Tepelné motory

Co je to vlastnì motor? Strohá definice by mohla znít takto: hnací stroj umožòující pøemìnu urèitého druhu pøivádìné energie na energii mechanickou. Podle základních konstrukèních znakù se motory dìlí na pístové(spalovací motory),vznìtové,zážehové a parní motory, rotaèní (parní a vodní turbína vìtšina elektromotorù) a reaktivní (proudové motory, raketové motory). Podle druhu pøivádìné energie se motory dìlí na tepelné (parní a plynová turbína, spalovací motory), hydraulické (vodní turbíny, hydromotory), elektrické (elektromotory), pneumatické.

U parních motorù je pracovní látkou vodní pára, která se získává mimo vlastní motor, u spalovacích motorù je pracovní látkou plyn, vzniklý hoøením paliva uvnitø motoru.

Dnes nejrozšíøenìjším typem motoru je motor s vnitøním spalováním paliva, u nìhož se tepelná energie uvolòuje pøímo v pracovním prostoru motoru. Spálením paliva dochází k rozpínání plynù, které tlaèí na píst ve válci a uvádìjí ho do pohybu. Pøímoèarý vratný pohyb pístu se pøevádí klikovým mechanismem na rotaèní pohyb klikové høídele, jenž pohání kola. Podle druhu paliva rozeznáváme motory benzínové, plynové a naftové.

Spalovací motor vznikl v 19. století jako výsledek snahy inženýrù o nalezení náhrady za parní energii.

Uèinnost tepelných motorù

pro úèinnost motoru platí: ; T₁ je teplota páry (parní motor) nebo teplota plynu (spalovací motor), T₂ je teplota vycházející páry, výfukových plynù

urèuje hranici úèinnosti tepelných strojù

úèinnost tepelného stroje je tím vyšší, èím vyšší je teplota ohøívaèe a èím nižší je teplota chladièe

skuteèná úèinnost je vždy ovlivnìna urèitými ztrátami, takže je menší než

Tabulka úèinnosti nìkterých motorù

vysoká úèinnost raketových motorù je hlavnì zpùsobena vysokou teplotou plynù

vyšší úèinnost vznìtových motorù ve srovnání s zážehovými motory je hlavnì tím, že u vznìtových motorù se plyn zahøívá již kompresí a spalováním nafty se teplota ještì zvyšuje

Parní motory

Parní stroj je pístový tepelný stroj, pøemìòující tepelnou energii vodní páry na energii mechanickou, nejèastìji rotaèní pohyb.

Proti souèasným tepelným strojùm má velmi nízkou úèinnost pøemìny energie (maximálnì 30 %). Spolu s kotlem, který ná tepelnou úèinnost okolo 50 % je výsledná úèinnost (podle typu stroje a kotle) mezi 5 % – 15 %. To je proti spalovacím motorùm s bìžnì dosahovanou úèinností okolo 35 % nedostaèující.

Historie parního stroje

Vynález parního stroje je pøipisován Jamesi Wattovi v roce 1765. Ve skuteènosti Watt 'pouze' významnì zdokonalil stroje Thomase Saveryho a Thomase Newcomena. Jednalo se o stroje na principu kondenzace syté páry ve válci a využití síly vyvolané podtlakem k èerpání vody.V prùbìhu druhé poloviny 18. století si pak Watt nechal patentovat øadu vynálezù, které byly dále využity po celou éru parních strojù. Jmenujme napøíklad dvojèinný parní stroj, pøevod posuvného pohybu pístu na otáèivý, nebo Wattùv odstøedivý regulátor.V 19. století se parní stroj stal nejvýznamìjším zdrojem energie jak v prùmyslu, tak dopravì. Proto se tomuto století také øíká století páry. Dopravì kralovaly vlaky tažené parními lokomotivami, vody brázdily parníky, prùmyslové podniky mìly stroje pohánìné transmisemi od centrálního parního stroje, na polích se objevily parní oraèky a parní mlátièky. Ve 20. století význam parního stroje postupnì upadá. Z dopravy byl vytlaèen spalovacím motorem a z prùmyslu elektrickými stroji a parní turbínou. Nejdéle sloužily tìžní parní stroje, které v nìkterých dolech vydržely až do devadesátých let 20. století. V souèasnosti je možné se s provozem parních strojù setkat pøedevším u nostalgických jízd parních lokomotiv.

