Ein Stirlingmotor ist eine hin- und hergehende Wärmekraftmaschine, die Wärme aus einer externen Quelle verwendet, um Energie für den Arbeitszyklus zu erzeugen. Diese Wärme wird oft durch externe Verbrennung gewonnen, es handelt sich also um einen Motor mit externer Verbrennung.

Dieser Motortyp nutzt chemische Energie, die durch die Verbrennung von Kraftstoff gewonnen wird, um den Arbeitsstoff zu erhitzen, der anschließend im Motor Arbeit verrichtet. Die Verbrennung findet immer außerhalb des Motors statt, und der Arbeitsstoff ist meistens Gas.

Die Geschichte des Stirlingmotors auf den Punkt gebracht

Die Entwicklung des Stirlingmotors begann Anfang des 19. Jahrhunderts, als der schottische Ingenieur und Geistliche Robert Stirling versuchte, eine sicherere Alternative zu den für Explosionen berüchtigten Dampfmaschinen zu schaffen. Der Stirlingmotor wurde 1816 patentiert. In den folgenden Jahren erfuhr er mehrere Verbesserungen zur Steigerung der Effizienz. Die Brüder Stirling patentierten 1827 auch einen Heißluftmotor.

Während des 19. und 20. Jahrhunderts erlebten Stirlingmotoren ein erhöhtes Interesse und Innovationen, insbesondere in Zeiten von Kraftstoffknappheit oder Zeiten des schnellen technologischen Fortschritts. Heutzutage rücken Stirlingmotoren als ökologische Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren wieder in den Vordergrund.

Der Bau des Stirlingmotors

Konstruktiv hat der Stirlingmotor viele Vorteile gegenüber anderen Verbrennungsmotoren. Der Motor ist robust und hat einen einfachen Aufbau, was ihn sehr zuverlässig macht.

Dieser Motor ist gekapselt und dicht, wodurch er beispielsweise unter Wasser oder im Vakuum eingesetzt werden kann. Da der Kraftstoff nicht im Motor verbrennt, entstehen keine unnötigen Geräusche oder Vibrationen.

Dadurch ist der Motor leiser, kultivierter und langlebiger als klassische Verbrennungsmotoren, da seine Teile weniger beansprucht werden. Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors ist gleich, manchmal sogar höher, als der der besten Dieselmotoren. Sein größter Vorteil ist jedoch, dass verschiedene Kraftstoffarten zum Antrieb des Motors verwendet werden können.

Wie funktioniert ein Einzylinder-Stirlingmotor?

Anfänglich hat das Gas eine niedrige Temperatur, und daher befindet sich der Druck zwischen dem unteren (undichten) und dem oberen Arbeitskolben (dicht), die miteinander verbunden sind. Der untere Kolben bewegt sich zum oberen Teil des Zylinders und stößt das um den Kolben herum strömende Gas in den unteren Teil des Zylinders aus, der durch eine externe Wärmequelle erwärmt wird.

Dank der Erwärmung steigt die Temperatur des Gases im Zylinder. Das Gas erhöht dadurch sein Volumen und seinen Druck und dehnt sich nach oben aus, während es den undichten Kolben erneut umströmt.

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Motorkolben: Wie funktionieren sie?

An der Oberseite des Zylinders wird das Gas gekühlt, wodurch sein Volumen und sein Druck verringert werden, wodurch der Arbeitskolben nach unten fährt, den undichten Kolben nach oben hebt und das Gas zum Boden des Zylinders zurückkehren kann, der erhitzt wird. Dieser Kreislauf wiederholt sich immer wieder.

Wie funktioniert ein Zwei- oder Mehrzylinder-Stirlingmotor?

Eine externe Wärmequelle erwärmt den roten Zylinder. Das Gas im Zylinder erhöht sein Volumen und seinen Druck und drückt den (roten) Zylinderkolben nach oben. Nachdem der Kolben die obere Begrenzung des Zylinders erreicht hat, strömt das Gas durch das Rohr in den zweiten (blauen) Zylinder.

