Stelzer
Stirling

Stelzer Motor

Stelzer Motor Funktion

Die Animation ist nicht optimal, der gesamte bewegte Teil aus den beiden Kolben und der Ventilscheibe ist starr und nicht wie hier ungenau erstellt, mit veränderlichem Abstand. Autor: Udo Hannemann http://www.hannhome.de Nutzungsgenehmigung nach GNU.
Gute Darstellung von Michael Abendschön, anscheinend nur noch im Archiv:
http://web.archive.org/web/20050406084210/http://michael.abendschoen.bei.t-online.de/stelzer.html
http://michael.abendschoen.bei.t-online.de/stelzer.html

Der Stelzermotor

Erfinder des Stelzermotors ist Frank Stelzer (* 1934). http://www.Stelzer-Motor.de neu http://www.faktuell.de/StelzerMotor . An der Konzeption beeindruckt die Einfachheit. Er besteht aus nur einem beweglichem Teil, dem sogenannten Stufenkolben. Der Stelzermotor wird deshalb auch "Motor ohne Mechanik" genannt.

Der Aufbau des Stelzermotors

Im wesentlichen besteht der Stelzermotor rein funktionell lediglich aus zwei Teilen. Dem Gehäuse mit den verschiedenen Kammern und dem Stufenkolben.

Die einfache Einteilung in nur zwei Komponenten ist willkürlich. In der Praxis spricht man meist von acht Teilen, aus denen ein Stelzermotor besteht. In Wirklichkeit wird das Gehäuse nämlich aus drei Einzelstücken zusammengesetzt, den beiden Brennkammern und der Mittelkammer. Außerdem werden die vier Zündkerzen mitgezählt. Das fehlende achte Glied ist der Stufenkolben, der schließlich auch das einzig bewegliche Teil ist. Vergaser oder Einspritzanlagen werden in der Regel als externe Baugruppen angesehen und werden nicht mitgezählt.

Funktionsweise

Zum besseren Verständnis des Funktionsablaufs des Stelzermotors habe ich den Ablauf in 14 Einzelschritte unterteilt. Die Ausgangsposition ist aus der Abbildung zu entnehmen.

Funktionsprinzip

Es ist ein nach dem Zweitaktverfahren arbeitender Freikolbenmotor mit zwei Brennräumen und einem doppelt wirkenden Mehrstufenkolben. Die aus dem Motorblock herausragende Endstufen gleiten als eigentliche Arbeitskolben in den Brennräumen, während eine mittlere Kolbenstufe sich in einer zwischen diesen liegenden Vorverdichtungskammer bewegt und sie unterteilt. Der Kolben schwingt hin und her. Es ist also ein Linearmotor, der nicht mit den üblichen Drehzahlen arbeitet, sondern mit Kolbenschwingungen bis zu 30000/min. Er arbeitet nach dem Zweitakt-Prinzip.

Die schwingenden Kolben geben Ein- und Auslaßschlitze sowie die Überströmkanäle frei oder schließen sie. Der Kolben kann durchbohrt sein, um Fluide durch den Kolben zu beschleunigen. Bei hohen Schwingungen sind keine Ventile nötig.

Das Prinzip des Stelzermotors ist ein abgeschlossenes Zweikammersystem, dessen zweiseitiger Kompressionsdruck aus den symmetrischen Verbrennungskanälen den Stufenkolben zwischen zwei Polstern "hin-" und "herfliegen" läßt und dies ohne Erschütterungen oder Vibration. Hier liegt auch die technische Raffinesse der fast reibungsfreien Funktion, also Leistung mit geringen Reibungsverlusten. Praktisch sind keine Verschleißteile vorhanden. Die ringförmigen Brennkammern verändern sich nicht, der Stufenkolben ist weder radial noch axial belastet und baut deshalb auch keine Reibung auf. Die verwendeten Dichtungen haben Molybdän-Beschichtung. Wo keine Verschleißteile vorhanden sind, kann auch nichts ausfallen.

Die Abgasführung kann beliebig angelegt werden, so daß jegliche Gefahr einer Flammengefahr oder Überhitzung ausgeschlossen bleibt. Die Erwärmung des Motors liegt ohnehin am Motorblock bei ca. 60° und die Betriebstemperatur bei 80°C.

Der Kraftstoff kann Benzin oder auch ein Alternativ-Kraftstoff wie Methanol/ Äthanol/ Benzin-Methanol-Gemisch/ Dieselöl/ Kerosin sein. Die Zuführung erfolgt über einen Unterdruckvergaser bzw. eine Einspritz-Pumpe.

Über die Kraftstoffzuführung wird die Motorleistung gesteuert. Die Grenze liegt beim Abriß der Gaszuführung. Ist der Stelzermotor einmal gestartet (Elektrostarter), so bleibt die Funktion praktisch im optimalen Dauerlauf, so lange, wie Kraftstoff zugeführt wird.

Die Vorteile dieses Motors sind:

• kleine und kompakte Baugröße
• geringer Treibstoffverbrauch (ca. 30% weniger als bisherige Motoren)
• minimaler Verschleiß (lange Lebensdauer)
• vibrations-und geräuscharm (wenige Abgase)
• günstige Herstellung (kleiner Energie- und Rohstoffeinsatz)

Entwicklungsbereiche

Für den Stelzer Motor sind in Deutschland und in weiteren 18 Ländern Patente erteilt worden.

Mit eines der großen technischen Probleme war und ist es, eine funktionstüchtige Anlaßvorrichtung für den mit einem linear freischwingenden Kolben arbeitenden Motor zu entwickeln.

Im Forschungszweig Motoroptimierung wird an diesen Bereichen gearbeitet:

• Vergaser oder Einspritzanlage
• Zündanlage (praktisch patentreif entwickelt)
• Kühlung
• Elektromagnetische Startanlage mit Lineargenerator (noch nicht fertig entwickelt)
• Schmierungsfreier Lauf des Motors durch Oberflächenbeschichtung. Bei dem Lauf des Motors in seinem derzeitigen Entwicklungsstadium ist lediglich eine Schmierung der (noch vorhandenen) Kolbenringe erforderlich. Diese Schmierung wird im derzeitigen Stadium über den Treibstoff vorgenommen (ähnlich Zweitaktverfahren)

Für die Entwicklung besteht eine Zusammenarbeit mit zunächst 18 Universitäten und Fachhochschulen. Bei der bisherigen Entwicklung war Geldmangel das größte Problem. Anstatt Kapital zu beschaffen und Forschungsinstitute mit der Lösung der angesprochenen Probleme zu beauftragen, wird den kreativen Menschen und den Firmen die Möglichkeit geboten, ihr Fachwissen einzubringen. Als Vergütung vergibt Stelzer neben verschiedenen Vergütungsmöglichkeiten auch Namensrechte an den entwickelten Komponenten.

Merkmale

Der Stelzer Motor ist als Zweitakter, ohne Ventile und ohne rotierende Teile, einem symmetrischen, frei hin und herschwingenden Kolben mit seinen acht Teilen relativ kostengünstig praktisch ohne besondere Fertigungsinvestitionen zu produzieren.

Er hat eine hohe Verdichtungsleistung, die unabhängig von der Motorgröße ist und ausschließlich von der Kolbenstruktur und der Schwingungszahl bzw. dem verlängerbaren Kolbenweg abhängt.
Der Stelzermotor läuft praktisch geräusch- und erschütterungsfrei. Stellt man ein Glas Wasser auf das Motorgehäuse, so wird kaum eine Bewegung sichtbar.

Es ist eine umfangreiche Palette unterschiedlicher Größen denkbar, ohne daß die spezifische Leistung stark abfiele. Beispielsweise ist es möglich, den Stelzermotor etwa in der Größe eines bayrischen Bierglases (300 x 100 mm) herzustellen. Bei 5.000 Schwingungen dürfte noch eine Leistung von 2 bis 5 kW zu erwarten sein, ausreichend für Wärmepumpen oder Minipumpen, die direkt im Medium eingesetzt werden könnten, also ohne Zwischenantriebe oder Übersetzungen.