Popis práce

Pára z kotle je pøes regulátor vedena do šoupátkové komory a odtud je rozdìlována do válce. Tam svým tlakem zpùsobuje pohyb pístu. Použitá pára je pøes šoupátkovou komoru vypouštìna ven. Posuvný pohyb pístu je pøes pístní tyè, køižák a ojnici pøenášen na kliku, která posuvný pohyb pøevádí na rotaèní.

Schéma parního stroje

• 1. Píst
• 2. Pístní tyè
• 3. Køižák
• 4. Ojnice
• 5. Klika
• 6. Výstøedník
• 7. Setrvaèník
• 8. Šoupátko
• 9. Wattùv odstøedivý regulátor

Plnotlaké a expanzní stroje

Pokud je pára pøivádìna do válce po celou dobu pohybu pístu, mluvíme o plnotlakém parním stroji. Takové byly pøedevším první parní stroje. Pokud je pára vpouštìna jen po èást pohybu písti, mluvíme o expanzních strojích. Pomìr mezi celkovým objemem válce a objemem v okamžiku uzavøení pøívodu páry se nazývá plnìním. Obvyklá plnìní se pohybují mezi 100 % (plnotlaké stroje) a zhruba 10 – 20 %. Využití expanze páry umožnilo nìkolikanásobnì zvýšit úèinnost parního stroje. Dalším vývojovým stádiem pak bylo využití nìkolikanásobné expanze ve sdružených parních strojích.

Parním motorùm ještì neodzvonilo?

Nový typ parního motoru – uzavøený parní cyklus, nízkoemisní hoøení bez plamene v keramické pórovité látce : Parní èlánek – SteamCell

Dosud není komerèní produkt – prý 2007 (Infineon, Nìm.)

 Parní turbína

V parním stroji pára pohybuje pístem a pomocí ojnice a klikové høídele je takto vzniklá energie pøevádìna na samotný mechanismus. Èást energie se tudíž spotøebovala k pohonu tìchto souèástí. Mnohem efektivnìjší by ale bylo, kdyby tlak páry mohl otáèet koly bezprostøednì, podobnì jako dopadající voda roztáèí mlýnská kola. Potíž byla však v tom, že kola musela mít stálou vysokou rychlost, aby mìl parní stroj dobrý výkon.

Tento problém vyøešil vynález parní turbíny z roku 1884, na které se podíleli Anglièan Charles Parsons a Švéd C.G.Laval Zkonstruovali soustavu kol s lopatkami, na nìž dopadá pára a roztáèí je. Kola vzdálenìjší od zdroje páry jsou vìtší a kola, která jsou zdroji páry bližší, jsou menší. Potøebné rychlosti dosahuje pára expanzí v zúženém prùtokovém prùøezu. Tlak a teplota páry pøi expanzi stejnì jako u parního stroje klesají a pára se ochlazuje.Už první parní turbína se otáèela rychlostí 18 000 otáèek za minutu a další typy byly ještì výkonnìjší. Parní turbíny byly mnohem úèinìjší než parní stroje a jejich provoz byl levnìjší, což je pøedurèilo k rozsáhlému použití. Nahradili parní stroje v lodní dopravì a dodnes zùstává pára pohánìjící turbíny dùležitým prvkem pøi výrobì elektrické energie.

Ukázka obìžného kola parní turbíny:

Spalovací motor

Plynová turbína

Energetické zaøízení, v nìmž probíhá na základì adiabatické expanze pøemìna èásti vnitøní energie stlaèeného plynu na kinetickou energii rotoru. Spalovací plynové turbíny pracují v otevøeném cyklu. Nasátý atmosférický vzduch kompresor stlaèuje a vhání do spalovací komory, kde se vzduch míchá se zemním plynem. Spálením plynu vzniknou horké spaliny, které expandují v turbínì. Teplo výstupních spalin se využívá ve spalinovém kotli.

Princip èinnosti:

Vzduch vstupuje sacím hrdlem do kompresoru 1, z nìhož je vytlaèován do spalovacích komor 2. Zde se do nìj rozprašuje palivo. Teplem vzniklým pøi jeho spalování se nìkolikanásobnì zvìtší objem spalin, které velkou rychlostí proudí do turbín 3. Pøi prùchodu jim pøedávají znaènou èást energie a potom vystupují zmenšenou rychlostí do ovzduší.

Vznìtové motory

Vynálezcem je Rudolf Diesel. Nápad mu vnukla tzv. malajská trubice, což je vlastnì dobøe tìsnící trubièka s pístem na jejímž dnì je hoølavá látka. Stlaèením pístu vzniká v trubici velký tlak a vzduch se rychle zahøeje natolik, že se látka na dnì vznítí. Takovému jevu se øíká kompresní zapalování.

