Heißluftmotor

Eine Erfindung zur falschen Zeit
Das von dem schottischen Pfarrer ROBERT STIRLING (1790-1878) im Jahre 1816 angemeldete Patent eines Heißluftmotors ist bis heute ein Gegenstand technischer Forschungen geblieben. Der Grund dafür ist das genial einfache Funktionsprinzip dieses Motors. Nach seinem Erfinder wird diese Wärmekraftmaschine auch als STIRLING-Motor bezeichnet.
Wie bei einer Dampfmaschine erfolgt die Erzeugung der thermischen Energie durch äußere Verbrennung (Bild 1). Der STIRLING-Motor lässt sich daher mit allen Brennstoffen betreiben und ist insbesondere auch für die Verwendung von erneuerbaren Energien wie Holz, Biogase und Solarwärme geeignet. Nicht zuletzt deshalb wird gegenwärtig in der Schweiz eine Variante des STIRLING-Motors in Verbindung mit einem Generator zur Stromerzeugung getestet.

Der STIRLING-Motor ist eine der Erfindungen in der Geschichte der Technik, die vermutlich zur falschen Zeit gemacht wurden. Seine Geschichte zeigt, wie abhängig der Erfolg einer Erfindung vom Stand der allgemeinen technologischen Entwicklung ist. Trotz eines höheren Wirkungsgrades und vieler betriebstechnischer Vorteile gegenüber den Dampfmaschinen konnte sich der Heißluftmotor nicht durchsetzen. Zunächst fehlten geeignete Materialien zur Herstellung von druck- und temperaturbeständigen Zylindern und Abdichtungen. Später tat der Siegeszug der Explosions- und Elektromotore ein Übriges. Vergessen aber wurde das Prinzip nie.

Aufbau und Wirkungsweise des Stirling-Motors
Das Ziel der Erfindung ROBERT STIRLINGs war es, den Wirkungsgrad der damals eingesetzten Dampfmaschinen zu verbessern und den "gefährlichen" Wasserdampf als Arbeitsmittel durch Luft zu ersetzen. Daher stammt auch die Bezeichnung Heißluftmotor. Heute werden meistens Edelgase verwendet, z.B. Helium.
Der prinzipielle Aufbau eines Heißluftmotors ist in Bild 2 dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem großen Zylinder, in dem sich ein Verdrängerkolben und ein Arbeitskolben bewegen. Der Zylinder besteht aus einem Bereich, dem Wärme zugeführt wird, und einem Bereich, von dem Wärme abgegeben wird. Die beiden Kolben sind über ein Schwungrad so miteinander gekoppelt, dass der Verdrängerkolben dem Arbeitskolben eine Viertelperiode vorauseilt. Der Verdrängerkolben hat Kanäle, durch die das als Gas dienende Antriebsmittel strömen kann.

Die Wirkungsweise eines Heißluftmotors kann man aus Bild 3 erkennen. Ähnlich wie bei einer Dampfmaschine lässt sich der Zyklus des Motors auch durch vier Takte in einem p-V-Diagramm charakterisieren. Das entsprechende p-V-Diagramm ist in Bild 4 dargestellt. Ausführliche Erläuterungen zu diesem Kreisprozess sind unter dem Stichwort "stirlingscher Kreisprozess" zu finden.

1.Takt: Isotherme Expansion: Durch Aufnahme von Wärme wird das Gas erhitzt. Es dehnt sich aus, strömt durch den Verdrängerkolben und verschiebt den Arbeitskolben. Durch diese isotherme Expansion wird Arbeit verrichtet.

2. Takt: Isochore Abkühlung: Das Schwungrad bewegt den Verdrängerkolben so, dass das heiße Gas in den kalten Bereich strömt und sich abkühlt. Dieser Vorgang erfolgt isochor, d.h. ohne Volumenänderung des Gases, da sich der Arbeitskolben "fast" nicht bewegt. Die Temperatur wird verringert. Dabei wird Wärme abgegeben.

3. Takt: Isotherme Kompression: Das abgekühlte Gas wird nun durch den Arbeitskolben komprimiert. Dazu muss Arbeit von außen zugeführt werden. Die dabei entstehende Wärme wird abgegeben. Dadurch erfolgt dieser Vorgang bei der konstanten Temperatur.

4. Takt: Isochore Erwärmung: Durch die Bewegung des Verdrängerkolbens strömt die Luft anschließend in den heißen Teil des Zylinders zurück und wird wieder auf die anfängliche Temperatur erwärmt. Dazu wird Wärme zugeführt, die auch zu einer Erhöhung des Druckes führt. Anschließend beginnt der Vorgang wieder mit Takt 1.