Dort wird es gekühlt, wodurch sein Volumen und sein Druck reduziert werden, was dazu führt, dass der Kolben fällt, wodurch das gekühlte Gas zurück in den erhitzten Zylinder gedrückt wird.

Vorteile des Stirlingmotors

Der Stirlingmotor hat einen vielseitigen Einsatz und einen vergleichbaren Wirkungsgrad wie Otto- oder Diesel-Motoren. Wie erwähnt handelt es sich um einen Motor mit externer Verbrennung, wodurch weniger Schadstoffe entstehen.

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Benzin- und Dieselmotor: Wie unterscheiden sie sich?

Da keine Stoffe in den Motor gelangen oder ihn verlassen, ist die Verwendung der am besten geeigneten Füllung in den Zylindern möglich. Zu den Hauptvorteilen des Stirlingmotors gehören:

1. Brennstoffvielseitigkeit: Stirlingmotoren können mit praktisch jeder Wärmequelle betrieben werden, wodurch sie an eine Vielzahl von Brennstoffen angepasst werden können, einschließlich erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie.
2. Hoher Wirkungsgrad: Dank des Regenerators und isothermer Prozesse können Stirlingmotoren im Vergleich zu Verbrennungsmotoren einen höheren thermischen Wirkungsgrad erreichen.
3. Geringe Emissionen: Der externe Verbrennungsprozess führt zu geringeren Emissionen und weniger Umweltverschmutzung, was Stirlingmotoren zu einer umweltfreundlichen Lösung macht. Durch das Fehlen von Öl im Kraftstoff gelangen weniger Schadstoffe in die Luft.
4. Leiser Betrieb: Stirlingmotoren arbeiten mit minimalen Geräuschen und Vibrationen, da es keine interne Verbrennung und keine schnelle Abgasentfernung gibt.

Kraftstoffe für den Stirlingmotor

Wie bereits erwähnt, besteht ein großer Vorteil des Stirlingmotors gegenüber anderen Verbrennungsmotoren darin, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Kraftstoffe zum Antrieb des Motors verwendet werden können, wie zum Beispiel:

• Erdgas (erreicht aus ökonomischer, aber auch ökologischer Sicht die besten Ergebnisse)
• Flüssige und gasförmige Brennstoffe
• Feste Brennstoffe
• Biomasse (Hackschnitzel, Pflanzenreste, etc.) • • • Biogas (Deponie-, Kläranlagen-, Kokereigas)
• Sonnenenergie
• viele mehr...

Außer dem Stirlingmotor kann kein anderer Motor eine so große Gruppe unterschiedlicher Quellen für seinen Antrieb nutzen.

Nachteile des Stirlingmotors

Wie jedes andere Gerät hat auch der Stirlingmotor Vor- und Nachteile. Zu den Nachteilen dieses Motors können wir Folgendes zählen:

• Niedrigeres Leistungsgewicht: Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren haben Stirlingmotoren ein geringeres Leistungsgewicht.
• Komplexes Design: Stirlingmotoren haben ein komplexeres Design, was zu höheren Produktionskosten und aufwändigerer Wartung führt.
• Die Komplexität der Materialien: Effiziente Wärmeübertragung zwischen Heiß- und Kaltkammer ist für eine optimale Leistung unerlässlich. Daher sind die Anforderungen an Dichtungsmaterialien hoch und damit die Herstellungskosten.

Verwendung des Stirlingmotors

Der Stirlingmotor wird aufgrund seiner Vielseitigkeit und einzigartigen Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt:

• Stromerzeugung: Der Stirlingmotor kann in abgelegenen Gebieten Strom aus Abwärme oder erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie erzeugen.
• Kraft-Wärme-Kopplung: In Blockheizkraftwerken (KWK) kann ein Stirlingmotor Abwärme aus Industrieprozessen oder Gebäuden zurückgewinnen und so die Energieeffizienz steigern.
• Schiffsantrieb: Der Stirlingmotor wird in U-Booten und anderen Marineschiffen für leisen Betrieb und Kraftstoffeinsparung verwendet.
• Raumfahrzeugenergie: Radioisotope Stirling Generatoren werden als Energiequelle für Missionen im Weltraum verwendet, wie zum Beispiel der NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).