Princip vznìtového motoru:

Do stlaèeného rozžhaveného vzduchu (prudké adiabatické stlaèení) se vstøíkne hoølavá smìs, která se okamžitì zapálí. Pak následuje vypuštìní zplodin a nasátí nového vzduchu, který se opìt stlaèí.

Diesel si nechal svùj vynález patentovat a zakrátko ohromnì zbohatl. Jako palivo zkoušel olej na svícení nebo uhelný prach, prostì levné zdroje. Každá hoølavá látka se vznítí pøi takovém tlaku a teplotì. Nakonec nejlepší výsledky zaznamenal u nafty a tak se s malými obmìnami používá až dodnes.

Obrovská pøednost dieselových motorù spoèívá v jejich nejlepší tažné síle v nízkých otáèkách, což je velmi výhodné pro pøepravu tìžkého nákladu na velké vzdálenosti jako napøíklad pro vlaky. Navíc jsou na nì potøeba jen 50-ti procentní náklady a mají dvojnásobný pomìr úèinnosti než parní stroje, což tenkrát zpùsobilo revoluci na železnici. Další neménì velká výhoda dieselových motorù je v jejich úèinnosti. Pro porovnání – z uhlí je na páru využita asi jen jedna desetina, takže 90 % je na nic, nezužitkováno. Rudolf Diesel poèítal s tím, že jeho motory budou využívat palivo na 73 %, bohužel to byly jen teorie a pøání. V dobì svého vynalezení mìly diesely úèinnost okolo 20 %, dnes je to dokonce až 40 %. Byly však pøíliš obrovské a tìžké, èímž se staly nevhodnými pro dopravní prostøedky až do 20. Let našeho století. Roku 1923 bylo vyvinuto lehké vstøikovací èerpadlo, které se s malými obmìnami používá až dodnes snad ve všech strojích s dieselovými motory.

Pracovní fáze vznìtového motoru

1. sání - Píst se pohybuje smìrem dolù, pøes sací ventil je nasáván vzduch.
2. komprese - Píst se pohybuje smìrem vzhùru. Oba ventily jsou uzavøené. Nasátý vzduch zmenšuje svùj objem, zvìtšuje tlak a teplotu. Tìsnì pøed horní úvratí je do válce vstøíknuto palivo.
3. expanze - Oba ventily jsou uzavøené. Smìs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoøí. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynù. Ty expandují a bìhem pohybu pístu smìrem dolù konají práci.
4. výfuk - Píst se pohybuje smìrem vzhùru. Výfukový ventil je otevøený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlaèovány do výfukového potrubí.

Rùzné druhy vstøikování paliva do válce:

 Zážehové motory

Rozlišujeme je na dvoutaktní a ètyøtaktní. Poèet dob ne vždy závisí na poètu válcù, nebo napøíklad u Wartburgu mùžeme najít motor s tøemi válci, který pracuje na dvì doby. Je to nešastné øešení protože tento motor je ménì ekonomický a ekologický než jeho ètyøválcoví kolegové, kteøí vìtšinou pracují ve svých ètyøech dobách. Mùžeme však také narazit na jednoválec (napø. motorové pily roku 1926 vynalezena Andreasem Stihlem., sekaèky,…) nebo také šesti, osmi, dvanácti, šestnácti a dokonce i ètyøiadvacetiválec. Válce vždy pracují na ètyøi doby a jen si mezi sebou rozdìlí èas, takže napøíklad u ètyøiadvacetiválce se nachází vždy šest pístù v jedné fázi najednou.

Jako palivo zde poslouží benzin. U ètyøtaktù je benzin bez pøímìsí, ale v benzinu pro dvoutakty musí být obsaženo olovo. (Palivem v pístovém spalovacím motoru mùže být i kapalný plyn – princip funkce takového motoru je shodný jako u benzínového. Tímto plynem bývá nejèastìji propan-butan, ale mùže to být i vodík.)

Po druhé svìtové válce se zaèal dvoutaktní motor ve velkém vyrábìt ve finanènì zruinovaném Nìmecku, kde se za èas díky nìmu opìt zvedla ekonomická situace. Zaèali jej montovat do legendárních Trabantù. Jen tak pro zajímavost na rozebrání Trabantu potøebujeme dohromady pìt klíèù, motor vyndáme za 20 minut a lehce ho uzvedneme v rukou.