Als Prototyp existiert ein 1.500 ccm Motor mit Abmessungen von 800 mm x 200 mm x 200 mm leistete bei 6.000 Schwingungen ca. 74 kW (100 PS), was für eine Generator-Auslegung für 380 V Dauerleistung ausreicht.(?)  

Leistungsgrößen bis 750 kW (über 1.000 PS) sind bereits realisierbar, wobei die Baugröße und das Gewicht weit unter vergleichbaren Dieselmotoren bleiben.

Anwendungen
Da der Stufenkolben rechts und links über das Motorengehäuse hinausschwingt und durchbohrt sein kann, also hohl, ergeben sich die Möglichkeiten zur direkten Verwendung als

• Pumpe
• Generator
• Kompressor

ohne Zusatzmechanik von separaten Antrieben. Der Stelzermotor integriert diese Teile. Es ist also denkbar, daß sich ein genereller Wandel bei den Herstellern dieser Sparte ergeben wird. Sie könnten das integrierte Aggregat, Motor gleich Pumpe bzw. Motor gleich Generator und Motor gleich Kompressor, anbieten. Sicher wäre dies auch von der Kostenseite her interessant, ganz abgesehen von der Baugröße und dem Gewicht. Hier öffnet also der Stelzermotor einen völlig neuen Weg für bislang nicht genutzte Einsätze solcher Aggregate.

Stelzermotoren als Hydraulikpumpe

Es ist denkbar, den Stelzermotor als Druckwasserpumpe in Bohrlöchern auf Ölfeldern oder Bohrplattformen zu verwenden, denn die lineare Funktionsweise eignet sich zusammen mit einem hohlen Kolben hervorragend als Pumpe, ohne zusätzliches Aggregat. Also Motor gleich Pumpe.

Dabei wäre das Prinzip des abgeschlossenen Zweikammersystems, der zweiseitige Kompressionsdruck und der erschütterungsfreie Lauf besonders interessant.

Die Verengungen an den Gehäuseein- und austritten wirken als Düsen, die das Medium (Liquide) beschleunigen. Zuerst wird die Flüssigkeit jedoch von dem linken Kolben in die Turbine gedrückt. Diese treibt eine Welle an und leitet das Medium durch einen Kanal weiter zum rechten Kolben. Dort wird es direkt in die Bohrung gepresst, ohne in den Verdrängungsraum zu gelangen. Auf der anderen Seite der Bohrung gelangt es nun in den Verdrängungsraum des linken Zylinders und der Kreislauf kann von vorn beginnen.

Im Kreislauf mit einer Turbine ergibt sich so eine hydrodynamische Kraftübertragung.

Der Stelzermotor kann auch anders als Hydraulikantrieb genutzt werden.
Sind die Kolbenenden als Zylinderpumpen ausgebildet, kann der Motor mehrere Hydromotoren oder Hubzylinder antreiben (z.B. Baumaschinen). In der Verdichterausführung sind die Kolbenenden so gestaltet, daß sie ohne Ventile Druckluft erzeugen können. Wenn der Motor als Generator arbeitet, schwingt der verlängerte Kolben in Elektrowicklungen, wodurch Wechselstrom erzeugt wird.

Diese Konzept geht von zwei getrennten Hydrauliksystemen aus, dem Antriebsteil (unten, innerhalb des Motorblocks) und dem Arbeitskreislauf (oben, mit einem Hydraulikmotor gekoppelt). So wie der Kolben durch die Verbrennung nach links gedrückt wird, wird der Raum des Antriebsöls kleiner. Die Arbeitskolben des Hydraulikpumpenteils werden dadurch nach außen gezwungen. Dies setzt den Ölkreislauf für den Antrieb in Bewegung. Da der erweiterte Stufenkolben zugleich Steuerteil ist, der die Arbeitskolben nacheinander freigibt, entsteht ein kontinuierlicher Druck für den Antrieb.

Beim Gegentakt vergrößert sich der Raum des Antriebsöls. Dadurch werden die Arbeitskolben nach unten gezwungen. Es wird ein Ansaugeffekt erreicht. Dadurch werden die Ölkammern der Arbeitskolben gefüllt. Diese Konstruktion sollte doppelt angeordnet sein, um einen maximalen Gleichdruck zu erreichen.

Der Stelzermotor als Generator

Weil die Kolben über das Gehäuse hinausschwingen, läßt sich der Stelzermotor auch als Stromgenerator nutzen. Wie bei der Pumpenlösung könnte der Stufenkolben als Generator die translatorische Bewegung durch Einschwingen in Ringspulen direkt in elektrische Energie umwandeln. Hier gäbe es fast keine Grenzen in der Größenordnung des Motors. Der oben bereits erwähnte, 1996 vorgestellte 1.500 ccm Prototyp, mit Abmessungen von 800 mm x 200 mm x 200 mm leistet bei 6.000 Schwingungen ca. 74 kW (100 PS), was für eine Generator-Auslegung für 380 V Dauerleistung ausreicht.

Kompressoren werden leiser und kleiner

Die hohe Verdichtungsleistung und der praktisch geräusch- und erschütterungsfreie Lauf prädestiniert den Stelzer Motor dazu, in mobile Kompressorgeräte eingebaut zu werden. Dabei wäre nicht allein die Geräuschreduktion enorm, sondern ebenso die geringe Einbaugröße. Im Gegensatz zu den heute in der Bauindustrie verwendeten Kompressor-Anhängern könnte man etwa mit der halben Größe auskommen. Resultierend daraus ließen sich tragbare Kompressoren hoher Leistung konzipieren, die kein zusätzlisches Gehäuse benötigen und "von Haus aus" mit zwei Anschlüssen - rechts und links am Motor - versehen wären. Auch für Montagearbeiten, Werkstätten und Produktionsinseln innerhalb moderner Fertigungsbetriebe könnte dieser Stelzermotorkompressor ohne Platzprobleme und ohne ständige Überwachung eingesetzt werden.

Antriebe für Schiffe und Lastkähne

Der hier gezeigte Prototyp zählte noch zu den kleinen Abmessungen. Leistungsgrößen bis 750 kW (über 1.000 PS) sind bereits realisierbar, wobei die Baugröße und das Gewicht weit unter vergleichbaren Dieselmotoren bleiben.

Daraus ließe sich die Verwendung des Stelzermotors als Antriebsmaschine für mittlere Schiffe und Frachtkähne der Flußschiffahrt ableiten, sofern der Generator die linear gewonnene elektrische Energie über einen Elektromotor rotierend an die Schiffsschraube weiterleitet. Das Wasser kann auch durch die Schwingung direkt durch den Kolben geleitet werden, wie bei der Pumpe, und der so entstandene Rückstoß treibt das Schiff vorwärts. Denkbar ist ebenso, daß solche Hybridantriebe auch Straßenfahrzeuge bewegen, denn das Kraftmoment der Elektromotoren könnte so gewählt werden, daß die Leistungscharakteristik etwa der einer Dampfmaschine gleichkäme.

Verwendung im Bergbau

Ohne Frage hätte der "Motor ohne Mechanik" Chancen unter Tage eingesetzt zu werden, als Antrieb für Wasserhochdruckkanonen, Bohr-, Brech- und Lademaschinen, Radlager und Zugmaschinen, da der Kraftstoffverbrauch im Mittel unter 150 g/kWh liegt, was einem Wirkungsgrad von über 80 Prozent entspricht. Verglichen mit einem gleich starken Dieselmotor also ein Viertel höher.

