Gdyby każdy silnik mógł uzyskiwać całą swoją sprawność byłoby cudnie. Wówczas nawet 12 – cylindrowe „monstrum” na każde 100 kilometrów zużywałoby tylko 1/3 tego, co dziś. Niestety żaden konwencjonalny silnik nie jest w stanie osiągnąć tak wysokiej sprawności, choć historia zna wiele prób, których efektem lub tylko celem było zbudowanie efektywnego źródła napędu. Jednak większość z nich do dziś jest nieznana lub znana tylko entuzjastom inżynierii silników a gotowe prototypy lud dokumentacja zaginęły lub zostały skradzione.
Wbrew pozorom taki napęd nie powstał w XXI wieku a już w XIX – konkretnie w 1816 roku, kiedy silniki spalinowe rodziły się w umysłach kilku dzieci. Autorem tego wynalazku był Robert Stirling. Nowe źródło napędu miało być lepsze niż silnik parowy i było próbą wyeliminowania głównej wady każdego silnika parowego – ciągłego uzupełniania wody, co było zmorą pierwszych lokomotyw i lokomobili. Koncepcja jak i konstrukcja silnika szybko zostały opatentowane. Do dziś widnieje w brytyjskim spisie patentów pod numerem 4081.
Robert Stirling – duchowny i wynalazca
Źródło: odkrywcy.pl
Jednak wynalazek Stirlinga jeszcze przez kilkadziesiąt lat wykorzystywano tylko w gospodarstwach do pompowania wody. Przemysł motoryzacyjny nie był tym pomysłem zainteresowany aż do pierwszego kryzysu naftowego. Firma Philips wprowadziła nawet małe generatory prądu, które wykorzystywały ten napęd, ale te nie zdobyły uznania. W latach 70-tych zbudowano samochód wyposażony w ten silnik – moc 60 KW wydawała się być wystarczająca, ale pomysł się nie przyjął. Chyba domyślacie się, kto lobbował przeciwko temu silnikowi?
Co sprawia, że silnik projektu Stirlinga jest taki wyjątkowy? Najprostszy silnik patentu Stirlinga składa się z dwóch połączonych ze sobą cylindrów („ciepłego” i „zimnego”). W cylindrach znajduje się stała ilość gazu oraz tłoki, które połączone są wałem korbowym. Są względem siebie tak ustawione, aby ruch tłoka w cylindrze „ciepłym” wyprzedzał drugi tłok w cylindrze „zimnym” o około ¼ ruchu (90 stopni). Niby niewiele, ale to bardzo ważne przy zmianie ciśnienia mieszanki znajdującej się wewnątrz cylindra.
Należy podkreślić, że ten napęd jest bliski „cyklowi Carnota”, który może być interpretowany jako recepta na motoryzacyjne „Perpetum Mobile”. Zatem jak działa ten „cud” XIX – wiecznej myśli technicznej? Na wstępie warto zaznaczyć, że zasada działania nie jest bardziej skomplikowana niż ta znana z późniejszych pomysłów Atkinsona, Otto czy nawet Wankla. Pomysł na wyższą efektywność napędu jest prosty i nie tak bardzo efektowny, jak to, co dzieje się podczas pracy silnika spalinowego. Tu nie ma widowiskowych eksplozji.
W silniku Stirlinga gaz (najlepiej wodór lub hel) zostaje umieszczony w podgrzewanej („ciepłej”) przestrzeni, po czym na skutek wzrostu temperatury następuje również wzrost ciśnienia, które popycha tłok. Tłok przepycha gaz do miejsca, gdzie niższa temperatura wpływa na zmniejszenie jego objętości i w następstwie czego tłok się cofa. Im większe ciśnienie gazu tym większa moc silnika – tak samo jak w silniku spalinowym. Proste i logiczne, ale czy skuteczne na tyle, aby jego sprawność była większa od silnika spalinowego?