Pracovní fáze ètyøtaktního zážehového motoru

a) Sání – píst se pohybuje dolù a sacím ventilem je do válce nasávána smìs benzínu a vzduchu vytvoøená v karburátoru

b) Komprese (stlaèování) – píst se pohybuje nahoru a stlaèuje pohonnou smìs, když píst dosáhne horní polohy svíèka jiskrou zapálí smìs

c) Expanze (pracovní takt) – smìs shoøí, výsledný plyn stlaèí píst dolù

d) Výfuk – píst pøi pohybu nahoru vytlaèuje výfukovým ventilem spálený plyn

v praxi je v motoru nìkolik válcù spojených klikovou høídelí

Pracovní fáze dvoutaktního zážehového motoru

Dvoudobý motor – pracovní cyklus probíhá ve dvou taktech , nemá sací ani výfukový ventil, pøívod i výfuk paliva je zpùsoben pohybem pístu

e) pohyb pístu nahoru – komprese a saní

zapálení smìsi svíèkou

f) pohyb pístu dolù – expanze a výfuk

Wankelùv motor

Od zaèátku 20. století se objevují pokusy využívat rozpínání plynù mechanizmem, který by zaujímal menší prostor než mechanizmus s ojnicí a klikou a který by bylo možno zcela vyvážit. Tyto stroje jsou založeny na tom, že otáèející se díly jsou uspoøádány tak, aby plynulé a cyklické zvìtšování a zmenšování prostoru mezi válcem a pístem bylo vyvoláno výhradnì èástmi, jejichž tìžištì se rovnomìrnì otáèejí, takže jejich odstøedivou sílu je možno zcela kompenzovat. Takovéto stroje jsou zahrnuty pod spoleèný název rotaèní.

Jediné uspoøádání rotaèních strojù, které bylo dosud možno používat jako tepelné, zejména spalovací motory, je uspoøádání, které ve dvacátých až padesátých letech 20. století vyvinul Felix Wankel. V principu je Wanklovo uspoøádání rotaèního stroje založeno na tom, že úseèky, vycházející ze støedu kružnice a s ní pevnì spojené, pøi odvalování této kružnice po menší, v ní ležící kružnici, opisují svými vnìjšími koncovými body shodnou køivku, zvanou trochoida, pøièemž spojnice tìchto koncových bodù úseèek se plynule a cyklicky pøibližují a vzdalují vùèi opsané køivce a tak spolu s obloukem opsané køivky, ležícím mezi koncovými body úseèek, vymezují plochu s mìnící se velikostí.

Spojnice koncových bodù jsou nejlépe tvoøeny oblouky. Je zøejmé, že opsaná køivka tvoøí vnitøní obrys válce, zatímco obloukové spojnice koncových bodù tvoøí vnìjší obrys pístu. Vìtší, vnìjší kružnice je pak tvoøena rozteènou kružnici kola s vnitøním ozubením a menší, vnitøní kružnice je tvoøena rozteènou kružnici kola s vnìjším ozubením. Jsou-li úseèky dvì a uspoøádány na jedné pøímce, pak má píst dva vrcholy a pomìr prùmìrù kružnic èiní 2:1. Pøi tøech úseèkách vycházejících z jednoho støedu a pootoèených vùèi sobì o 120 stupòù má píst tøi vrcholy a tøi jejich spojnice a pomìr prùmìrù kružnic je 3:2, pøi ètyøech úseèkách pootoèených vùèi sobì o 90 stupòù má píst ètyøi vrcholy a ètyøi spojnice a pomìr prùmìrù kružnic je 4:3 atd. V prùbìhu vývoje se motor Wankel ustálil na provedení se tøemi vrcholy s pomìrem prùmìrù 3:2. Toto uspoøádání umožòuje, aby vždy bìhem 90 stupòù otoèení pístu došlo ke zmìnì objemu pracovního prostoru z minima na maximum a pøi následujícím otoèení o 90stupòù opìt z maxima na minimum. Pøi jednom otoèení pístu o 360stupòù pak postupnì probìhnou nad každým obloukem pístu samostatnì všechny ètyøi fáze ètyødobého cyklu.

Poté, co byl Wanklùv motor uveden na veøejnost, zakoupila licenci a zahájila jeho vývoj øada známých svìtových firem. Motor skuteènì splnil všechna oèekávání: byl podstatnì menší a lehèí než motory stejného výkonu a zejména ho bylo možno dokonale vyvážit. Pozdìji se však ukázaly také jeho nedostatky, jako nadmìrná spotøeba oleje a zejména již z principu, vinou sedel, vyplývající nevýhodný spalovací prostor a nemožnost vìtšího kompresního pomìru.

