Der Stirlingmotor - eine saubere Antriebsquelle

"Peter Münch" <[email protected]>
FACHREFERAT ÜBER STIRLINGMOTOR
von ----- -----, 12Technik
am 26.031998
Der Stirlingmotor - eine saubere Antriebsquelle (Geschichte):
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts, als die Weiterentwicklung der Dampfmaschine - sie war damals die einzige
Kraftquelle hoher Leistung - im Gange war, versuchten zahlreiche Erfinder, das als Arbeitsmedium benutzte
Wasser durch Luft zu ersetzen. So entstand eine große Vielfalt von Heißluftmotorsystemen, eines davon wurde im
Jahre 1815 dem Schotten Dr. Robert Stirling patentiert.
Der Hintergedanke des damals 26 Jahre alten Pfarrers war, eine Alternative zu den “gefährlichen, kohlefressenden,
kindermordenden”1 Maschinen zu finden.
Er entwickelte also die Stirlingmaschine, die damals aufgrund eines nicht dichtenden Kolbens, daher mit
zusätzlicher Luftpumpe betreiben, nur einen Wirkungsgrad von 3% hatte
Ab 1818 wurde der Motor dann gewerblich eingesetzt (Durch Einbau eines mit Kupferspänen gefülltem Rohr
zwischen beheiztem Expansions- und dem Kompressionszylinder, was eine Kurzzeitwärmespeicher darstellen soll,
wurde der Wirkungsgrad erhöht.
Obwohl diese Art von Antrieb den Nachteil hatte, das er sehr schwer war (da er mindestens zwei Zylinder
brauchte) und sehr teuer in der Herstellung war, wurde der Motor
ab 1850 bis 1920 mit den Vorteilen einer langen, reparaturfreien Betriebsdauer sehr häufig als Antrieb von
Wasserpumpen, Gebläsen, Werkzeugmaschinen, Dynamos (lokale Stromerzeugung) und Ähnlichem verwendet.
Als Ursachen für das Verschwinden der Abgasarmen Antriebsart nach 1920 kann man den Ausbau der öffentlichen
Stromversorgung (deren Energie leichter zu handhaben ist), sowie die Entwicklung der Gasmotoren (KFZ;
Dieselmotor 1893) nennen.
Erst im Jahre 1937 erinnerte man sich in der Rundfunkröhren- und Radiofabrik Philips in Eindhoven an den
Heißluftmotor. Durch technische Verbesserungen entwickelte man einen fast lautlosen Antrieb für
Kleingeneratoren und Röhrengeräte, die damit stromunabhängig wurden.
Nach der Entwicklung des Transistorradios (der nur wenig Strom benötigt) schien der Stirling’sche Antrieb zwar
wieder überflüssig zu sein, dennoch verbesserten ihn die Philipswerke weiter und entdeckten unter anderem die
weitere Nutzbarkeit der “geistreichen Erfindung” als Wärmepumpe. Des weiteren wurde die Gasdichtheit erhöht
(40-60 bar; Heliumfüllung), das Wärmespeichervermögen des Regenerators wurde erhöht; Die Summe dessen sind
Wirkungsgrade über 40%. Eingesetzt wird diese überarbeitete Erfindung z.B. in sogenannten “Gyrokühlern”, mit
einer Größe bis Zündholzschachtelformat, die im Weltraum zum herab kühlen und kühlhalten von Infrarotsensoren
nahe 0 Kelvin.
Die Erfindung des Rhombengetriebes im Jahre 1953 wurde ein Durchbruch in Richtung großer Motoren erzielt, da
es dieser Kurbeltrieb gestattete, auf einfache Weise ein druckloses Kurbelgehäuse zu verwenden, was für größere
Motoren entscheidend wichtig ist. Überdies läßt sich das Rhombengetriebe (Bild 01, a-c) selbst bei einem
Einzylindermotor völlig auswuchten, was im Hinblick auf die Geräuscharmut des Motors ein willkommener
zusätzlicher Vorteil ist.
Ferner haben sich Firmen wie Ford, GM, und japanische Hersteller mit dem Thema auseinandergesetzt.
1
Zitat von Robert Stirling, übernommen aus den Unterlagen
"Peter Münch" <[email protected]>
Arbeitsprinzip des Stirlingmotors:
Bei Motoren (z.B. Otto- oder Dieselmotoren) mit innerer Verbrennung erhält man einen Arbeitsgewinn, indem man
eine bestimmte Luftmenge bei niedriger Temperatur komprimiert (vor oder nach dem Zusatz von Brennstoff), sie
sodann durch eine schnelle Verbrennung erhitzt und danach bei hoher Temperatur expandieren läßt.
