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Stirlingmotor

Des Priesters neue Maschine

Der schottische Geistliche Robert Stirling (1790 bis 1878) erfand 1816 mit dem Stirlingmotor eine neue Wärmekraftmaschine.


  • Ganz alt – und doch modern

    Als Vorläufer der Benzin- und Dieselmotoren, so die landläufige Meinung, steht der Stirlingmotor, auch Heißluftmotor oder früher Luftexpansions- oder Calorische Maschine genannt, am besten im Museum, zum Beispiel im Deutschen. Tut er auch.

    Ansonsten diente er unseren Großvätern in geschrumpftem Aggregatzustand als possierliches Spielzeug. Darüber wird vergessen, dass Zigtausende von Stirlings Motoren gebaut worden sind, allerdings für fahrzeugferne Einsatzzwecke. Nach Zigtausenden von Ingenieurstunden hingegen entpuppte sich sein Motor, sowie es um den Antrieb von Straßenfahrzeugen ging, als harte Nuss, die bis heute nicht geknackt werden konnte.

    Wie so oft bestechen die theoretischen Vorteile. Der Stirlingmotor produziert so gut wie keine Schwingungen und keine Emissionen, das heißt er arbeitet erschütterungsfrei und leise und stößt kaum schädliche Abgase aus; er benötigt kaum Wartung und hat praktisch keinen Ölverbrauch; er ist ein Allesfresser, soll heißen er verwertet feste, flüssige oder gasförmige Kraftstoffe und kann mit elektrischer, chemischer oder radioaktiver Wärmequelle oder mit Sonnenstrahlen betrieben werden; er bietet ein höheres Drehmoment als ein Dieselmotor, was einfachere Getriebe beziehungsweise weniger Gangstufen bedeutet. Ein Wunderding also. Warum also fahren wir noch nicht mit ihm?


  • Funktionsprinzip

    Das Funktionsprinzip klingt einfach: Ein Arbeitsmedium, Stirling schlug Luft vor, wird von einem in einem Zylinder oszillierenden Kolben (Verdränger) zwischen einem Raum mit konstant hoher und einem Raum mit konstant niedriger Temperatur hin- und hergeschoben. Das System ist in sich geschlossen. Der Innendruck schwankt periodisch, die Druckschwankungen werden über Arbeitskolben und Kurbeltrieb in mechanische Energie umgesetzt.

    Ein zwischen dem heißen und dem kalten Raum angeordneter Wärmespeicher, besser Regenerator, erhöht den Wirkungsgrad, die Wärmezufuhr erfolgt kontinuierlich und von außen. Demnach arbeitet der Stirlingmotor mit äußerer Verbrennung und steht damit im Gegensatz zum Benzin- und Dieselmotor, bei denen die Verbrennung im Zylinder stattfindet (innere Verbrennung).

    Die Umsetzung jedoch ist kompliziert und wurde auch von vielen gescheiten Leuten lange Zeit nicht verstanden. So bekannte der englische Physiker Michael Faraday (1791 bis 1867), er könne, nachdem er einen Stirlingmotor besichtigt hatte, nicht sagen, warum dieser tatsächlich Arbeit leiste.


  • Wie alles begann

    Die Entwicklung des Stirlingmotors begann, wie bei Wärmekraftmaschinen üblich, als ortsfeste Maschine und lässt sich in zwei Phasen unterteilen. Die erste Phase beginnt mit Stirlings Patent 4081 vom 16.11.1816 und endet noch vor 1900. In dem knappen Jahrhundert hatte sich herausgestellt, dass Sterlings Maschine am vorteilhaftesten für Leistungen bis 3 PS auszulegen ist. Sterling, Ericsson, Lehmann, Rider, Heinrici, Robinson und andere bauten Tausende von Stirlingmotoren für alle möglichen Einsatzzwecke.

    Mit der Einführung des Ottomotors 1876, des Elektromotors 1895 und des Dieselmotors 1896 schwand das Interesse von Handwerk, Gewerbe und Industrie am Stirlingmotor, er geriet in Vergessenheit. Erst 1938 wiederbelebte Philips die Forschungsarbeiten, weil der holländische Elektrokonzern einen Antrieb für einen Stromgenerator suchte, der die damaligen Strom fressenden Röhrenradios in Ländern ohne flächendeckende Stromnetze mit Energie versorgen sollte.

    Aus den Forschungsarbeiten ergaben sich Kooperationen mit und Lizenzvergaben an die Motoren- und Automobilindustrie, weil diese wegen der US-Abgasvorschriften ab 1966 nach Motoren mit geringen Emissionen suchten: General Motors (1958 bis 1970), United Sterling Sweden AB (USS, 1968 bis 83), Konsortium MWM/MAN (1968 bis 1978/1991), Ford/USA (1972 bis 1978) sowie das Department of Energy (DOE) von 1978 bis 1989. Philips selbst als Nicht-Motorenbauer stellte seine Arbeiten am Stirling-Automotor nach dem Rückzug von Ford 1979 ein und arbeitete nur noch an Stirling-Gaskältemaschinen.


  • Warum scheiterte der Stirlingmotor?

    Warum zogen sich die Auto- und Motorenhersteller zurück? Technische und fabrikatorische Probleme sowie die Rezession in den USA während der 1970er Jahre bewogen Ford zur Einstellung der Arbeiten, zumal sich herausstellte, dass die Abgasgrenzwerte mit geregelten Katalysatoren bequem eingehalten werden konnten.

    Der Rückzug von Ford hatte Signalwirkung auf USS in Schweden. MWM gab auf, weil sich der Wirkungsgrad des Stirling- nicht über den des Dieselmotors steigern ließ, MAN schloss die Akten, als vom Bundesverteidigungsministerium keine Forschungsgelder mehr flossen. So sind außer Motoren nur ganz wenige Fahrzeuge von GM, Ford und DAF gebaut worden. Insgesamt eine ernüchternde Bilanz.

    Die Marktchancen des Stirlingmotors liegen dort, wo er nicht unmittelbar mit Benzin- und Dieselmotoren konkurrieren muss: In der Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere bei Blockheizkraftwerken, in der Kälte-, Wärme und Stromerzeugung und im Modellbau. Dort und bei Tauchfahrten der U-Boote spielt er schon heute seine Vorteile aus, dort gibt man der alten Erfindung eine große Zukunft.

    Für das Straßenfahrzeug nicht: Die Lastwechselreaktionen sind zu langsam, die Bauweise ist zu voluminös und zu schwer, der Wirkungsgrad ist nicht höher als beim Diesel und die Herstellungskosten sind zu hoch. Es bleibt noch viel zu tun, doch zurzeit wird, soweit bekannt, an Stirling-Automotoren nicht gearbeitet.

     

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