leistung möglich, da Lampen einen großen Streubereich besitzen und die Generatorspannung mit dem Quadrat in die Leistung eingeht.
Die gemessene elektrische Leistung z.B. bei Autolampen, wenn Sie den Strom und die Spannung genau messen, ist die gemessene Spannung in Volt x dem gemessenen Strom in Ampere = Generatorleistung in Watt, geteilt durch die ermittelte Antriebsleistung in Watt,

= der Wirkungsgrad des Generators.

Sie werden erstaunt sein, wie schlecht dieser von einer Autolichtmaschine ist. Eine Keilriemenübersetzung zwischen Stirlingmotor und Generator zur Drehzahlanpassung verringert die nutzbare elektrische Leistung des Generators um weitere 10 - 20%
Wird die vom Stirlingmotor ST 05 G mit angebautem Generator erwartete Leistung von 500 Watt unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade vom Generator und einer eventuell zwischengeschalteten Übersetzung nicht erreicht, ist zu ermitteln, welches Bauteil am Stirlingmotor die Leistung begrenzt.

Prüfschritte für die Leistungsuntersuchung am kalten Motor


1. Damit der ST 05 G 500 Watt leistet, muss der Regenerator, Teil 73, aus Edelstahldrahtgestrick mit einer Drahtstärke von 0,05 bis 0,06 mm Durchmesser mit einem Füllfaktor von unter 0,1 gefüllt sein. Etwa 250 Gr. Drahtgestrick. Mit den Spirelli Topfreibern erreicht man nicht die volle Leistung. Zeichnungssatz Seite 70 .

Der Regeneratorraum muss gleichmäßig gefüllt sein. Das Arbeitsgas muss das Regeneratormaterial vollkommen durchströmen. Es dürfen keine Hohlräume und/oder Lücken an den Wänden des Regeneratorgehäuses vorhanden sein, durch die das Arbeitsgas auf dem Weg des geringsten Widerstandes strömen kann.
Der Regenerator ist das wichtigste Bauteil im Stirlingmotor.

2. Der komplett montierte kalte ST 05 G muss sich bei geöffnetem Beipassventil (Teil 77 ab Gussteilesatz Nr. 85 mit 13 Gussteilen) spielend leicht langsam am Schwungrad durchdrehen lassen. Es darf beim Durchdrehen nichts klemmen, haken oder schwer gehen. Wenn etwas klemmt oder schwer geht, entsprechend nacharbeiten!

3. Nach dem Schließen des Beipassventils muss beim Durchdrehen eine deutliche Kompression bei der Verdichtung des Arbeitsgases durch den Arbeitskolben zu spüren sein. Das verdichtete Arbeitsgas darf nur wenig an den Kolbenringen des Arbeitskolbens und dem oberen Lager der Verdrängerstange (Teil 47a) entweichen. Bei geöffnetem Gehäusedeckel ist das an den Kolbenringen entweichende Arbeitsgas zu hören. Eventuelle Undichtigkeiten nacharbeiten!

4. Der mit einem Arbeitsgasdruck von 10 bar gefüllte kalte ST 05 G muss sich bei geöffnetem Beipassventil auch langsam leicht durchdrehen lassen. Bei schnellem Durchdrehen ist deutlich der Strömungswiderstand für das Arbeitsgas im Beipassventil zu spüren und auch als Geräusch zu vernehmen. Bei geschlossenem Beipassventil muss die Kompression durch die Verdichtung des Arbeitskolbens so groß sein, dass der ST 05 G am Schwungrad nur noch mit Mühe durchgedreht werden kann. Wird der Arbeitskolben vom unteren Totpunkt über den oberen Totpunkt bewegt, muss er mit der Kraft der Kompression wieder zum unteren Totpunkt gedrückt werden.

Prüfschritte am heißem Motor


5. Mit atmosphärischem Arbeitsgasdruck und einer Erhitzerkopftemperatur von ca. 600°C an den Erhitzerrohrbögen, bei einer Kühlwassertemperatur von 20°C mit einem Kühlwasserdurchlauf von etwa 10 Liter/Min., muss der ST 05 G mit einer Lehrlaufdrehzahl von mindestens 300 Umdr./Min. laufen. Ist das nicht der Fall, sind die Lagerstellen und Zylinderläufe zu schwergängig. Nacharbeiten, leichtgängiger machen.

6. Mit einem Arbeitsgasdruck von 10 bar, bei einer Erhitzerkopftemperatur von 600°C an den Erhitzerrohrbögen, Kühlwasser mit 20°C und 10 Liter/Min., muss der Motor mit etwa 750 Umdr./Min laufen. 600°C an den Erhitzerrohren entspricht einem schwachen Glühen der Rohre. Um die Temperatur genau messen zu können, ein hitzefestes Schutzrohr an der Innenseite eines Rohrbogens befestigen, in das ein Temperaturfühler geschoben werden kann. ( LCD-Digital-Multimeter VC 333 mit Temperaturfühler von Conrad-Elektronik Bestellnummer 12 94 10-22, Preis € 14,29 ) Damit der Stirlingmotor ständig seine volle Leistung abgeben kann, müssen die Erhitzerrohre ständig auf der Temperatur von 600°C gehalten werden. Der Brenner für Gas oder Festbrennstoffe muss dazu an den Erhitzerkopf angepasst werden. Die Flamme und die heißen Verbrennungsgase müssen mit entsprechenden Leitteilen aus hitzebeständigem Blech oder Keramikmaterial durch und um den Erhitzerkopf geleitet werden. Die maximale Leistung gibt der Stirlingmotor ST 05 G bei seiner Nenndrehzahl von 550 Umdr./Min mit einem Drehmoment von 8.7 Nm ab. Mit höheren Temperaturen an den Erhitzerrohren sind höhere Leistungen bei höheren Drehzahlen möglich, wenn die Erhitzerrohre aus hitzebeständigem Material angefertigt sind. Siehe Ringinfo Nr. 4, Seite 9 und Materiallisten im Zeichnungssatz.
Zum Betrieb mit Sonnenenergie ist ein der Sonne nachführbarer Hohlspiegel mit einem Durchmesser von 2,5 m erforderlich. Der Brennfleck, der auf den Erhitzerkopf des Stirlingmotors ausgerichtet wird, muss einen Durchmesser von 5cm haben. Der Erhitzerkopf sollte mit mehr und dünneren eng aneinander liegenden Röhren, die zusammen den gleichen Durchströmquerschnitt des ausgeführten Erhitzerkopfes aufweisen, bestückt sein. Zum Windschutz ist dieser Solarreceiver mit einem auf der Innenseite gut thermisch isoliertem Gehäuse mit einer Brennflecköffnung, die nur wenig größer als der Brennfleck selbst ist, zu verkleiden. Solarspiegel aus Blechlamellen, wie sie für Solarkocher gebaut werden, sind nicht geeignet, da deren Brennfleck zu groß und unscharf ist.
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