Zukünftige Innovationen

Stirlingmotoren sind bereit, eine bedeutende Rolle beim Übergang zu saubereren und effizienteren Energielösungen zu spielen. Zu den potenziellen Bereichen für zukünftige Innovationen gehören:

• Solarenergie: Konzentrierte Solarstromsysteme können Stirling-Motoren verwenden, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln und bieten eine erneuerbare Ressource.
• Rückgewinnung von Abwärme: Die Entwicklung fortschrittlicher Materialien und Konstruktionen kann die Effizienz von Stirlingmotoren weiter verbessern und sie zu einer attraktiven Option für die Rückgewinnung von Abwärme und Energieeinsparungen machen.
• Einsatz in Kraftfahrzeugen: Obwohl noch nicht weit verbreitet, könnte die Integration von Stirlingmotoren in Hybridfahrzeugsysteme dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu senken.

Wissenswertes über den Stirlingmotor

• Erster patentierter Motor: Der Stirlingmotor war der erste patentierte Motor, der 1816 sein Patent erhielt, noch vor dem Verbrennungsmotor.
• Sicherheitsinnovation: Der Stirlingmotor wurde ursprünglich als sicherere Alternative zu Dampfmaschinen entwickelt, die aufgrund von Hochdruckdampf explosionsanfällig sind.
• Schwedische U-Boote: Die schwedische Marine verwendet seit 1996 Stirling-Motoren in ihren U-Booten der Gotland-Klasse und nutzt den leisen Betrieb und die Effizienz der Motoren.
• Philips Electronics: In den 1950er Jahren entwickelte Philips Electronics eine Reihe von Stirling-Motoren für den Einsatz in Radios und anderen Kleingeräten und trug so zur Verbreitung dieser Technologie bei.
• Am längsten laufender Stirlingmotor: Der am längsten kontinuierlich laufende Stirlingmotor befindet sich an der Universität von Canterbury in Neuseeland. Dieser als Canterbury Ringbom bekannte Motor ist seit 1986 im Einsatz.

Häufig gestellte Fragen zum Stirlingmotor

F: Kann ein Stirlingmotor in einem Auto verwendet werden?

Antwort: Der Stirlingmotor ist aufgrund seines geringeren Leistungsgewichts und seiner Komplexität noch nicht weit verbreitet für den Automobileinsatz. Es kann jedoch in Hybridfahrzeugsysteme integriert werden, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und Emissionen zu reduzieren.

Frage: Wie ist der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor?

Antwort: Der Stirlingmotor kann im Vergleich zu Verbrennungsmotoren einen höheren thermischen Wirkungsgrad erreichen und erreicht oft Wirkungsgrade von 30–40 % oder mehr, während Verbrennungsmotoren typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 20–25 % haben.

Frage: Was sind die Hauptfaktoren, die den Wirkungsgrad eines Stirlingmotors beeinflussen?

Antwort: Der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Kammer, der Konstruktion des Regenerators, dem Arbeitsgas und den mechanischen Verlusten im Motor.

F: Wie startet ein Stirlingmotor?

Antwort: Ein Stirlingmotor benötigt eine externe Wärmequelle, um in Betrieb zu gehen. Sobald sich das Arbeitsgas erwärmt und sich auszudehnen beginnt, startet der Motor und läuft weiter, solange die Wärmequelle aufrechterhalten wird.

F: Welches Arbeitsgas wird in einem Stirlingmotor verwendet?

Antwort: Das Arbeitsgas in einem Stirlingmotor kann je nach Konstruktion und Anwendung variieren. Üblicherweise verwendete Gase umfassen Luft, Wasserstoff, Helium und Stickstoff.

Abschluss

Der Stirlingmotor bietet eine einzigartige Kombination aus Kraftstoffvielseitigkeit, hoher Effizienz und niedrigen Emissionen, wodurch er für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Mit fortschreitender Technologie wird das Potenzial des Stirlingmotors zunehmen, ebenso wie sein Einsatz in verschiedenen Bereichen.

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