mini|Animation eines Stirlingmotors in Alpha-Konfiguration, das diagonale Rohr stellt den Regenerator dar, der etwa mit wärmespeichernder keramischer Masse gefüllt sein kann und verhindert, dass das strömende Gas die Wärmeenergie zwischen kalten und warmem Kolben mitführt mini|Ein mittels Spiritusbrenner betriebener Demonstrations-Stirlingmotor mini|Stirlingmotor in Betrieb
Der Stirlingmotor ist eine von Robert Stirling im Jahre 1816 entwickelte Wärmekraftmaschine.
Im Stirlingmotor wird ein Gas durch von außen zugeführte Wärme in einem durch einen Kolben abgeschlossenen Raum (Zylinder) erhitzt und expandiert, in einem anderen, ebenfalls durch einen Kolben abgeschlossenen Raum (Zylinder) gekühlt und komprimiert. Das Gas pendelt zwischen diesen beiden Räumen und wechselt dabei Temperatur und Druck. Der Stirlingmotor arbeitet mit einem Kreisprozess (Stirling-Prozess). Weil die Wärme von außen zugeführt wird, kann er mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden. Weil das Gas nicht ausgetauscht wird, kann ein besonders gut geeignetes Gas verwendet werden, wie Helium oder Wasserstoff.
Gängige Stirlingmotoren („Standardmaschine“) speichern die im Arbeitsgas enthaltene innere Energie auf dem Weg vom heißen zum kalten Raum in einem Speicher (Regenerator), um den Wirkungsgrad zu verbessern. Der Regenerator gibt die Wärme wieder ab, wenn das Gas vom kalten zum heißen Raum strömt. Stirlingmotoren werden meistens als Kolbenmaschinen ausgeführt, es gibt jedoch weitere Bauformen.
Bei manchen Bauformen genügt als Antrieb bereits eine geringe Temperaturdifferenz, zum Beispiel die zwischen menschlichem Körper und der Umgebung.Dieter Viebach: Der Stirlingmotor: einfach erklärt und leicht gebaut, ökobuch-Verlag, ISBN 3-922964-70-2 (1. Aufl. 1998), S. 82.
Geschichte Der Stirlingmotor wurde 1816 von dem damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Er ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Stirling wollte mit seinem Motor eine Alternative zu den damals aufkommenden Hochdruckdampfmaschinen bieten, die zahlreiche Opfer durch Kesselexplosionen forderten.
Eine erste Blüte erlebte der Motor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzelenergiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. In kleinen Ausführungen war er ein Massenprodukt des Fabrikanten Louis Heinrici und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar. Er wurde beispielsweise für den Antrieb von Ventilatoren verwendet.
mini|Philips MP1002CA Stirlinggenerator von 1951 … mini|hochkant|… mit 180 Watt und 9,5 bar Arbeitsdruck
In den 1930er Jahren entwickelte das niederländische Unternehmen Philips Stirlingmotoren zum Antrieb kleiner Generatoren. Das Unternehmen baute in dieser Zeit große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden transportablen Kraftmaschine für die Stromversorgung der Elektronenröhren in Gegenden ohne Versorgung mit elektrischer Energie. In diesem Zusammenhang entwickelte man den Philips-Stirlingmotor, einen Motor mit einem Zylinder und zwei Kolben. Während das Pleuel des Arbeitskolbens direkt auf die Kurbelwelle wirkt, wird der Verdrängerkolben über ein um 90° versetztes Pleuel, einen Winkelhebel und ein elastisches „Messer“-Pleuel angetrieben, das durch einen Schlitz im Arbeitskolben geführt ist. Später verwendete Philips ein Rhombengetriebe, bei dem beide Kolben auf Kolbenstangen wirkten, die über Joche und 4 Doppelpleuel mit zwei gegenläufigen Kurbelwellen verbunden waren; die Kolbenstange des Verdrängerkolbens wirkte dabei durch die hohlgebohrte Kolbenstange des Arbeitskolbens.
Diese Bauart läuft völlig ohne Unwucht, ist also frei von Massenkräften und -momenten erster und zweiter Ordnung, lässt sich beinahe beliebig verkleinern und eliminiert die Radiallasten aus dem Kurbeltrieb auf den Kolben, was die Reibung und den Verschleiß minimiert. Jedoch war anfangs die Dauerfestigkeit der Dichtung zwischen den beiden Kolbenstangen gering.
Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts forschten diverse Industrieunternehmen weiter am Stirlingmotor als Schiffs- und Automobilantrieb sowie wegen der Vielstofftauglichkeit im militärischen Bereich, ohne auf diesen Gebieten eine konkurrenzfähige Serienreife zu erzielen.Bauer, S. 194 ff.