Der Stelzermotor in Blockheizkrafwerken (BHKW)

Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) dient zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme. Als Hauptaggregat wird ein Verbrennungsmotor benutzt. Man spricht auch von Kraft-Wärme-Kopplung.

Der Stelzer Motor ist ideal für den Einsatz als BHKW-Aggregat. Durch die unmittelbare Ankopplung eines Lineargenerators erzeugt der Stelzer Motor elektrische Energie, welche in das Leitungsnetz eingespeist wird. Die im Motor bei der Verbrennung anfallende Wärme wird an das Wärmenetz abgegeben.

Der Stelzer Motor hat zwei Kraftabnahmepunkte, nämlich die beiden über den Motorblock hinausschwingenden Arbeitskolben. Beide Punkte könnten mit einem Lineargenerator bestückt werden. Eine erhebliche Steigerung der Effizienz wäre die Folge.

Andererseits wäre es denkbar, einen der Kraftabnahmepunkte mit einem Lineargenerator zu versehen, während der andere Punkt eine Pumpe antreibt, welche beispielsweise als Umwälzpumpe für das Wärmenetz fungieren könnte.

Wenn auf den höheren Wirkungsgrad eines Dieselmotors gegenüber einem Ottomotor hingewiesen wird, so dürfte die auf einem Stelzermotor basierende Kraft-Wärme-Kopplung den höchsten Wirkungsgrad entfalten. Man denke an die doppelseitige Kraftabnahme. Auch bei den Wartungsintervallen und der Langlebigkeit ist der Stelzer Motor infolge weitgehend fehlender Verschleißteile eindeutig im Vorteil.

Im übrigen streben die Hersteller an, den Motor sowohl mit Heizöl (Diesel), als auch mit Erdgas und schließlich mit Alternativbrennstoffen zu betreiben.

Der Stelzermotor ist also ideal als BHKW-Aggregat. Hier ergeben sich Ansatzpunkte für eine Markteinführung des Stelzermotors in großem Umfange, so daß er als einer der Schwerpunkte bei der Fortentwicklung auf dem Gebiet der Blockheizkraftwerke anzusehen ist.

Perspektiven

Aus Sicht der Fa.SteMo Stelzer Motor Forschungs- und Verwertungsgesellschaft mbH erschließt sich in naher Zukunft ein gigantischer Markt für Einsatzmöglichkeiten als BHKW-Aggregat, z.B. in

• Hotels,
• Gaststätten,
• Altersheimen,
• Hallenbädern,
• Schulzentren,
• Wohnanlagen,
• Krankenhäusern,
• Dienstleistungs- und Gewerbebetrieben,

nicht nur in Deutschland sondern in der gesamten EU.

Die Optimierungsforschung strebt an, den Motor sowohl mit Heizöl (Diesel), als auch mit Erdgas und schließlich mit Alternativbrennstoffen zu betreiben

Hier ergeben sich Ansatzpunkte für eine Markteinführung des Stelzermotors in großem Umfange, so daß einer der Fortentwicklungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Blockheizkraftwerke zu sehen ist.

Die SteMo GmbH beabsichtigt, nach 2 - 3 Jahren Optimierungsforschung zunächst eine Kleinproduktion einzurichten. Mit speziell zusammengestellter Automationstechnik und im 2-Schicht-Betrieb ist zunächst eine Jahresproduktion von 12.000 Stück Stelzermotoren zum Einsatz in BHKW angestrebt. Die Stückzahl würde einen Marktanteil der BHKW kleinster Leistung von ca. 5 % in Deutschland bedienen.

Update: 2012: Nach dem Tod des Erfinders Frank Stelzer am 12. Mai 2007 wird die Entwicklung, Fabrikation und das Marketing von Stelzer Motoren unter Leitung von Heideh Zimmermann und eines Investors fortgeführt.
www.stelzermotor.de

Stirling Motor

Stirling Patent 1816

Funktionsweise des Stirlingmotors

Das Konzept der Stirlingmaschine, seit Anfang des letzten Jahrhunderts bekannt, wird heute wieder aufgegriffen und weiterentwickelt.

Stirlingmaschinen haben geschlossene Arbeitsräume und führen die Energie über Wärmetauscher zu und ab. Damit können sie beliebige Wärmequellen nutzen und weisen geringe Schadstoffemissionen auf. Sie können sehr wartungsarm und leise laufen. Moderne Stirlingkonzepte sehen allgemein stationäre Aggregate vor, die über einen angekoppelten Generator Strom erzeugen.

Die prinzipielle Funktionsweise des Stirlingmotors

Das Funktionsprinzip basiert darauf, daß sich warme Luft ausdehnt, während sich abkühlende Luft zusammenzieht.

Der Verdränger ist ein einfacher Kolben, der dazu dient, die Luft zwischen der warmen und kalten Seite hin- und herzubewegen. Der Verdrängerdurchmesser ist ein bißchen kleiner als der Behälterdurchmesser damit die Luft um den Verdränger strömen kann.

In einem geschlossenen Behälter befindet sich ein Gas, z.B. Luft. Durch die Heizung wird die Luft im Inneren erwärmt. Weil sie sich im geschlossenen Raum nicht ausdehnen kann, steigt der Druck.

Der Verdränger wird nach links bewegt. Die erwärmte Luft strömt durch den schmalen Spalt zwischen Verdränger und Zylinderwand zur kalten Seite nach rechts. Sie wird dort abgekühlt und der Druck im Behälter sinkt wieder.

Mit einem zweiten Kolben, dem sogenannten Arbeitskolben, kann man nun die Druckänderungen in mechanische Arbeit umwandeln.

Der Arbeitskolben ist also das Element, das die Arbeit abgibt, während der Verdränger angetrieben werden muß. Das kann mit einer mechanischen Kopplung zwischen Arbeitskolben und Verdränger realisiert werden.

Bevor sich der Arbeitskolben bewegt, muß zuerst der Verdränger die Luft auf die andere Seite schieben. Die Bewegung des Verdrängers eilt also derjenigen des Arbeitskolbens voraus. Der Winkel beträgt ca. 90°. Der Motor startet also nicht selbst, sondern muß wie ein Automotor angeworfen werden.

Schon Robert Stirling dachte darüber nach, wie man verhindern könnte, daß die ganze zugeführte Energie in der warmen Luft auf der kalten Seite wieder abgeführt werden muß. Mit dem Einbau eines Kurzzeit-Wärmespeichers gelang es ihm, einen Teil der Energie in der Maschine zurückzubehalten, was eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades zur Folge hatte. Er taufte seine Idee "economizer", heute hat sich der Begriff "Regenerator" durchgesetzt.

Quelle: http://stirling.sites.solnet.ch/Funktion.html

Die heiße Luft wird nun durch den Regenerator (meist feines Drahtgewebe) geführt, wo sie einen Teil ihrer Wärme abgibt und gelangt so vorgekühlt in den kalten Raum. Es braucht deshalb weniger Kühlleistung um die Luft abzukühlen. Umgekehrt, wenn die kalte Luft durch den Regenerator auf die heiße Seite gedrückt wird, nimmt sie die vorher gespeicherte Energie im Regenerator wieder auf und gelangt so vorgewärmt in den geheizten Raum. Auch auf dieser Seite braucht es nun weniger Energie um die Luft ganz aufzuheizen. Der Regenerator ist also ein äußerst wichtiges Element der Stirlingmaschine.

Stirling-Elemente

Der Regenerator

Der Regenerator wurde seinerzeit von R. Stirling in seiner Patentschrift noch als "economizer" bezeichnet, weil er die kurzfristige Zwischenspeicherung eines Teils der Wärme ermöglicht und deshalb den Energieverbrauch bedeutend senken kann. Der Einsatz des "economizer" war dann auch das Kernstück von Stirlings Erfindung.

Was ist überhaupt ein Regenerator?

