Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Stirlingmotor

Der Stirlingmotor ist eine Waermekraftmaschine zur Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit. Er ist ein Heissluftmotor und in einer Variante auch als Flachplatten-Stirlingmotor bekannt.

Der Stirlingmotor ist eine Maschine, in der ein Gas als Arbeitsmedium in einem geschlossenen Raum erwärmt wird, Volumenaenderungsarbeit auf einen Arbeitskolben uebertraegt und in mechanische Arbeit umsetzt. Das Gas wird danach abgekühlt und wieder komprimiert. So entsteht ein Kreisprozess.

Beim Stirlingmotor bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Das bedeutet, dass er, abgesehen von einer ggf. durch Verbrennung betriebenen externen Waermequelle, ohne die Emission von Abgasen arbeitet.

Darin unterscheidet sich dieser Motor z.B. von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, denn bei Dampfmaschinen wird der Wasserdampf ausserhalb des Zylinders erhitzt, in den Zylinder geleitet und nach der (ggf. mehrstufigen) Entspannung abgelassen. Bei Verbrennungsmotoren, wie z.B. dem Ottomotor oder dem Dieselmotor wird das Gas (Kraftstoff-Luft-Gemisch) innerhalb des Zylinders durch Verbrennung erhitzt und nach der Entspannung ausgetauscht.

Die aeussere Waermezufuhr und anschliessende Kuehlung des Gases schafft beim Stirlingmotor erhebliche Probleme hinsichtlich des Waermedurchgangs durch eine dicke Zylinderwand, wie sie wegen der hohen Drücke erforderlich ist. Eine übliche kurzzeitige alternierende Erwaermung und anschliessende Kuehlung waere nicht möglich gewesen. Man loeste das Problem, indem die Motoren mit einer stetig heissen Zone und einer stetig kalten Zone ausgestattet wurden. Beim unten abgebildeten einzylindrigen Beta-Typ bewegt sich der Arbeitskolben in der fortwaehrend gekuehlten Kaltzone (oben), wärend sich der Verdraengerkolben immer in der Heisszone befindet. Beim Alpha-Typ besteht der Motor aus zwei getrennten Zylindern, einem heissen Arbeitszylinder und einem kalten Kompressorzylinder. Der problematische Waermeaustausch wird verbessert, wenn ein innerer Waermeaustausch über einen Regenerator erfolgt, vergleichbar einer Abwaermerueckgewinnung zur Vorwaermung. Die zwischengespeicherte Wärme muss nicht abgefuehrt und zugefuehrt werden, wodurch sich die Kuehl- bzw. Heizflaechen verringern lassen. Beim Beta-Typ wirkt der Verdraengerkolben zugleich als Regenerator, beim Alpha-Typ sitzt er zwischen den Zylindern. Das Gas wird in stetem Wechsel durch den Regenerator in die Heisszone und dann in die Kaltzone geschoben. Dabei wird es von aussen erhitzt, gekuehlt und nimmt intern vom Regenerator Wärme auf und gibt an diesen Wärme ab. Die im Regenerator bewegte Waermemenge kann bis zum vierfachen der zugefuehrten Wärme betragen. Eine weitere Besonderheit der Stirlingmotoren besteht konstruktionsbedingt in deren hohem Totraumanteil.

Der Stirlingmotor benötigt im Gegensatz zum Ottomotor keinen besonderen Treibstoff, sondern ist lediglich auf die Zufuehrung von Wärme angewiesen. Da die Quelle dieser Wärme unerheblich ist, kann beispielsweise Sonnenenergie, thermisch nutzbare Abwaerme oder Wärme im Boden ausgenutzt werden. Der Stirlingmotor ist ausserdem gegen den Vakuummotor abzugrenzen.

In dem Motor bewegen sich zwei Kolben: der so genannte Verdraengerkolben (VK) und der Arbeitskolben (AK). Beide Kolben sind um 90 Grad versetzt an einem Schwungrad befestigt, mit dem mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Diese wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht, der Verdraengerkolben wird nur mitgenommen um das Gas zu verschieben.

Der Arbeitsablauf des Stirlingmotors kann in die folgenden erklaerten 4 Takte unterteilt werden:

Das Gas wird im Inneren des Stirlingmotors im heissen Bereich erhitzt, indem von aussen Wärme zugefuehrt wird (Q zu). Durch die Erwaermung dehnt sich das Gas isotherm (T = const.) aus. Dadurch wird der Arbeitskolben (AK) nach oben geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdraengerkolben (VK) bewegt, da Arbeitskolben und Verdraengerkolben an einem Rad befestigt sind, allerdings um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der Verdraengerkolben kaum bewegt. In diesem Takt wird durch den Arbeitskolben am Rad Arbeit verrichtet.

Das Rad dreht sich wegen der Traegheit weiter. Der Verdraengerkolben (VK) verschiebt deshalb das Gas vom heissen Bereich in den kalten Bereich (isochore Abkuehlung (V = const.)). Meistens uebernimmt der Verdraengerkolben hier auch gleichzeitig die Aufgabe eines Waermespeichers, des so genannten Regenerators, der einen Teil der Waermeenergie des Gases zwischenspeichert und das Gas dadurch abkuehlt. Zudem wird das Gas z. B. durch Kuehlrippen oder zusaetzliche Luftkuehlung (Q ab) abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens aendert sich bei diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Motor faellt, da das Gas abgekühlt wird.

Dadurch, dass der Druck faellt, verrichtet nun der Luftdruck solange Arbeit, bis im Arbeitsraum der Druck der Atmosphaere erreicht ist. Darauf folgt die eigentliche Kompression (isotherme Kompression (T = const.)) hierzu muss Arbeit zugefuehrt werden. Diese Arbeit wird ueblicherweise durch eine Schwungmasse aufgebracht. Die Position des Verdraengerkolbens aendert sich bei diesem Prozessabschnitt kaum.

Das Rad dreht sich wieder wegen Traegheit weiter und dadurch wird der Verdraengerkolben nach oben bewegt. Dies hat zur Folge, dass das Gas aus dem oberen kuehlen Bereich in den heissen Bereich verschoben wird (isochore Erwaermung (V = const.)). Der Regenerator gibt dabei die im 2. Takt gespeicherte Wärme an das Gas ab und erwärmt es zusaetzlich zur Erwaermung von aussen. Der Zyklus beginnt von vorne.