Bei den isochoren Zustandsänderungen (Takte 2 und Takt 4) wird keine Arbeit verrichtet Es wird nur die Temperatur erniedrigt bzw. erhöht. Die Summe der dabei abgegebene und zugeführten Wärme ist gleich .
Die isotherme Kompression (Takt 3) erfolgt bei der niedrigeren Temperatur. Dadurch ist die zugeführte Arbeit geringer als die verrichtete Arbeit bei der isothermen Expansion (Takt 1).
Die Differenz aus verrichteter und zugeführten Arbeit kann von der Maschine nach außen abgegeben werden.
Der Wirkungsgrad eines Stirling-Motors wird bestimmt von dem Verhältnis der abgegebenen mechanischen Arbeit zur zugeführten Wärme. Für einen idealen als reversibel angenommenen Prozessverlauf ergibt sich mit

der gleiche Wirkungsgrad wie bei einem carnotschen Kreisprozess.
In der Praxis erreichten die STIRLING-Motoren größere Wirkungsgrade als Dampfmaschinen, da die Temperaturdifferenz bei Gasen leichter zu erhöhen ist als bei Wasserdampf. Die hohen Temperaturunterschiede verursachten aber einen großen Materialverschleiß, der die Wirtschaftlichkeit der Stirling-Motoren stark beeinträchtigt.

Die Entwicklung des Stirling-Motors
Der von ROBERT STIRLING zum Patent angemeldete Heißluftmotor arbeitete mit einem geschlossenen Kreislauf. Die als Arbeitsmittel dienende Luft blieb im Zylinder und wurde immer wieder erhitzt und abgekühlt. Um den Wirkungsgrad der Maschine zu verbessern, kam der Bruder von ROBERT, JAMES STIRLING, auf die Idee, den Innendruck der Maschine zu erhöhen. Beide Brüder entwickelten zwischen 1824 und 1840 mehrere Heißluftmaschinen. Die bekannteste ist ein doppelwirkender Heißluftmotor mit einem Innendruck von 10 bis 16 bar, der eine Leistung von 37 PS lieferte. Diese Maschinen erreichten einen höheren Wirkungsgrad als die damals üblichen Dampfmaschinen.

Neben den Maschinen mit einem geschlossenen Kreislauf gab es auch Motoren mit einem offenen Kreislauf. Dabei wurde in jedem Zyklus kalte Luft aus der Umgebung angesaugt und die heiße Luft an die Umgebung abgegeben. Die Entwicklung und Verbreitung dieses Maschinentyps ist mit dem Namen des schwedischen Ingenieurs JOHN ERICCSON verbunden. Er produzierte und verkaufte tausende kleinerer Heißluftmaschinen in den USA, die vor allem zum Antrieb von Wasserpumpen genutzt wurden. Wegen der damals unlösbaren Abdichtungsprobleme wurde die Produktion später eingestellt.

Ein anderer Typ von STIRLING-Motor war die Doppelkolbenmaschine. Diese Maschine hatten keinen Verdrängungskolben mehr, sondern an seiner Stelle einen zweiten Arbeitskolben. Über Ventile wurde die Luft von einem Arbeitsbereich in den anderen geleitet. Die erste Maschine dieser Art wurde 1853 von CHARLES FRANCHOT gebaut. Etwas später baute nach dieser Idee dann 1860 Sir WILLIAM SIEMENS eine doppelwirkende 4-Zylinder-Maschine, die wiederum Vorlage für den 85 Jahre später gebauten ersten STIRLING-Automotor von Ford war.

Eine weitere Etappe in der Entwicklung des STIRLING-Motors wurde durch den Einsatz als Kühlmaschine eingeleitet. Durch Umkehrung des stirlingschen Kreisprozesses, d.h. durch mechanischen Antrieb eines STIRLING-Motors, wird Wärme von einem Ende des Zylinders zum anderen transportiert. Während auf der einen Seite Wärme abgegeben wird, kühlt sich der andere Bereich des Zylinders ab. Von der Firma Philips wurde um 1950 mit solchen Kühlmaschinen eine Temperatur von -261 °C erreicht.

Ein großes Problem der STIRLING-Maschinen war aber die mechanische Kopplung der beiden Kolben. Bei großen Maschinen wurden dadurch Unwuchten erzeugt, die mechanisch ausgeglichen werden mussten.

Mit der Erfindung der Freikolbenmaschine durch den Amerikaner WILLIAM BEALE 1960 wurde wieder eine neue Phase in der Entwicklung der STIRLING-Maschinen eingeleitet. Er realisierte die Kopplung der Kolbenbewegungen durch einen variablen Innendruck zwischen den Kolben. Dadurch arbeiten die Kolben mechanisch unabhängig voneinander. Der STIRLING-Motor konnte dadurch praktisch hermetisch abgeschlossen werden.
Diese wohl bedeutenste Entwicklung seit der Erfindung des STIRLING-Motors ist der Anlass für die neuesten Forschungen. Kann man doch hoffen, einen hermetisch abgeschlossenen STIRLING-Motor mit einem Generator zu koppeln, die praktisch wartungsfrei zur Stromerzeugung eingesetzt werden können. Dabei kann der Antrieb durch Biogas oder Solarwärme realisiert werden. Geforscht wird zur Zeit an Aggregaten zur Versorgung von Eigenheimen.