Ein Regenerator ist ein Bauteil des Stirling-Motors, durch den das Arbeitsmedium (Gas) strömen muß, um auf die kalte oder die warme Seite des Aggregates zu gelangen. Der Regenerator ist in der Lage einen Teil der Wärme, die bei der Expansion entsteht, aufzunehmen und zu speichern. Umgekehrt kann er auch die Temperatur auf der kalten Seite aufnehmen und speichern. Das hat zur Folge, daß jedesmal wenn das Medium von der warmen zur kalten Seite strömt, es einen Teil seiner Wärmeenergie an den Regenerator abgibt und schon vorgekühlt zur kalten Seite gelangt. Wenn das Gas den umgekehrten Weg geht, nimmt es einen Teil der Wärme auf und gelangt vorgewärmt auf die warme Seite. Also, der Massestrom soll möglichst ungehindert fließen, die Wärme dabei aber abgegeben werden.

An den Regenerator werden folgende, zum Teil widersprüchliche Anforderungen gestellt:

• Die Wärmekapazität sollte möglichst groß sein, das heißt ein großer Regenerator aus einem dicht gepackten Material hoher Wärmekapazität.
• Der Druckverlust sollte möglichst klein sein. Dies könnte mit einem kleinen Regenerator mit großen Lücken (Löchern) realisiert werden.
• Das Totvolumen sollte möglichst klein sein. Also keine Hohlräume.
• Die mit dem durchströmenden Arbeitsgas in Berührung kommende Fläche sollte möglichst groß sein, damit ein guter Wärmeübergang erreicht wird.
• Der Regenerator muß langlebig sein, also kein Abrieb.

Bei Verdränger-Regeneratoren kommt noch dazu, daß er wie die Verdränger allgemein, möglichst leicht sein muß, da er bei jedem Zyklus mitbewegt wird.

Die Regeneratoren für Hochtemperaturmaschinen mit großer Leistung sind meist aus edlen Stählen, Bronze, Nickel oder Kupfer in Form von gestapelten Gittern, Drahtnetzen, Stahlwatte-ähnliche Gebilden, Röhrchen oder Schwämmen. Gesucht ist immer eine große Oberfläche, wenig Totraum und wenig Strömungswiderstand. Der Regenerator ist oft das teuerste Einzelelement einer Stirlingmaschine. Jedoch senkt es den Energieeinsatz bedeutend.

Ein Beispiel:
Eine Maschine mit Regenerator mit einer Ausgangsleistung von 30 kW bei einem Wirkungsgrad von 30% braucht eine Eingangsleistung von 100 kW. Würde man den Regenerator weglassen, so müßten ca. 400 kW zugeführt werden und der Wirkungsgrad würde auf ca. 7,5% absinken!

Bei Hochtemperaturmaschinen kleiner Leistung, also etwa im Modellbereich kann auf den Regenerator verzichtet werden, respektive man nutzt den schmalen Spalt zwischen Verdränger und Zylinder als solchen. Ein Einbau in diese kleinen Maschinen wäre auch nicht zu empfehlen, denn der Nutzen würde wohl meist vom konstruktiv bedingten Totraum aufgehoben.

Bei Niedertemperaturmaschinen sind die Anforderungen zwar die gleichen wie oben, aber es stehen viel mehr Materialien zur Verfügung, weil der Regenerator hier nur Temperaturen bis ca. 130°C ausgesetzt ist. Da Niedertemperaturmaschinen meist in der Gamma-Konfiguration (Beschreibung unten) gebaut sind, und kleine Umdrehungszahlen haben, empfiehlt sich oft ein Verdränger-Regenerator. Dieser besteht aus Materialien wie Filtermatten von Dampfabzügen, Schaumstoffen (Isolationsplatten), Blumensteckschwämme oder wenn es trotzdem etwas heißer werden sollte: Holzwolle.

Erhitzer / Kühler

Wärmetauscher

Die Stirlingmaschine ist eine Wärmemaschine. Neben dem Regenerator sind also auch die Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme und -Abgabe äußerst wichtig, egal bei welchen Temperaturen. Wärmetauscher müssen eine möglichst große Oberfläche und dabei möglichst keine Hohlräume aufweisen.

Die Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme (meist Heizung) sind besonders bei Hochtemperaturmaschinen sehr aufwendig gebaut. Meist sind es Röhrchen, durch die das Arbeitsgas hin und her bewegt wird und die außen von der Gasflamme umströmt sind.

Bei der Wärmeabgabe (meist Kühlung) wird entweder Luft oder Wasser als Wärmetransportmedium verwendet. Dabei werden direkt der Zylinder oder die Kühlrippen des Zylinders von außen gekühlt.

Die Thermodynamik

Der Stirling Prozess, der theoretisch die maximale Effizienz nach Carnot erreichen kann, gestattet geringe Kosten für die Energieumwandlung.

Neben der Effizienz der Energieumwandlung wird dies möglich durch die "Externe Verbrennung" durch verschiedene Treibstoffe wie bei der Dampfmaschine, auch durch wärmeliefernde Sonnenenergie oder Atomkraft oder Prozesswärme.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Verbrennung bei praktisch konstantem Atmosphärendruck und bei konstanter Temperatur stattfindet. Diese Eigenschaften erlauben eine saubere Führung des Verbrennungsprozesses im Optimum. Bei der inneren Verbrennung hingegen muß der Verbrennungsprozess in Millisekunden stattfinden, wobei auch noch extrem schnell wechselnde Temperaturen und variierende Drücke auftreten.

Bauformen von Stirling-Motoren

Einfachwirkende Motoren

"Einfachwirkend" bedeutet, daß nur eine Seite des Arbeitskolbens bzw. des Verdrängerkolbens auf die Druckschwankungen im Arbeitsraum reagiert.

Im Laufe der langen Entwicklungsgeschichte der Stirling-Motoren entwickelte sich eine Vielfalt an Konzepten, aus denen die heute gebräuchlichen Bauformen hervorgegangen sind. Grundsätzlich unterscheidet man Stirling-Maschinen nach der Anordnung der Zylinder bzw. der Kolben:

• alpha-Stirling
• beta-Stirling
• gamma-Stirling

Der alpha-Stirling

Charakteristisch für den alpha -Stirling ist, daß die beiden Kolben in zwei verschiedenen Zylindern untergebracht sind. Mindestens ein Kolben befindet sich folglich permanent im heißen Bereich des Motors, was sich negativ auf die Haltbarkeit der Dichtungen auswirkt. Deshalb werden diese Motoren vorwiegend als Niedertemperaturmaschinen betrieben.

Beim alpha -Stirling verteilt sich die Arbeit sowohl auf den Verdränger als auch auf den Arbeitskolben. Der Arbeitskolben auf der heißen Seite wird in diesem Fall zum "Expansionskolben", weil er den steigenden Druck aufnimmt und in mechanische Arbeit umwandelt. Der Verdränger auf der kalten Seite übernimmt die Aufgabe des Verdichtens, er wird deshalb auch "Kompressionskolben" genannt. Die dazu benötigte Energie bezieht er über ein Schwungrad, das vom Expansionskolben angetrieben wird. Also wird ein Teil der gewonnen Energie sofort wieder in die Verdichtungsarbeit investiert.

Der beta-Stirling

Typisch für den beta-Stirling sind die beiden Kolben, die in einem einzigen Zylinder laufen. Damit die Dichtungen zwischen Gehäuse und den Kolbenschubstangen nicht noch zusätzlich zum Druck mit den hohen Temperaturen belastet werden, werden die Schubstangen auf der kalten Seite aus dem Druckraum geführt. Dadurch kann der beta-Stirling auch mit hohen Temperaturen betrieben werden.

Im Gegensatz zum alpha-Stirling übernimmt der Arbeitskolben das Verdichten und das Expandieren. Der Verdrängerkolben hat lediglich die Aufgabe das Arbeitsmedium von der heißen zur kalten Seite zu transportieren und umgekehrt. Der beta-Stirling hat den großen Vorteil, daß beide Kolben in einer Geraden schwingen. So können spezielle Getriebe, wie das Rhombentriebwerk, zu einem vollständigen Massenausgleich führen und damit für Schwingungsfreiheit sorgen.

Der gamma- Stirling

Der gamma-Stirling besitzt wie der alpha-Stirling zwei Zylinder. Die Kolben haben aber eine andere Funktion. Er besitzt keinen speziellen Expansions- oder Kompressionskolben, diese beiden Aufgaben werden allein vom Arbeitskolben übernommen. Der Verdrängerkolben schiebt durch sein Volumen das Medium zwischen dem heißen Expansionsraum und dem kalten Kompressionsraum hin und her.

Wie beim beta-Stirling ergibt sich auch beim gamma-Stirling der Vorteil, daß die Dichtungen nur im kalten Bereich laufen müssen. So findet der gamma-Stirling auch Anwendung als Hochtemperaturmaschine.

Doppeltwirkende Motoren

Bei doppeltwirkenden Stirlingmotoren wirkt der Druck des Arbeitsmediums auf beide Seiten der Kolben aus. Die Kolben sind damit zugleich Verdränger- und Arbeitskolben.

Einer der bekanntesten Vertreter dieser Bauart ist der Siemens-Stirling-Motor, der bereits 1863 von Sir William Siemens konstruiert wurde. Im Rahmen eines Phillips-Forschungsprogramms wurde dieser Motor in den 40er Jahren des 20.Jahrhunderts nocheinmal neu erfunden und erfuhr eine späte Würdigung. Heute werden die meisten leistungsstarken Stirling-Motoren nach diesem Schema hergestellt.

Wenn man die Wechselwirkungen der einzelnen Zylinder zueinander betrachtet, stellt man fest, daß es sich im Prinzip um vier gekoppelte alpha-Stirlings handelt, die sich gegenseitig zuarbeiten. Allerdings sind die Kolbendichtungen nicht wie beim alpha-Stirling einseitig mit Wärme belastet, sondern haben eine Warm- und eine Kaltseite. Die Kolbenstangendichtungen befinden sich ausschließlich im kalten Bereich des Motors. So kann dieser Motorentyp mit hohen Temperaturen betrieben werden. Die Anzahl der Zylinder ist nicht auf vier begrenzt, theoretisch können unendlich viele Zylinder hintereinander geschaltet werden. Entsprechend der genannten Vorteile, erreichen einige der bis zur Serienreife gelangten Aggregate dieser Ausführung eine Leistung von über 50 kW.

Motoren mit "regenerativem Verdränger"

Bisher haben wir lediglich Stirling-Motoren betrachtet, die einen externen Regenerator besitzen, d.h. das Arbeitsmedium mußte durch dieses zusätzliche Bauteil geleitet werden. Eine Möglichkeit diesen Aufwand zu verringern besteht darin, den Verdrängerkolben direkt als Regenerator zu nutzen. Also wird der Kolben aus einem Drahtgeflecht hergestellt.

Dieses Konzept läßt sich natürlich nur in beta-Stirling- und gamma-Stirling-Maschinen umsetzen, weil diese auch mit einem durchlässigen Verdrängerkolben ein abgeschlossenes System bilden. Der Nachteil der regenerativen Verdränger ergibt sich aus dem Material. Das Drahtgeflecht kann bei gleicher Baugröße nicht so viel Volumen verdrängen, wie ein kompakter Kolben.

Historisches

Eine lange Leidensgeschichte

Die Geschichte der Stirlingmaschine ist lang und zeigt in einzigartiger Weise, wie abhängig der Erfolg einer Erfindung vom Umfeld und den verfügbaren Technologien ist.

Die Geschichte des Stirling Motors

Dampfmaschine als Vorläufer
Zur Zeit um 1800 war die Dampfmaschine die am meisten eingesetzte Antriebsmaschine. Allerdings hatten sie auch ihre Tücken: Die Dampfkessel explodierten oft; zu dieser Zeit konnte man in England fast wöchentlich von solchen Explosionen in den Erz- und Kohlegruben lesen. Was das in einem Stollen bedeutet, kann man sich leicht vorstellen. Deshalb gehörte zu jeder Dampfmaschine ein Ingenieur, der diese betreute.

Portrait Robert Stirling
Robert Stirling stammte aus einer sehr innovativen Familie. Schon sein Großvater Michael entwickelte 1756 die erste rotierende Dreschmaschine für die Landwirtschaft und sein jüngerer Bruder James wurde ein bekannter Ingenieur und war bei der Weiterentwicklung der Stirlingmaschine maßgebend beteiligt. Vier von Robert Stirling's Söhnen wurden ebenfalls Ingenieure. Robert Stirling starb im Alter von 88 Jahren als "Father of the Church of Scottland".

Das Patent
Im Jahr 1816 meldete Robert Stirling, damals 26 Jahre alt, eine Maschine zum Patent an mit dem Titel "Entwicklung zur Einsparung des Energieverbrauchs, speziell für den Antrieb von Bewegungs-Maschinen nach einem völlig neuen Prinzip". Die Lektüre dieser Patentschrift ist deshalb sehr interessant, weil sie die Überlegungen Stirlings detailliert aufzeigt, insbesondere, was den Effekt des "economizer", heute Regenerator genannt, anbelangt.

Thermodynamik: ein Fremdwort
Zu dieser Zeit waren die thermodynamischen Zusammenhänge noch völlig unbekannt. Seit über 2000 Jahren aber war der Effekt bekannt, daß sich erwärmende Luft ausdehnt und erkaltende Luft zusammenzieht. Warum sie dies tat und in welchem Maß, konnte aber nicht gesagt werden. Auch Michael Farrady, einer der genialsten Wissenschafter konnte in einem Aufsatz zu dieser Zeit nicht erklären, weshalb die Maschinen funktionierten.

Dies änderte sich erst um 1848 als R.J. Mayer entdeckte, daß Wärme nichts anderes als eine Form von Energie darstellt und Clausius 1857 erste Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Volumen formulierte, die etwas später von J.P. Joule präzisiert wurden.

Daraus ergibt sich die Clausius-Clapeyron-Gleichung für die Grenzkurve p(T) bei einem Phasenübergang erster Ordnung (Phasenübergang mit Übergangswärme, Sprung in S) und gleichem chemischen Potential ).

dp/dT = 1/T(delta Q/(v2-v1))

Wenn dabei dem System Wärme zugeführt werden muß, so ist delta Q positiv. Die Clausius-Clapeyron Gleichung stellt die Abhängigkeit der Funktion p(T) dar. (http://saftsack.fs.uni-bayreuth.de/thermo/claclap.html)

Modernes Design
Die von Robert Stirling entwickelte Maschine war nicht nur die erste Heißluft-Maschine, die mit einem völlig geschlossenen Kreislauf arbeitete, sondern stellte auch von der Konstruktion her ein heute noch bevorzugtes Design (Beta-Typ) dar. Eine solche Maschine mit einem Zylinder von 3 m Höhe und ca. 60 cm Durchmesser wurde 1818 zum Antrieb einer Wasserpumpe in Ayrshire, Schottland, eingesetzt. Sie lieferte während 2 Jahren eine Leistung von ca. 2 PS (1,5 kW), bevor der heiße Teil des Zylinders durchbrannte - offenbar wegen zeitweiser Überhitzung.

Stirlingmotoren

Der erste doppelwirkende Stirling von den Gebrüdern James und Robert Stirling. Sie lief mehrere Jahre in einer Fabrik. Die Kessel unten zunderten aber wegen der mangelnden Materialqualität dauernd ab und mußten mehrmals ersetzt werden. Daraufhin wurde diese Maschine wieder durch eine Dampfmaschine ersetzt.

