Heißgasmotor

Heißgasmotor,

 

Stirlingmotor ['stəːlɪȖ-; nach dem schottischen Geistlichen Robert Stirling, * 1790, ✝ 1878], die nach der Dampfmaschine älteste Wärmekraftmaschine. Im Heißgasmotor wird eine eingeschlossene Gasmasse periodisch erwärmt und abgekühlt. Die dadurch hervorgerufenen Druckänderungen werden durch Arbeitskolben in mechanische Arbeit umgesetzt. Der thermodynamische Prozess besteht idealisiert aus vier Zustandsänderungen: Kompression bei konstanter Temperatur (Isotherme mit Wärmeabfuhr), Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (Isochore), Expansion bei konstanter Temperatur (Isotherme mit Wärmezufuhr) und Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen (Isochore). Das Arbeitsgas wird bei Drücken von etwa 15 MPa (150 bar) zwischen einem heißen und einem kalten Raum hin- und hergeschoben. Zwischen diese Räume ist zur Verbesserung des Wirkungsgrades ein Regenerator geschaltet, in dem das zur kalten Seite strömende Gas Wärme abgibt und beim Rückströmen zur heißen Seite wieder Wärme aufnimmt. Wegen der Strömungsverluste ist Luft als Arbeitsgas nicht geeignet. Am günstigsten ist Wasserstoff, doch besteht bei Undichtigkeit Explosionsgefahr. Daher wird heute oft Helium als Arbeitsgas verwendet.

 

Die Volumenänderungen des heißen und des kalten Raums können konstruktiv auf verschiedener Weise verwirklicht werden. Bei doppelt wirkenden Motoren befinden sich die jeweils zusammenarbeitenden heißen und kalten Räume in verschiedenen Zylindern; pro Zylinder ist nur ein Kolben erforderlich. Beim Verdrängermotor hingegen befinden sich beide Räume in einem Zylinder, getrennt durch einen Verdrängerkolben; der Arbeitskolben ist an der kalten Seite des Zylinders angeordnet. Vorteile des Heißgasmotors gegenüber Verbrennungsmotoren sind die äußere Wärmezufuhr mit kontinuierlicher Verbrennung (daher können feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe verwendet werden) sowie die geringe Geräuschentwicklung. Der Wirkungsgrad entspricht etwa dem des Dieselmotors. Nachteile sind die hohen Herstellungskosten und das ungünstige Leistungsgewicht. Eine schnelle Leistungsregelung ist nur durch Vergrößern beziehungsweise Verkleinern der Arbeitsgasmasse möglich. Dadurch sind aufwendige Zusatzeinrichtungen erforderlich (Gasspeicher, Hochdruckkompressor), die Kosten, Leistungsgewicht und Bauraumbedarf weiter erhöhen.