Zasada działania silnika Stirlinga
Źródło: http://sknen.itc.pw.edu.pl
Silnik Stirlinga pracuje w sposób ciągły, dzięki czemu kultura pracy jest wyższa niż w silniku wykorzystującym efekt deflacji. Dzięki minimalnym wibracjom nie wymaga dużych kół zamachowych. Niestety potrzebuje dużej chłodnicy, przez co jego zastosowanie w samochodzie jest bardzo utrudnione – to z kolei wpływałoby na kształt przodu nadwozia. Najważniejsze jest jednak to, że jako jeden z niewielu może wykorzystywać proces spalania, ale nie musi a zatem może pracować w cyklu zamkniętym bez układu wydechowego.
Co więcej jest to maszyna odwracalna co znaczy, że która może być wykorzystywana zarówno do procesów grzewczych jak i chłodniczych. Proces wytwarzania energii jest prosty i bardziej efektywny niż w typowym silniku spalinowym. Nowoczesny silnik emitujący spaliny osiąga nieco ponad 30% sprawności podczas, gdy silnik Sterlinga może osiągnąć efektywność na poziomie 40%. Jest to nadal słaby wynik, ale różnica jest jak najbardziej zauważalna. To właśnie stawia go ponad klasycznego „spalinowca” i nowoczesne silniki wysokoprężne.
Po raz pierwszy wynalazek Stirlinga znalazł zastosowanie w kamieniołomie, gdzie służył jako pompa wody. Wkrótce również odlewnia w Dundee zamówiła podobny silnik, ale szybko zrezygnowała (ze względu na awaryjność) a jego rolę przejął silnik parowy. Próby z zastosowaniem tego napędu do autobusów nie były udane a przeszkodą było słabe chłodzenie wynikające z konieczności zastosowania dużych, zajmujących cenną przestrzeń w pojeździe, chłodnic. Ostatecznie znalazł zastosowanie w marynarce wojennej.
Silnik Stirlinga znalazł pracę jako źródło „cichego” napędu dla łodzi podwodnych typu Gotland. Jest odpowiedzialny za szybkie i bezgłośne pokonywanie morskich głębin. Coraz częściej mówi się, że będzie się sprawdzał jako generator prądu wykorzystujący do napędu wodę ze źródeł geotermalnych. Prąd z ciepłej wody? Tak, jest to możliwe. Silnik Stirlinga wykorzystujący jako niewyczerpane źródło ciepła radioaktywny izotop ma posłużyć do zasilania nowych sond kosmicznych, które NASA zbuduje i wyśle w kosmos w najbliższych latach.
4 – cylindrowy silnik Stirlinga
Źródło: elektro.info.pl
Ciekawostką są silniki o nazwie CHP, które wykorzystują pomysł Stirlinga do jednoczesnego wytwarzania energii oraz ciepła, dzięki czemu można ogrzewać i zasilać pomieszczenia budynku. Również polscy inżynierowie mają niewielki, ale wart wspomnienia wkład w rozwój tej konstrukcji. Beztłokowy, rotacyjny silnik WASE 2 konstrukcji Andrzeja Wąsowskiego wykorzystuje zasadę działania opracowaną przez Stirlinga, choć nosi wiele indywidualnych cech pomysłu autora. Jak dotąd żaden seryjny pojazd nie ma takiego napędu.
Podobne wpisy:
Kosmiczny świat Franco Scaglione, część pierwsza
Zwłoka(i) w bezpieczeństwie, część pierwsza
Z "Historią ... u rolnika" czyli historia ciągników rolniczych, część pierwsza
Hope Whisper - nadzieja w elektrykach
Winton - najszybszy w swoim czasie
Odzyskać energię
Ja też taki chcę!
Drogowy rozdrabniacz Marcela Leyata
Bezpośrednio zapchany
Z wykształcenia menedżer motoryzacji i informatyk, z zamiłowania historyk techniki i pasjonat starej motoryzacji. Maniak nowoczesnych technologii. Podobno zdolny autor tekstów (m.in. dla Continental Polska i Allegro). Czasem bloger i nauczyciel blogowania. Człowiek renesansu. Nauczyciel w zduńskowolskim „Elektroniku”.
