Funktionsweise des Stirlingmotors

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, ein so genannter Heißgas-Motor. In dem Motor bewegen sich, durch drastische Temperaturänderungen, zwei Kolben: der so genannte Verdrängerkolben und der Arbeitskolben. Beide Kolben sind um 90 Grad versetzt an einem Schwungrad befestigt, mit welchem mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Diese wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht, der Verdrängerkolben wird nur mitgenommen, um das Gas zu verschieben. Der Arbeitsablauf des Stirlingmotors kann in die folgenden vier Takte unterteilt werden:

Das Gas wird im Inneren des Stirlingmotors im heißen Bereich erhitzt, indem von außen Wärme zugeführt wird. Durch die Erwärmung dehnt sich das Gas aus. Dadurch wird der Arbeitskolben fort geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben bewegt. Der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben sind an einem Schwungrad befestigt und um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der Verdrängerkolben kaum bewegt Sinusfunktion. In diesem Takt verrichtet der Arbeitskolben am Schwungrad Arbeit.

Das Schwungrad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben schiebt deshalb das Gas vom heißen in den kalten Bereich (Abkühlung). Meistens übernimmt der Verdrängerkolben hier auch gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmespeichers. Das heißt hier allerdings, dass er die Wärme wegnehmen soll aus dem Zylinderraum. Denn danach soll kaltes Gas, nicht warmes (!) - komprimiert werden. D.h. durch den Regenerator erfolgt eine Abführung eines Teils der Wärmeenergie des Gases. Zudem wird das Gas durch (Kühlrippen) oder zusätzliche Luftkühlung abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Arbeitszylinder fällt aufgrund der Expansion, indem der Kolben sich dabei wegbewegt. Dabei kühlt sich das Gas ab und ferner, weil es gleich danach in einen kühleren Raum, den Regenerator gedrückt wird.

Darauf folgt die eigentliche Kompression. Hierzu muss Arbeit zugeführt werden. Diese Arbeit wird üblicherweise durch eine Schwungmasse aufgebracht. Die Position des Verdrängerkolbens ändert sich bei diesem Prozessabschnitt kaum.

Das Schwungrad dreht sich wieder wegen Trägheit weiter und dadurch wird der Verdrängerkolben nach oben bewegt. Dies hat zur Folge, dass das Gas aus dem oberen kühlen Bereich in den heißen Bereich verschoben wird (Erwärmung).Der Regenerator gibt dabei die im 2.Takt gespeicherte Wärme an das Gas ab und erwärmt es zusätzlich zur Erwärmung von außen. Der Zyklus beginnt von vorne.

Es handelt sich um einen geschlossenen Kreisprozess, der mit einer beliebigen externen Wärmequelle, wie Gas oder Öl, betrieben werden kann.

Merkmale

Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern es kann jede Wärmequelle (Solarenergie beim Solar-Stirling, Erdwärme o. ä.) genutzt werden.
Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen, z.B. der Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivo Kolin (Universität Zagreb 1989).
Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht, sind beliebige Brennstoffe möglich. Außerdem kann die Verbrennung kontinuierlich und von außen erfolgen und erlaubt so günstige Abgaswerte.
Fehlende Explosions- und Abgasgeräusche machen einen Stirlingmotor sehr leise.
Der Verbrauch von Schmieröl ist oftmals gering.
Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehr langsam und deshalb für Kraftfahrzeuge nicht geeignet. Andere Methoden der Leistungsregelung sind möglich, jedoch in der Regel aufwendiger.
Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmeübertrager und sind deshalb schwer.
Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor völlig frei von Massenkräften laufen.
Es gibt sehr viele verschiedene Bauformen, was vielseitige Anwendbarkeit und Weiterentwickelbarkeit ermöglicht.
Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente vor allem bei niedrigen Drehzahlen.
Bestimmte Bauformen können selbstständig unter Last anlaufen.

Weiterführende informationen

Quelle : Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor