Wie funktioniert ein Stirlingmotor? Aufbau und Funktionsweise eines Heißluftmotors vom Typ alpha

In diesem Video beschäftigen wir uns mit dem Aufbau und der Funktionsweise eines Stirling-Motors vom Typ alpha. Wir zeigen die Vor- und Nachteile solcher Heißluftmotoren auf und gehen insbesondere auf die wichtige Funktion des Regenerators ein.

Der Stirlingmotor besteht im Wesentlichen aus zwei Zylindern. Aus einem permanent beheizten und gekühlten Zylinder. Bei einem Stirlingmotor vom sogenannten Typ alpha, stehen die beiden Zylinder in einem rechten Winkel zueinander, wobei sich die Zylinderachsen und die Achse der Kurbelwelle schneiden. Beide Zylinder sind über einen Regenerator (gasdurchlässiger Wärmespeicher) miteinander verbunden. Über diese Rohrverbindung wird das Arbeitsgas zwischen den Zylindern hin und hergeschoben.

In der 45° Stellung der Kurbelwelle ist das Gasvolumen am kleinsten und das Gas somit maximal komprimiert. Das Gesamtvolumen des Gases setzt sich dabei aus dem Volumen des beheizten Zylinders, des gekühlten Zylinders, und dem Volumen des Regenerators zusammen.

Bewegt sich die Kurbelwelle eine halbe Umdrehung weiter, dann ist das Gasvolumen insgesamt am größten. Anschließend wird das Gas während der nächsten halben Kurbelwellenumdrehung wieder komprimiert. Man hat also während einer Kurbelwellenumdrehung die typischen Phasen der Expansion und der Kompression.

Damit der Motor allerdings Nutzarbeit liefert, muss mehr Arbeit bei der Expansion frei werden als für die Kompression benötigt wird. Hierzu muss der Druck auf die Kolben bei der Expansion größer sein als der Druck bei der Kompression. Der Druck wird dabei hauptsächlich durch die Temperatur bestimmt. Je höher die Temperatur eines Gases in einem geschlossenen System ist, desto höher ist auch der Druck. Bei der Expansion des Gases muss also insgesamt mehr beheizte Gasmasse vorhanden sein, um hiermit einen größeren Druck auf die Kolben ausüben zu können. Bei der Kompression muss hingegen insgesamt mehr gekühlte Gasmasse in den Zylindern vorliegen, damit der Druck auf die Kolben geringer ist.

Dies wird letztlich durch die um 90° versetzt angeordneten Zylinder erreicht. Während der Expansion vergrößert sich das beheizte Zylindervolumen deutlich schneller als das Volumen des gekühlten Zylinders. Es ist folglich mehr Gasmasse im beheizten als im gekühlten Zylinder. Der Druck ist bei diesem Expansionsvorgang durch den relativ großen beheizten Gasanteil somit auch relativ hoch. Die vom Gas erbrachte Expansionsarbeit ist entsprechend groß.

Während der nächsten halben Kurbelwellenumdrehung kehrt sich die Expansion in eine Kompression um. Dabei nimmt das beheizte Zylindervolumen schneller ab, als das Volumen des gekühlten Zylinders. Es ist folglich mehr Gasmasse im gekühlten als im beheizten Zylinder. Der Druck ist bei diesem Kompressionsvorgang durch den relativ großen gekühlten Gasanteil somit auch relativ niedrig. Die am Gas verrichtete Kompressionsarbeit ist entsprechend gering.

Durch die versetzt angeordneten und permanent beheizten bzw. gekühlten Zylinder wird also erreicht, dass die Expansionsarbeit größer ist als die Kompressionsarbeit. Somit lässt sich effektiv Nutzarbeit aus dem Prozess gewinnen. Die Nutzarbeit stammt dabei aus der zugeführten Wärme durch den beheizten Zylinder, der Wärme auf das expandierende Gas überträgt und somit für eine erhöhte Temperatur sorgt.

Aber auch an dieser Stelle kann die zugeführte Wärme nicht vollständig in Nutzarbeit umgewandelt werden. Ein Teil der zugeführten Wärmeenergie wird dem Gas während der Kompression durch den gekühlten Zylinder wieder entzogen, um es auf ein niedrigeres Druckniveau zu bringen. Die Differenz zwischen zugeführter Wärme im beheizten Zylinder und abgeführter Wärme im gekühlten Zylinder entspricht der Nutzarbeit. Im Volumen-Druck-Diagramm entspricht die Nutzarbeit der eingeschlossenen Fläche innerhalb des Kreisprozesses.

00:00 Aufbau
01:20 Funktionsweise
02:54 Expansion
03:33 Kompression
04:02 Wärmezufuhr
05:03 Vor- und Nachteile
06:52 Regenerator (Wärmespeicher)
08:12 Ausblick