„Öl
ist die Seele der Maschine“ Dieser
alte
Maschinenbauer-Spruch gilt natürlich auch für den Stirlingmotor. Dort,
wo es
Leistung, Drehmomente und Kräfte gibt, gibt es auch Reibung – meist
zwischen
metallischen Oberflächen. Um diese Reibung zu minimieren und eine lange
Lebensdauer zu erreichen, benötigt man Schmiermittel.
1.
Generation
Dieses Schmiermittel war im 19. Jahrhundert ausschließlich
Öl. Die großen, langsam laufenden Stirlingmotoren hatten alle
Gleitlagerungen
mit Tropfölschmierung. Ein Docht beförderte dabei aus einem
Vorratsbehälter
z.B. 10 Tropfen Öl pro Minute in einen Verteilertopf. Durch weitere
Rohre
gelangte das Öl dann an die offenen Lagerstellen. Überschüssiges Öl und
Schmutzöl aus den Lagern wurden gesammelt und teilweise
wiederverwendet. Bei kleineren Maschinen sorgten fein einstellbare
Ölvasen direkt an den Lagern und Gelenkpunkten für ein paar Tropfen pro Stunde.
Alle diese Motoren hatten ein
offenes Getriebe und waren nicht aufgeladen
(bis auf
eine Maschine – siehe Beitrag „Dichtigkeit“). Das heißt, der
Mitteldruck war
gleichzeitig der Atmosphärendruck. Das Leistungsgewicht der ersten
Generation
Stirlingmotoren lag typischerweise bei 300 kg/kW. Trotzdem gab es ca.
250.000 Heißluftmotoren bis 1920, davon 170.000 Stirlingmotoren und
80.000 Ridermotoren. Die Wartungsintervalle waren sehr kurz:
Jeden Tag ölen und mehrmals pro Jahr musste der Erhitzer abgenommen
werden, um ihn innen, je nach Brennstoff auch außen vom Ruß zu befreien
- für uns heute inakzeptabel - damals aber völlig normal.
2.
Generation
1938 begann die Firma Philips in Holland, Stirlingmotoren
mit erhöhtem Mitteldruck und geschlossenem Getriebe zu entwickeln. Dazu
wurde
die damals bei Ottomotoren eingeführte Technologie der
Öldruck-Schmierung
übernommen. Es gab einen Ölsumpf am tiefsten Punkt des Getriebekastens,
aus dem
eine Pumpe Öl in die Lager presste.
Die
Wartung am heißen Teil des Motors wurde dabei allerdings zum Problem. Selbst
feinster Ölnebel im Arbeitsgas reichte aus, um im Erhitzer Ruß-Ablagerung zu
erzeugen. Auch kam man früher immer gut an die großen
Wärmeübertragungsflächen
heran. Aber bei den aufgeladenen Motoren gab es enge Erhitzerrohre, die
schwer
zu reinigen waren. Und gerade beim Erhitzer konnte man keinen Ruß
gebrauchen,
weil er die Wärmeübertragung massiv behinderte, die ja gerade hier
stattfinden
sollte! Außerdem wollte man längere Wartungsintervalle realisieren, wie
sie
bereits bei Ottomotoren üblich waren. So fing man an, an der Rückseite
der
Arbeitskolben Kolbenstangen zu montieren und diese durch Stopfbuchsen
zu
führen. Schnell konzentrierten sich die Entwicklungsarbeiten auf diese
Stopfbuchsen, die das Öl abstreifen sollten. Außerdem sollten sie
dichten, denn
man wollte das Leistungsgewicht noch weiter absenken – von bisher 80
kg/kW auf
30 kg/kW. Bald waren die Stopfbuchsen das aufwändigste und teuerste
Element am
Stirlingmotor. Aber man bekam den Ölnebel aus dem Arbeitsgas heraus und
damit
einen völlig trockenlaufenden Motorteil. Normale Kolbenringe konnte man
jetzt
allerdings nicht mehr verwenden. So ging man auf Teflonringe über. Auch
verwendete man jetzt Helium als Arbeitsgas, was das Leistungsgewicht
noch
weiter reduzierte – auf ca. 10 kg/kW. Die Wartung bestand aus einem
Ölwechsel alle 600 bis 800 Stunden, dem Ausgleichen von Heliumverlusten und
gegebenenfalls Reinigen des Erhitzers von außen.
Die
letzte heute noch käufliche Maschine aus dieser zweiten
Generation ist die V161, die früher von Solo und seit 2012 von
Cleanergy
produziert wird.
3.
Generation
Seit den 80-iger Jahren gibt es nur noch Neukonzeptionen
der dritten Generation. Wie bei modernen Elektromotoren besitzen die
Stirlingmaschinen nun geschlossene und fettgefüllte Wälzlager. Damit
brauchte
man endlich keine teuren und sensiblen Stopfbuchsen mehr.
Die
Querkräfte, die durch die Schiefstellung am Pleuel entstehen und die
früher
durch ein seitliches Ölpolster am Kolben aufgefangen wurden, müssen
jetzt über
Anlenkhebel minimiert werden. Teflonbandagen an den Arbeitskolben, die
schon
bei den Maschinen der zweiten Generation eingesetzt wurden, übernehmen
die
restlichen Querkräfte (unter 2%). Auch die Kolbenringe bestehen bei
diesem
extremen Trockenlauf wieder aus einem Teflon-Verbundwerkstoff, hier
nicht mit
Glasfasern sondern mit Kohlefasern.
Die
Wälzlager werden – wie schon gesagt – mit Fett gefüllt. Da die
Laufflächen-Temperatur 50K über dem Kühlwasser liegen, wird Fett
eingesetzt,
das bei Raumtemperatur noch fast fest ist und erst bei 80°C allmählich
schmierig wird. Damit sind Testläufe bis 3200 Stunden ohne
Nachschmieren
möglich. Wenn man alle 500 Stunden Fett nachfüllt – vor allem an den
Lagern auf
der Welle und der Kurbel – sind Lebensdauer über 10.000 Stunden nachgewiesen, weit über 20.000 Stunden vorstellbar.
Damit sind Stirlingmotoren nach heutigen Maßstäben durchaus verkaufbar.
Eine Wartung fällt - wenn überhaupt - außen am Erhitzer an, vor allem
bei Holzpellets- oder Hackschnitzel-Feuerung.