Schwachpunkt Material

Das war denn auch der Schwachpunkt aller frühen Stirlingmaschinen: Die Materialien die zu dieser Zeit verfügbar waren, widerstanden den möglichst hohen Temperaturen (je höher die Temperaturdifferenz zwischen heiß und kalt, desto größer wird der Wirkungsgrad) nicht. Sie zunderten ab bis zum Bruch. Robert Stirling selbst sagte später, daß, wenn er zu dieser Zeit über den "Bessemer Stahl" verfügt hätte, der Erfolg seiner Maschine sicher gewesen wäre. Tatsächlich kämpfte Stirling nicht nur mit Problemen beim Stahl, auch die zu dieser Zeit verwendeten Lederdichtungen waren nicht über jeden Zweifel erhaben, aber ihr Ersatz war um einiges billiger und einfacher als das Austauschen eines Zylinderkopfs. Dazu kommt, daß mit dem widerstandsfähigeren Bessemer-Stahl auch die Dampfmaschinen sicherer wurden und dem Stirling den Markteintritt wieder erschwerten. Zudem war das Dampfkesselmaterial nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt, wie das beim Stirling wünschbar ist.

Roberts Bruder James macht Druck

Auch wenn die 2 PS - Maschine befriedigende Resultate lieferte, so war sie doch sehr groß und schwer und Stirling erkannte, daß sie für die meisten Anwendungen nicht ausreichte. Es war sein Bruder James, der 1824 auf die Idee kam, durch die Erhöhung des Innendrucks der Maschine die Leistung zu erhöhen. Zwischen 1824 und 1840, Robert war schon Pfarrer, entwickelten und patentierten die beiden Brüder mehrere Maschinen. Die wohl berühmteste ist die aufladbare, doppelwirkende Stirlingmaschine, die bei einem Innendruck von 10 bis 16 bar bis 37 PS lieferte.

Diese Maschine erreichte zum erstenmal einen höheren Wirkungsgrad als alle damals bestehenden Dampfmaschinen. Die Materialprobleme blieben aber bestehen und alle 6 bis 7 Monate mußten die Zylinderköpfe ausgetauscht werden und nach dem dritten Wechsel wurde sie wieder durch eine betriebssicherere Dampfmaschine ersetzt.

Maschinen mit offenem Kreislauf
Neben den Stirlingmaschinen, die mit einem geschlossenen Kreislauf arbeiteten (das Arbeitsgas, damals ausschliesslich Luft, war immer dasselbe) gab es noch weitere Heißluft-Maschinen. Diese arbeiteten mit einem offenen Kreislauf, d.h. die (kalte) Luft wurde angesogen und in einem Druckkessel erwärmt. Die daraus resultierende Druckzunahme bewegte einen Arbeitskolben und die heisse Luft wurde durch ein weiteres Ventil wieder ausgeblasen.

John Ericsson, der Große

John Ericsson 1803-1889
Diese Maschinen sind untrennbar mit einem Namen verbunden: John Ericcson, ein schwedisch-amerikanischer Ingenieur. Er wurde 1803 in Schweden geboren und wurde in den USA und Europa nicht nur wegen seiner Entwicklungen bekannt. Er entwickelte auf verschiedenen Gebieten, darunter auch eine teilweise erfolgreiche Wärmekraftmaschine mit interner Verbrennung. Die Verbesserung führte dann zu einer Maschine mit externer Verbrennung und geschlossenem Gaskreislauf, zu der er 1833 ein Funktionsmodell in London präsentierte, seine "Caloric Engine". Er gab die Leistung mit 5 PS an. Es war eine Zweizylindermaschine mit 35 cm (14 Zoll) Durchmesser der heißen Seite und 26 cm (10,25 Zoll) des kalten Zylinders.

Der erste Solar-Stirling
Ericsson war aber nicht nur ein genialer Entwickler, er war auch der erste, der versuchte, aus Sonnenenergie Bewegungsenergie zu gewinnen - und das um 1870! Zuerst versuchte er es mit Dampfmaschinen, später dann übernahm er das Stirling-Prinzip. Er bewies die Funktion anhand eines Modells im Jahr 1972, das vom Aufbau her dem Original von R. Stirling entsprach. 1873 stellte Ericsson seine Entwicklungen der Maschinen mit offenem Kreislauf ein, da er die Ventilprobleme nicht in den Griff bekam und konzentrierte sich auf die Weiterentwicklung der Stirlingmaschinen. Auch hier war Ericsson sehr erfolgreich.

Die Blütezeit des Stirlings

Lehmann

In dieser Zeit baute nicht nur Ericsson in den USA Stirlingmaschinen. Bekannte Namen wie Essex, Bremen, Duplex Vacuum und Lake Breeze produzierten Stirlings für verschiedene Anwendungen: Ventilatoren, Popcorn-Maschinen, Warenhauslifte etc. Der bekannteste englische Hersteller war Robinson, der einen Regenerator in den Verdränger einbaute (Martini-Displacer). Aber auch in Deutschland wurden Stirlings gebaut, der berühmteste ist wohl der von Lehmann, der gleich wie Robinson vom Original-Typ (Beta-Maschine) abwich und die beiden Kolben in getrennten Zylindern anordnete (Gamma-Maschine) - eine Konfiguration, die große Freiheiten in der Konstruktion erlaubt.

Eine weitverbreitete Maschine, die zwar auf dem Stirling-Prinzip basierte, aber zwei Arbeitskolben anstelle eines Arbeits- und eines Verdrängerkolbens aufwies, wurde 1876 von A.K. Rider entwickelt. Zu diesen Maschinen gab es Fan-Post von Anwendern, mit denen in den Zeitungen geworben wurde. Ein Beispiel:

Die Rider-Maschine war aber nicht die erste 2-Kolben-Maschine. Schon 1853 baute Charles Franchot eine doppelwirkende Maschine. Die gleiche Idee nahm 1860 der Deutsch-Englische Ingenieur Sir William Siemens auf und baute und patentierte eine doppelwirkende 4-Zyliner-Maschine, die 85 Jahre später im Rahmen des Stirling-Programms von Philips zum ersten Stirling-Automotor (Ford) führte (Rinia-Design, nach H. Rinia, einer der Philips-Direktoren).

Neue Konkurrenz
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden dann die Elektromotoren und die Explosionsmotoren serienreif, die insbesondere eine größere Leistung pro Volumeneinheit und Gewicht entwickelten. Die Zeit des Stirlingmotors fand 1920 ein (vorläufiges) Ende, bevor sie richtig angefangen hatte; ausgerechnet zu einer Zeit, als die nötigen Materialien, speziell der rostfreie Stahl verfügbar wurde.

Philips als Stirling-Entwickler
Im Jahr 1937 suchte der dänische Philips-Konzern nach einem Generator-Antrieb, um die damaligen Röhren-Radios auch in Gebiete verkaufen zu können, die fernab jeder Elektrizitätsversorgung lagen. Der Antrieb sollte mit überall verfügbaren Energiequellen zu betreiben und vor allem leise sein, damit das Radio auch gehört werden konnte. Professor Holst, Direktor des Programms, erkannte die Entwicklungsmöglichkeiten des Stirling-Antriebs aufgrund der nun verfügbaren Materialien und Technologien und aufgrund der neueren Erkenntnisse bezüglich Thermo- und Strömungsdynamik. Ein großes Abenteuer begann: das Programm war geheim und brachte erste Erfolge im Labor. Dann brach der 2. Weltkrieg aus, Dänemark wurde besetzt. Die Entwicklung konzentrierte sich auf kleine Maschinen in der Leistungsklasse von nur einigen Watt. Gegen Ende des Krieges entdeckte ein Deutsches "Sprengkommando" eine dieser Maschinen mit ihren Gaszylindern. Sie vermuteten wohl eine neue Treibstoffentwicklung und öffneten vorsichtig die unter Druck stehenden Zylindern. Das Erstaunen war groß, als lediglich gewöhnliche dänische Luft ausströmte.

