Velmi zajímavým typem tepelného stroje je tzv.
Stirlingův motor, který patentoval technicky založený
skotský duchovní Stirling v roce 1816, tedy v době bouřlivého vývoje parního
stroje. V té době bylo mnoho smrtelných úrazů při explozích parních kotlů, proto
Stirlingův motor - pracující bez kotle a velmi tiše - byl velmi vyhovující,
především pro malé jednotky, po kterých byla velká poptávka. V té době však byl
vynalezen také elektromotor a když přišel se svým lehkým motorem Benz, nemohl s
ním teprve se vyvíjející Stirlingův motor soutěžit, zejména pro užití při pohonu
automobilů.
Stirling se však své myšlenky nevzdával a
v roce 1843 předělal ve skotském Dundee parní stroj na svůj systém. Při stejném výkonu 27 kW jako s párou spálil tento motor méně uhlí
a pracoval velmi tiše. Po půl roce provozu však prasklo dno válce a tato
závada se opakovala, proto se stroj předělal zpět na páru. Teplota, při které
pracuje Stirlingův motor je totiž větší a v té době nebyl k dispozici žádný
vhodný žáruvzdorný materiál, který by problém odstranil a tak se uplatnil pouze
pro menší výkony, zejména pro čerpání vody a někde pracuje dodnes.
Teprve před druhou světovou válkou si Stirlingova
motru všimla holandská firma Philips, která hledala pro bezdrátové vysílací
stanice malý generátor, který by nerušil vysílání zapalováním motoru.
Zdokonalením celé konstrukce se podařilo vytvořit malý přenosný agregát, vhodný i pro neelektrifikované rozvojové země, k jehož pohonu by
stačilo jakékoli palivo. Světová válka a vybombardování závodu však na
čas zastavilo vývoj a po válce rozvojem tranzistorů opadl zájem o malé agregáty.
Firma Phlilips však experimentem zjistila, že pohání-li se
Stirlingův motor cizím zdrojem ve směru otáčení, začne teplota "teplé" části
válce klesat hluboko pod nulu. Dosáhlo se dokonce teploty 12°K tedy
–231°C, což stačí nejen ke zkapalnění vzduchu, ale i vodíku. Začalo se proto
vyrábět chladící zařízení na tomto principu.
Boj o čistotu životního prostředí a hrozba energetické
krize znovu oživila zájem o Stirlingův motor, pracující s plamenem, který hoří
spojitě v horké komoře, takže produkce škodlivin (oxid uhelnatý a oxidy dusíku)
je hluboko pod normou požadovaným limitem. Stirlingův motor
může pracovat i s využitím slunečního záření a vysokotepelného akumulátoru, tedy
úplně bez škodlivin a jakýchkoli odpadů. V nutném případě lze využít k
jeho pohonu jakéhokoli paliva a tedy, i pokud sluneční energie nelze právě
použít, není provoz ohrožen.
Motor pracuje velmi tiše
a měkce i při nízkých otáčkách, což je pro automobilový motor velmi důležité a
navíc mazací olej nepřichází do styku s hořícími plyny, takže se neznehodnocuje
a odpadají jeho časté výměny. Spuštění motoru je velmi snadné a spolehlivé,
stačí zahřát hlavu válce na potřebnou teplotu. Nově vyvinuté a zdokonalené
Stirlingovy motory druhé generace s regenerátorem dosahují při maximálním výkonu
až 4000 otáček za minutu a regenerátor umožňuje za 0,02 s změnit teplotu plynů o
několik set stupňů Celsia a zvyšuje účinnost
zařízení, jehož 38 až 42% odpovídá nejlepším
naftovým motorům. Z toho vyplývá i příznivá spotřeba pohonných hmot a proto se
tyto motory zkoušely v autobusech DAF a MAN, přičemž byl oceňován i jejich velmi
tichý chod.
Strirlingův motor
pracuje na následujícím základním principu:
Pracovní válec obsahující píst A, ojnicí
napojený na klikovou hřídel, ke které je v posunu 90° připojena ojnice druhého
pístu B. Tento druhý píst se nachází ve válci, který je na svém konci
zahříván a v druhé polovině je na něm přiloženo chladící žebroví. Píst B
nedoléhá těsně ke stěnám válce, ve kterém se nachází, což umožňuje pohyb plynu.
Funkcí tohoto pístu B je střídavé přečerpávání pracovního plynu z místa
ohřevu do místa chlazení a naopak, což je umožněno právě spárou mezi pístem
B a jeho válcem. Pokud se píst B nachází v části válce, která je
chlazená, valná část pracovního plynu se pak nachází v části válce, který je
zahříván. V důsledku zahřátí plynu dochází k jeho rozpínání a tedy růstu tlaku.
Protože válec pístu B je spojen s válcem pístu A, vzniklý tlak
plynu se tak na něj přenáší a pístem A pohne, což v důsledku a díky posunu
připojení ojnic obou pístů na hřídel o 90°, posune píst B do části, která je
zahřívaná a valná část plynu se tak přesune do části, která je chlazená a zde se
plyn ochlazuje, což způsobí pokles tlaku a pracovní píst A se vrací do původní
polohy a celý cyklus se opakuje.
Vysvětlení principu
funkce Stirlingova motoru můžete nalézt i zde: http://mve.energetika.cz/uvod/stirling.htm
Jako pracovní plyn se nejprve používal obyčejný
vzduch, nejlepších vlastností a účinnosti, které nemá ani hélium, se však
dosahuje při užití vodíku. Pracovní plyn je dnes v motoru pod tlakem 15 až 20
MPa. Zdokonalením konstrukce a přidáním regenerátorů tepla pracovního plynu, se
účinnost zařízení dále zvyšuje a to podstatným způsobem. Účinnost je též závislá
na rychlosti otáček, což vyplývá z cyklu zahřívání a chlazení plynu, jehož čas
se na jednotlivé fáze zahřívání a chlazení s počtem otáček snižuje a to má za
důsledek snížení účinnosti. Motor, který jako pracovního
plynu využívá vodíku, o výkonu 52 kW/dm3 má při 1500 otáček za minutu
účinnost 35%. Snížením otáček na 500 min–1 se účinnost zvýší na 46%.
U válců menších rozměrů jsou při vysokých otáčkách (až 5000
min–1) poměry příznivější.
V současné době
se pracuje s teplotou hlavy 700 až 750°C a stále se vyvíjí nové žáruvzdorné
keramické materiály, které by umožnily zvýšení teploty a tím i účinnosti a
výkonu. Výkon Stirlingova motoru lze rychle regulovat změnou množství pracovního
média. Při snižování výkonu se vodík z válce vypouští do nízkotlaké nádrže a
snížení výkonu je dosaženo za 0,3 s. Z nízkotlaké nádrže je přečerpáván do
vysokotlaké a jeho vstříknutím zpět do válce se dosáhne plného výkonu za 0,6 s.
Zahřívací doba motoru je asi 15 vteřin a na chlazení částí válců se používá
chladící kapalina. Nejrozsáhlejší zkoušky se Stirlingovy motory prováděly
společnosti General Motors a Ford. Také švédská firma United Stirling vyvíjí
motory tohoto typu pro automobilové účely.
Nás zajímá využití Stirlingova motoru především k výrobě
elektrické energie ze slunečního tepla.
Zdroj: časopis Automobil 11/'82
Kontakt na autora výtahu: zavadilik.p(a)seznam.cz