Prototypenkonstruktion eines Stirlingmotors mit Nockentrieb

Abstract

Stirlingmotoren mit Kurbeltrieb können aufgrund der Kinematik des Kurbeltriebs keinen idealen Stirlingprozess nachfahren. Das Problem soll mit einem Nockentrieb gelöst werden, weil die Form der Nocke beinahe beliebig gestaltet werden kann. Aufbauend auf einen Algorithmus, der im Rahmen einer Projektarbeit ausgearbeitet wurde, soll ein Stirlingmotor berechnet, ausgelegt und konstruiert werden. Während der Ausarbeitung wurde stets darauf geachtet, dass die Bauteile der Maschine fertigbar beziehungsweise beschaffbar sind. Darüber hinaus soll die Herstellung der Maschine möglichst wirtschaftlich sein. Zuerst wurden die Startwerte und Parameter für die Berechnung festgelegt. Darunter fallen Konstanten wie Umgebungstemperatur oder Umgebungsdruck, aber auch Werte die iterativ ermittelt werden mussten. Zum Beispiel das optimale Maschengewebe des Regenerators oder die optimale Regeneratorlänge wurden iterativ ermittelt. Der Algorithmus aus der Projektarbeit berechnet eine Stirlingmaschine, die den idealen Stirlingprozess nachfährt. Mit realen Parametern resultieren daraus teilweise unstetige oder unvorteilhafte Nockenkonturen. Der Grund ist, dass die isotherme Volumenzunahme und die isotherme Volumenabnahme in den seltensten Fällen gleich groß sind. Um dieses Problem zu umgehen, wurde der Algorithmus so abgeändert, dass er den idealen Stirlingprozess nur noch annähert. Mit dem abgeänderten Algorithmus wurde anschließend iterativ eine optimale Nockenform ermittelt. Für eine Gegenüberstellung wurden die Zustands- und Prozessgrößen der Maschine mit Nockentrieb und der Maschine mit Kurbeltrieb mit denselben Parametern berechnet. Die Ergebnisse wurden miteinander verglichen und es war im p,v-Diagramm deutlich ersichtlich, dass der Nockentrieb den idealen Stirlingprozess besser als einen Kurbeltrieb annähern konnte. Die berechnete Nockenkontur der Maschine, die den idealen Stirlingprozess nachfährt (ursprünglicher Algorithmus), war unvorteilhaft. Aufbauend auf den Berechnungsergebnissen der Maschine mit Nockentrieb wurden die Bauteile ausgelegt. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Zukaufteile schnell beschaffbar sind. Nach der Auslegung wurden die Teile mit einem CAD-Programm konstruiert beziehungsweise modelliert. Mit den fertigen Bauteilmodellen wurden Angebote von Rapid Prototyping-Unternehmen eingeholt. Die resultierenden Kosten übersteigen leider das angedachte Budget um ein Vielfaches. Daher fiel der Entschluss die Maschine nicht zu bauen. Am Ende wurden noch ein paar Verbesserungsvorschläge genannt, die noch beachtet beziehungsweise eingearbeitet werden können.

Stirling engines with crank drives can not achieve an ideal Stirling process due to the kinematics of the crank mechanism. The problem is to be solved with a cam drive, because the shape of the cam can be designed almost arbitrary. Based on an algorithm, which was developed during a project work, a Stirling engine is to be calculated, designed and constructed. During the writing, it was always ensured that the components of the machine can be manufactured or procured. In addition, the production of the machine should be as economical as possible. First, the starting values and parameters for the calculation were determined. These include constants such as ambient temperature or ambient pressure, but also values that had to be determined iteratively. For example, the optimum mesh of the regenerator or the optimal regenerator length were determined iteratively. The algorithm from the project work calculates a Stirling engine, which follows the ideal Stirling process. With real parameters, this sometimes results in not continuous or unfavorable cam contours. The reason is that the isothermal volume increase and the isothermal volume decrease are rarely the same. To avoid this problem, the algorithm has been modified to only approximate the ideal Stirling process. The modified algorithm was then used to iteratively determine an optimal cam shape. For a comparison, the state and process variables of the cam-driven machine and the crank-driven machine were calculated using the same parameters. The results were compared with each other and it was clearly evident in the PV diagram that the cam drive could approach the ideal Stirling process better than a crank drive. The calculated cam contour of the machine following the ideal Stirling process (original algorithm) was unfavorable. The components were designed based on the calculation results of the machine with cam drive. Care was taken to ensure that the purchased parts can be procured quickly. After design, the parts were modeled using a CAD program. With the finished component models quotations from rapid prototyping companies were obtained. The resulting costs unfortunately exceed the planned budget many times over. Therefore, the decision was made not to build the machine. In the end, a few suggestions for improvement were mentioned, which can still be considered or incorporated.