Dasselbe Prinzip, nämlich eine Gasmenge bei niedriger Temperatur zu komprimieren und sie bei hoher Temperatur
expandieren zu lassen, liegt auch dem Stirlingmotor zugrunde. Das Arbeitsgas wird hier jedoch immer wieder
verwendet, und durch Wärmezufuhr von außen erhitzt. Man spricht daher auch von einem Motor mit äußerer
Verbrennung.
Schon Stirling hatte erkannt, daß eine periodische Änderung der Gastemperatur erreicht werden kann, wenn man
das Gas mit Hilfe eines “Verdrängerkolbens” zwischen einem Raum mit konstanter hoher Temperatur und einem
Raum mit konstanter niedriger Temperatur ständig hin und her schiebt. Um hierbei nicht unnötigerweise Wärme zu
vergeuden, ist ein sogenannter Regenerator eingefügt, der im Prinzip aus einer porösen Masse besteht
(“Wärmeschwamm”), an die das heiße Gas Wärme abgibt, bevor es in den Kühler strömt, während der
zurückkehrende Gasstrom die gespeicherte Wärme wieder aufnimmt, bevor er in den Erhitzer gelangt.
Volumenänderung in Abhängigkeit von der Zeit;
Betrachtung von Arbeits- und Verdrängerkolben (Bild 02, 03, 04)
Von I nach II: Isotherme Verdichtung;
Von II nach III: Isochore Drucksteigerung;
Von III nach IV: Isochore Ausdehnung;
Von IV nach I: Isochore Druckerniedrigung;
Vorteile des Stirlingmotors:
-
-
Keine: Ventile, Ventilantrieb, Zündanlage, Kraftstoffeinspritzung,
sowie keine innere Verbrennung => Abbrand außen in Sauerstoff - Überschuß ! Verbrennung fast
Schadstofffrei (Tabelle, Bild 05)
Keine Gasdruckspitzen ! lautloser, vibrationsfreier Lauf
Drehmoment von der Drehzahl fast unabhängig, auch am Anfang, ! elastischer Motor
Wirkungsgrade über 40%; Im Vergleich dazu ein Gasmotor mit Wirkungsgraden zwischen 25% und 52%
Nachteile des Stirlingmotors:
-
Die Flamme für den Expansionsteil muß permanent 800° C heiß sein
! jedoch: KFZ-Stirling mit 13 bis 18 Sekunden Vorheizzeit ist bereits entwickelt.
"Peter Münch" <[email protected]>
Verwendung als Kälte/Wärmepumpe:
Verwendet man die Maschine nicht als Motor, sondern wird sie rechtsherum angetrieben, so wird sie als
Kältemaschine betrieben.
Wird sie dagegen linksherum betrieben, so kann man sie als Wärmepumpe verwenden.
Die Maschine in solchen Anwendungsbereichen zu benutzen ist im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen
eine wesentlich effizientere, da beide Systeme wesentlich einfacher Arbeiten. Sie erzielen damit in der Praxis
Wirkungsziffern von 2 bis 2,7. Theoretische Werte liegen bei ca. 3 bis 4.
Zukunftsaussichten:
-
Es könnten bereits Motoren mit bis zu 5000 KW gebaut werden, (jedoch herrscht keine Nachfrage!)
! Verwendung als KFZ - Motor (Es wurden einsatzfähige vierzylinder - Motoren entwickelt)
Als Antrieb für Stromgeneratoren z.B. in Kraftwerken (u.a. auch Kernkraftwerk) oder zur direkten
Stromerzeugung (Thermomechanischer Generator; Bild 06)
Als Wärmepumpe überall sehr effektiv einsetzbar
Parabolspiegel als Wärmequelle
Weite Anwendungsbereiche u.a. auch in der Raumfahrt oder U-Boot (bis 300m Tiefe einsetzbar)
Als Abschlußgedanken muß man noch Hinzufügen, daß man zwar Gasmotoren mit dem hier erwähnten und
beschriebenen Stirlingmotor auf der Basis des momentanen technischen Standes vergleichen kann, jedoch darf nicht
vergessen werden, das an herkömmlichen Motoren bereits wesentlich mehr Entwicklungsarbeit geleistet wurde als
beim Heißluftmotor.
Quellenangabe:
1.
2.
Unterlagen “Modell Stirling - Motor” von OStR J. Pielmeier
(Verwendet bei: Geschichte; Vor- und Nachteile des Stirlingmotors; Verwendung als KälteWärmpumpe)
und
“Philips - Lehrbriefe Elektrotechnik und Elektronik”, Band 2: Technik und Anwendung
(Verwendet bei: Geschichte; Arbeitsprinzip des Stirlingmotors; Volumenänderung in Abhängigkeit von der
Zeit)