Trotz des Krieges machte Philips große Fortschritte: Steigerung des Leistung/Gewicht-Verhältnisses um den Faktor 50, das Leistung/Volumen- Verhältnis verbesserte sich um Faktor 125 und bei der zur Gewinnung von Elektrizität wichtigen Umdrehungszahl gelang eine Steigerung um den Faktor 10. Philips produzierte Maschinen von einem Viertel-PS bis zu 30PS, welche klein, leise und dazu mindestens so effizient wie Explosionsmotoren waren und Umdrehungszahlen von bis zu 3000 U/min erreichten. Die kleineren Maschinen arbeiteten mit Verdränger/Arbeitskolben, die größeren mit doppelwirkenden Arbeitskolben. Als Arbeitsgas wurde meist komprimierte Luft verwendet.

Vom Motor zur Kühlmaschine zur Wärmepumpe

Philips entwickelte aber nicht nur Stirlingmotoren, sondern setzte das Stirling-Prinzip auch für Kühlmaschinen ein. Wird ein Stirlingmotor nämlich angetrieben, so transportiert er Wärme von der einen Seite des Zylinders zur anderen. Wenn sie dort abgeführt wird, kühlt sich ein Zylinderende ab. Man kann kurz sagen:

Wenn einer Stirlingmaschine Wärme zugeführt wird, so setzt sie einen Teil davon in mechanische Energie um und wenn eine Stirlingmaschine mit mechanischer Energie angetrieben wird, so pumpt sie Wärme von einem tieferen Niveau auf ein höheres. Der Stirling-Prozess ist also umkehrbar. Auf diese Weise schaffte schon Philips Temperaturen, die zur Verflüssigung von Luft ausreichte (80K oder ca. -190°C). Philips Tiefenrekord lag bei -261°C, das heisst 12° über dem absoluten Nullpunkt. Diese Entwicklungen liessen vor allem Laboratorien aufhorchen, die ein großes Interesse an flüssigen Gasen haben und Philips verkaufte solche Verflüssiger in die ganze Welt. Auch heute noch ist Kühlung das breiteste Einsatzgebiet für Stirlingmaschinen.

Der Stirling im Auto

Die technischen Publikationen von Philips weckten auch die Interessen von Militär und Marine, denen die Möglichkeit zu lautlosen Generatoren und Motoren ins Auge stach. So gibt es heute U-Boote, die zusätzlich mit Stirling-Aggregaten ausgerüstet sind, Nachtsichtgeräte, deren Sensoren mit Stirling-Kühlern gekühlt werden etc.

1948 besuchte Henry Ford II. die Philips-Werke in Eindhoven und ließ sich den kleinen V-4 Stirling mit 14PS vorführen. Auch General Motors zeigte großes Interesse an den Entwicklungen. Aber erst 1975 wurde ein Stirlingmotor in den Ford Torino eingebaut und getestet. Es handelte sich hierbei um einen 170PS-Motor. Seinen Vorzügen - leise, abgasarm, Möglichkeit zum Betrieb mit verschiedenen Treibstoffen - standen Nachteile wie Gewicht, Volumen, hohe Herstellungskosten gegenüber. Zudem sind Stirlingmaschinen nicht so leicht in der Leistung zu regeln, wie Diesel- oder Benzinmotoren.

Das Rhombusgetriebe

Wie jede Kolbenmaschine erzeugte auch der Stirling Vibrationen, die durch Gegengewichte o.ä. ausgeglichen werden müssen. Die mechanische Kopplung der beiden Kolben bei einem Phasenwinkel von 90° führte zu immer ausgeklügelteren Konstruktionen, insbesondere für Maschinen mit hohen Leistungen und Drehzahlen. Die Minimierung der Vibrationen konnten dann aber kurz vor Abbruch der Entwicklung wiederum durch Philips, der den genialen Rhombus-Mechanismus vorstellte, mit dem eine annähernd ideale Auswuchtung bei 90° Phasenwinkel erreicht werden. Bei einer Demonstration stellten die Ingenieure eine Münze hochkant auf einen 300PS-Motor, der unter Volllast arbeitete. Die Münze blieb stehen!

Ein weiterer Vorteil des Mechanismus war seine kompakte Bauweise. Damit wurde das Volumen des ganzen Motors kleiner und damit wurde auch der Einsatz von Helium als Arbeitsgas erschwinglich. Mit Helium statt Luft läßt sich eine Leistungssteigerung von ca.1,5 erreichen! Anstelle von Helium wurden auch Versuche mit Wasserstoff als Arbeitsgas durchgeführt, was wegen der noch kleineren Atomen zu noch größeren Problemen bei den Dichtungen führte. Helium bleibt Favorit.

1958 erwarb General Motors eine Lizenz zum Bau von Generatoren für Militär- und Raumfahrtanwendungen und entwickelte Antriebe für Lokomotiven, Schiffe und U-Boote. GM entwickelte und baute Schiefscheibengetriebe, eine Weltraum-Energie-Station und eine 1,5PS-Maschine mit einer unglaublich hohen Drehzahl von 5000/min, bei der das Arbeitsgas mehr als 83 mal pro Sekunde erhitzt und gekühlt wird.

Zu dieser Zeit stellte Philips seine Entwicklungstätigkeiten bezüglich Stirling ein, denn in der Elektronik hielt der Transistor Einzug, der die Funktion der energiefressenden Röhren mit einem Bruchteil der Elektrizitätsversorgung übernahm: Der Batteriebetrieb wurde für fast alle Anwendungen möglich und ein lautloses Energiegewinnungssystem nicht mehr nötig.

Freikolbenmaschinen

Ein neues Zeitalter in der Stirling-Entwicklung begann nach 1960 mit Prof. William Beale, einem Professor für Mechanik an der Universität von Athens, Ohio. Er gab seinen Studenten die Aufgabe, ein Rhombusgetriebe zu entwickeln. Als er die Arbeiten der Studenten begutachtete, sah er plötzlich, dass es gar keine mechanische Kopplung zwischen den Kolben brauchte, respektive, daß die Bewegung der Kolben auch mit dem variierenden Maschineninnendruck erzeugt werden konnte. Die Idee zum Freikolbenmotor war geboren. Allerdings gestaltete sich die Umsetzung als sehr heikel was die Kolbenmassen, die Volumina, die Drücke etc. betraf und Prof. Beale war trotz seiner großen Bemühungen nicht sehr erfolgreich. Eines Tages, einem Freitag, nach langen fruchtlosen Bemühungen, gab er einem Studenten, der erst seit kurzem in seinem Labor mitarbeitete den (nicht ganz ernst gemeinten) Auftrag, über's Wochenende kleine Änderungen an der Maschine durchzuführen, die Maschine zu starten, und ihm dann einen kurzen Bericht über das Verhalten im Betrieb abzuliefern. Als er nächste Woche zurückkam und den Studenten fragte, wie es gegangen sei, staunte er nicht schlecht, denn dieser antwortete: «Nun, es ist nicht die beste Maschine der Welt, aber sie läuft ganz gut.» So verpaßte der Erfinder der Freikolbenmaschine die Premiere seiner Erfindung.

Freikolbenmaschinen haben viele Vorteile: Sie sind einfach im Aufbau, gegen außen leicht abzudichten (bis hermetisch geschlossen), kompakt und bei genügender Wärmezufuhr selbststartend. Wie die anderen, mechanisch gekoppelten (kinematischen) Maschinen sind auch sie leise und extrem langlebig im Betrieb. Die Schwierigkeiten liegen bei der Dimensionierung und in der Fertigung mit kleinen Toleranzen.