In den 1970er und 1980er Jahren wurden Stirlingmotoren als Automobilantrieb erforscht, insbesondere weil die kontinuierliche Verbrennung bei den Abgasen Vorteile brachte und für andere Motorbauarten keine ausgereiften Abgasnachbehandlungssysteme verfügbar waren. Philips hatte dazu Kooperationen mit GM, Ford und der NASA. Allerdings ließen sich zahlreiche Probleme des Stirling-Motors im Automobil nicht befriedigend lösen, insbesondere die Regelbarkeit (langsames Ansprechverhalten), Aufheizzeit von Kaltstart bis zum Losfahren und die geringe Leistungsdichte. Dazu kamen Wirkungsgrade, die im Bestpunkt 38 % und unter Testbedingungen bis 28 % erreichten. Unter dem Namen Stir-Lec 1 hatte GM 1969 eine Studie eines seriellen Hybrids mit Stirling-Motor entwickelt.Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren. 7. Auflage, Springer Fachmedien, Wiesbaden 2014, Abschnitt „19.3.1 Alternative Konzepte“, ISBN 978-3-658-03194-7. Das Fahrzeug basierte auf einem 1969er Opel Kadett mit stirling-elektrischem Antrieb sowie Akkumulatoren und wurde von GM im öffentlichen Straßenverkehr erprobt.General Motors (1969)
Ab ca. 1975 gewann der Stirlingmotor an Bedeutung im Zusammenhang mit holzbetriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW) und der Kraft-Wärme-Kopplung. Für Kleinst-BHKW gibt es Stirling-Freikolbenmotoren mit Lineargeneratoren.
In Verbindung mit dem Kraft-Wärme-Kopplung-Gesetz sind Vorhaben bekannt geworden, den Stirlingmotor wieder einer breiteren Anwendung zuzuführen. Eine Freikolben-Wärmekraftmaschine, bei der die Arbeitsmaschine (zum Beispiel Generator) von einem Stirlingmotor angetrieben wird (sie besteht also aus zwei Teilen, dem Generator und dem Stirlingmotor), (PDF; 682 kB) hat den großen Vorteil, dass nur noch zwei axial belastete Teile vorhanden sind und beim Betrieb keine Radialkräfte auftreten.
Die NASA entwickelt lineare Stirling-Konverter mit integriertem Lineargenerator, die ihre Betriebswärme über Heatpipes von einem kleinen Festkörper-Kernspaltungsreaktor zugeführt bekommen, in einem Leistungsbereich von 100W-1kW elektrisch, zur dauerhaften Energieversorgung von Raumsonden, die entfernte Planeten erforschen oder einer menschlichen Basis auf Mond oder Mars über viele Jahre hinweg.Stirling Converter Technology von NASA - Radioisotope Power Systems (Aufgerufen am 7. Juli 2021)
Wie die Gasturbine (ein bewegtes Teil) ist der Freikolben-Stirlingmotor-Generator (zwei bewegte Teile) eine Wärmekraftmaschine, die ohne weitere reibungsbehaftete Teile wie Pleuel, Kurbelwelle und Ventilsteuerung auskommt.
mini|Stirlingmotor vom Gamma-Typ, um 1900
Beschreibung Das im Stirlingmotor eingesetzte Arbeitsgas durchläuft den Stirling-Kreisprozess. Der ideale Stirlingprozess hat isotherme Expansion, in der Praxis wird aufgrund hoher Drehzahlen nur eine adiabate Expansion realisiert.
Ein Stirlingmotor kann von außen angetrieben werden und arbeitet dann als Wärmepumpe, die – je nachdem, ob der heiße oder der kalte Bereich genutzt wird – als Kältemaschine oder Wärmepumpenheizung dienen kann.
Ein Vorteil des Stirlingmotors liegt in seiner kontinuierlichen und leisen Wärmezufuhr. Die Verbrennung lässt sich schadstoffarm gestalten oder durch eine emissionsfreie Strahlungsquelle ersetzen, wie die Sonne, radioaktive Zerfallswärme oder heißes Wasser oder Dampf aus der Geothermie.
Während bei einem Otto- oder Dieselmotor ein hoher Aufwand zu betreiben ist und ein hochwertiger Brennstoff benötigt wird, um die innere diskontinuierliche Verbrennung sowohl effizient als auch schadstoffarm zu betreiben, kann die kontinuierliche Wärmezufuhr beim Stirlingmotor auf einfache Weise geschehen. Geschieht die Wärmezufuhr durch äußere Verbrennung, so kann hierzu ein beliebiger Brennstoff verwendet werden. Ein Stirlingmotor ist prinzipiell ein Vielstoffmotor.