Geringste Temperaturdifferenz

1983 stellte Professor Ivo Kolin an der Universität Zagreb in Kroatien den ersten Niedrigtemperatur Stirlingmotor vor. Er lief mit der bis dahin unglaublich niedrigen Temperaturdifferenz von 100 Grad C. Damit begann eine Suche durch Dr. Senft von der Universität Wisconsin und von Professor Kolin, um festzustellen, was die praktische unterere Grenze für den Betrieb von Stirlingmotoren ist. Dieses endete 1990, als ein Entwurf Dr. Senft einen Weltrekord von ½ Grad C Temperaturdifferenz erreichte. Seit damals wurde der grundlegende Entwurf des Dr. Senft vielfach nachgeahmt. Manche haben den Beitrag des Dr. Senft gewürdigt, manche nicht. Um die Arbeit des Dr. Senft anzuerkennen wird vorgeschlagen, diese Art Stirlingmotor den Senft Motor (Senft engine) zu nennen.  

Quellen:
Website Dr Senft http://moriyapress.com/
http://home.t-online.de/home/Wilhelm.Lutzer/

Entwicklungsarbeit am STIRLINGMOTOR

Die Firma Solo (Rasenmäher und andere Kleinmotorenbetriebene Geräte) beschäftigt sich seit 1990 mit der Stirling-Technologie.

Mit dem Aufbau von Solar- Stirlingmotoren für Metallmembran- Parabolspiegel hat man sich in diese Technik eingearbeitet.

Grundlage waren die Arbeiten schwedischer und amerikanischer Entwickler. Es wurden verschiedene Einsatzmöglichkeiten von der Solarenergie- Nutzung über Kraft-Wärme-Kopplung bis zur Verwertung fester Brennstoffen erkannt. Inzwischen werden bei SOLO eigene Stirlingmotoren zur Vorbereitung einer Serienfertigung gebaut. Es handelt sich um Motoren mit einer Leistung von 10 kW, die in erdgasbetriebenen Blockheizkraftwerken und in solaren "Dish/Stirling"-Systemen erprobt werden. Die BHKW's können in größeren Gebäuden zur kombinierten Strom- und Wärmeproduktion und damit zur besten Ausnutzung fossiler Brennstoffe eingesetzt werden. Dish/Stirling Anlagen können in sonnenreichen Ländern sehr effizient Solarstrom erzeugen.

Aktuelle Anwendungen
In Neuseeland wird bei der Firma Whisper Tech in Christchurch, ein tragbarer Generator gebaut , der eine elektrische Leistung von 800 Watt bei 12-15 V hat. Der Stirlingmotor sei aus dem Entwicklungsstadium heraus.

http://vif17.icair.iac.org.nz/whisp.htm

Sun Runner

Dieses Modell einer Parabolspiegel/Stirling Kombination wurde von der Firma PM Research of Wellsville, New York ( http://www.pmresearchinc.com) entwickelt. Die Maschine hat einen 2,5 cm Hitzezylinder und ein Schwungrad mit 9 cm Durchmesser. Die Sonne wird auf den Hitzezylinder durch einen 46 cm Parabolspiegel aus poliertem Aluminium. Die Maschine kann auf ein normale Kamerastativ montiert werden und läuft mit vollem Sonnenlicht mit ca 2000 U/min.

Beispiel für eine große Anlage: Cummins Power Generation of Columbus, Indiana

5 kW Freikolbenmaschine Parabol/Stirling System. Der Konzentrator besteht aus 24 flexiblen Elementen mit je 1,5m Durchmesser. Ein geringes Vakuum wir zwischen den Membranen der Elemente angelegt, um eine annähernd sphärische Gestalt zu erreichen.

Dies ist ein neuer Ventilator aus Canada. Er ist so konstruiert, daß er auf der heißen Fläche eines Ofens steht. Die Wärme treibt den Ventilator an und der bläst die Wärme des Ofens in die Küche oder das Wohnzimmer. Er hat eine Höhe von 45 cm und wiegt ca 7 kg und arbeitet lautlos.

Vergleich verschiedener Motortypen

Danksagung

Unser besonderer Dank gilt

Uwe Moch Stirling-Motorenbau, Hannover (Tel 0511 883827 Jordanstr 29 (Sallstr Abzweigung)
Am Eisenwerk 29 a Wülfel (Laatzen ) Funkturm Gewerbehof Atheen, blaues Rolltor Tel 0511 862848)

http://members.aol.com/BKammerich/stirle.htm

http://www.uwemoch.de/

für die freundliche Unterstützung mit Literatur, Anschauungsmaterial in der Werkstatt und Überlassung seines Meisterstücks, eines lauffähigen Stirlingmotors zur Vorführung.

Quellen

• Thermodynamik DIE CLAUSIUS-CLAPEYRON-GLEICHUNG http://saftsack.fs.uni-bayreuth.de/thermo/claclap.html
• Buch: Stirling-Maschinen, Grundlagen - Technik - Anwendung, Martin Werdich, Verlag Ökobuch, ISBN 3-922964-35-4
• Buch: Stirling - Maschinen - Technik, Grundlagen, Konzepte und Chancen, C.F. Müller Verlag, Fritz Steimle, ISBN 3-7880-7583-x
• Stirling Schreibtischmodelle: http://www.spieleeck.de/
• Stirling Schreibtischmodelle: http://www.jerry-howell.com/
• Stirling Schreibtischmodelle http://www.laengle-hp.de/galerie.htm
• Vorschlag zur Benennung der Konstruktion mit kleinstmöglicher Temperaturdifferenz von nur 0,5°C von Dr. Senft von der Universität Wisconsin und von Professor Kolin als Senft-Motor zu bezeichnen  http://home.t-online.de/home/Wilhelm.Lutzer/
• Dr. J. R. Senfts' Home page http://moriyapress.com/
• Übersicht, auch Literatur http://www.baileycraft.com/page1.htm
• Übersicht über verschiedene Motorprinzipien mit Animationen und Kenndiagrammen http://michael.abendschoen.bei.t-online.de/hauptmenue.html
• Stirlingmotoren zum Selbstbau aus Rohgussteilen http://www.geocities.com/Viebachstirling/index.htm
• Literatur http://www.stirlingmotor.com/buecherd.htm

Word: ReferatS5tSt60.doc

Um den Stirlingmotor auch an weiterführenden Schulen wie Gymnasien und Realschulen den Schülern nahe zubringen und um der Jugend die nachhaltige und dezentrale Energieerzeugung mit Sonnenenergie in Form von Biomasse zu vermitteln, ist im Herbst 1998 durch Dieter Viebach das Buch "Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut" entstanden. Das Buch wird im Ökobuchverlag mit der ISBN Nr. 3-922964-70-2 bereits in der 3. Auflage herausgegeben und kostet 15,30 Eur. Es enthält die detaillierte Bauanleitung für ein Konservendosenmodell. Mit einem kleinen DC Motor als Generator erzeugt es, beheizt mit einem Teelicht, den Strom für ein Transistorradio. Geeignete DC Motoren mit Riemenscheibe erhalten Sie bei Dieter Viebach.
Der bereits von Vorgängermodell, dem Keksdosenstirlingmotor, bekannten Faltenbalg, der den Arbeitszylinder bildet, liegt als Faltbogen dem Buch bei. Ihre etwaigen Bedenken hinsichtlich der Lebensdauer dieses Papierfaltenbalges sind unbegründet! Bei einem Dauertest über 4 Wochen hat der Faltenbalg 10 Mio. Hübe ohne jeden Verschleiß überstanden.
Versierte Modellbauer finden in dem Buch auch einen Bauplan für ein Modell, das mit der Wärme Ihrer Hand läuft und aus einer Getränkedose gebaut ist.
Quelle: http://www.geocities.com/Viebachstirling/

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