Der Stirlingmotor ist ein Heißgas-Motor, bei dem das Arbeitsgas, anders als zum Beispiel bei Verbrennungsmotoren, innerhalb des Motors verbleibt und nicht ausgetauscht wird. Je nach verwendeter Wärmequelle kann ein Stirlingmotor so auch abgas- und emissionsfrei betrieben werden.
Das Arbeitsgas im Stirlingmotor kann frei gewählt werden. Es befindet sich in einem geschlossenen System ohne Verschmutzungen von außen. Allerdings wird es durch den Abrieb der gleitenden Teile und Schmierstoffe verunreinigt.
Die Wärme- und Kühlenergie zum Betrieb des Stirlingmotors muss durch Wärmeleitung zu- und abgeführt werden. Dabei entstehen Wärmeverluste, die bei der direkten Wärmezufuhr durch innere Verbrennung in einem Otto- oder Dieselmotor nicht auftreten. Auch lassen die verwendeten Werkstoffe im Stirlingmotor in der Regel einen Betrieb bei Temperaturen von über 1000 °C nicht zu, die in Verbrennungsmotoren auftreten. Ebenso können die hohen Temperaturen im Brennpunkt eines auf die Sonne gerichteten Hohlspiegels die Metall-Legierung des Wärmetauschers zum Schmelzen bringen. Bei höherer Leistung umgeht man dieses Problem, indem der Verdrängerkolben das Arbeitsgas durch dünne beheizte Röhrchen drückt. Das hat den Nachteil, dass das „Totvolumen“ VUT recht groß ist und die erreichbare Leistungsdichte in W/kg verringert wird. Stirlingmotoren mit hoher Leistung haben deshalb einen sehr hohen mittleren Betriebsdruck.
Als Arbeitsgase werden in der Regel Wasserstoff oder Helium gewählt. Diese besitzen die größte Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität aller Gase.
Ein als Zwischenspeicher für Wärmeenergie eingesetzter Regenerator vermindert den Übertritt der Wärme auf die kalte Seite. Kühl- und Heizflächen können verkleinert werden. Die Position und Ausführungsart des Regenerators hängt vom Bautyp des Motors ab. Die im Regenerator zwischengespeicherte Wärmemenge kann bis zum Vierfachen der pro Zyklus zugeführten Wärme betragen.
Bauformen mini|Aufbau eines Stirlingmotors vom Alphagamma-Typ alternativtext=Stirlingmotor vom Alphagamma-Typ (2021)|mini|Stirlingmotor vom Alphagamma-Typ (2021)
Man unterscheidet zwischen drei Hauptbauarten: dem Alpha-, dem Beta- und dem Gamma-Typ.
Alpha-Typ Beim Alpha-Typ sind zwei Kolben (bei der Hubkolbenbauweise) in separaten Zylindern untergebracht und wirken um ca. 90° bis 170° versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle (Empfohlene Phasenwinkel siehe im Kasten unten). Der Kurbeltrieb mit zwei Kolben und Pleueln auf einem Kurbelwellenzapfen und der Versatz des gekühlten Zylinders sorgt dafür, dass das Gas von einem Kolben expandiert oder komprimiert werden kann, während sich der andere Kolben in der Nähe vom oberen oder unteren Totpunkt wenig bewegt. Da beide Zylinder durch Rohrleitung und Regenerator miteinander verbunden sind, setzt sich der Arbeitstakt (Expandieren und auch Komprimieren) im Folgetakt auf der anderen Kolbenoberseite fort. Eine verbreitete Bauart ist der doppeltwirkende Vierzylinder-V-Motor, bei dem der Kurbeltrieb vom hohen Druck des Arbeitsgases entlastet wird und die „heißen“ Kolbenoberseiten mit benachbarten „kalten“ Kolbenunterseiten zusammenwirken. Die Erfindung des Alpha-Typs geht eigentlich nicht auf Robert Stirling zurück, sondern auf einen Personenkreis um Charles Louis Felix Franchot in der Zeit von 1840 bis 1853 in Paris. Es ist abgesehen von dessen Patenten nicht bekannt, dass damals in Paris auch solche Motoren gebaut wurden. Erst ab 1870 wurden von Alexander Kirk Rider in New York 80.000 Motoren dieses Typs hergestellt, weshalb der Alpha-Typ auch Ridermotor genannt wird. Beta-Typ