Ve svìtì si výrobu wankelova motoru pro automobily udržela japonská Mazda a ruská Lada. Mazda ho používá ve sportovních automobilech a Lada ve vozidlech ozbrojených složek Ruska. Ve sportovních automobilech vyšší spotøeba nehraje takovou roli a Rusko nemìlo nikdy nedostatek ropy. Po rùstu cen ropy v roce 1973 a zjištìní karcinogenity spálovaného oleje pak firmy, které také znaènì vsadily na wankelùv motor (NSU a Citroen) krachovaly.

Karcinogenní emise je v pøípadì Mazdy možné udržet pod požadovanou úrovní danou pøedpisy díky oxidaèním katalyzátorùm a v Rusku emise nikoho nezajímají.

Proudový motor

V pøední èásti motoru je vstupní ústrojí (turbodmychadlo), kterým do nìj vstupuje vzduch. Dále je kompresor, který vzduch stlaèuje; ten se tím zahøívá, a následnì putuje do spalovací komory. Do spalovací komory se také vstøikuje palivo. Zažehnutím smìsi se uvolní energie a vznikající horké plyny vycházejí ze spalovací komory, èímž roztáèejí turbínu v zadní èásti motoru. Turbína pøes høídel vedoucí podélnou osou motoru pohání kompresor a turbodmychadlo. Motor pracuje na principu Newtonowa zákona o akci a reakci – spaliny vycházející z motoru pùsobí silou opaèným smìrem na motor, který tím ženou vpøed.

Pùvodnì jednoproudé motory jsou v souèasnosti nahrazovány výkonnìjšími, úèinìjšími a ménì hluènìjšími motory dvouproudými, kde vzduch proudí i kolem motoru – zvyšuje tah, ochlazuje a snižuje hluènost k podstatnému zvýšení výkonu motoru je možné vstøikovat palivo do horkého tryskového výfuku.

Proudový motor potøebuje ke spalování paliva kyslík z ovzduší.

  

Raketový motor

Startující raketa se po startu hned neodlepí od zemì, což je dáno tím, že tah raketových motorù pøemáhá zpoèátku hlavnì hmotnost stroje. Protože se však nádrže na palivo se stoupáním rakety odlehèují, mùžeme vidìt, jak postupnì nabírá rychlost. Její rychlost se stále zvìtšuje až dosáhne rychlosti nutné k pøekonání zemské pøitažlivosti. Rakety musí mít motory pracující i ve vzduchoprázdnu.Rakety tedy nemají jen zásoby paliva, ale také zásoby kyslíku vìtšinou v tekuté formì, který se skladuje pøi velmi nízkých teplotách. Zásoby kyslíku úèinkují jako zápalná smìs. Palivo a zápalná smìs se nazývají propergoly-raketová paliva. Jsou-li pevné, znamená to, že jde o smìs pøipravenou již pøed použitím, jsou-li tekuté, veze si je raketa v oddìlených zásobnících. Moderní rakety mají vìtšinou raketové motory na kapalné palivo, které se dá lépe ovládat než tuhá paliva. Palivem je èasto letecký benzín. Motory na pevné palivo se používají u pomocných raketových motorù, které se po dosažení potøebné rychlosti odhazují. Spalování raketových paliv vyvíjí znaèné teplo, až 4 000 K. Což vysvìtluje jejich obrovskou výkonnost.

Stirlingùv motor -  „horkovzdušný“ motor s vnìjším spalováním (pøestup tepla)

            Velmi zajímavým typem tepelného stroje je tzv. Stirlingùv motor, který patentoval technicky založený skotský duchovní Stirling v roce 1816, tedy v dobì bouølivého vývoje parního stroje. V té dobì bylo mnoho smrtelných úrazù pøi explozích parních kotlù, proto Stirlingùv motor - pracující bez kotle a velmi tiše - byl velmi vyhovující, pøedevším pro malé jednotky, po kterých byla velká poptávka. V té dobì však byl vynalezen také elektromotor a když pøišel se svým lehkým motorem Benz, nemohl s ním teprve se vyvíjející Stirlingùv motor soutìžit, zejména pro užití pøi pohonu automobilù.

Stirling se však své myšlenky nevzdával a v roce 1843 pøedìlal ve skotském Dundee parní stroj na svùj systém. Pøi stejném výkonu 27 kW jako s párou spálil tento motor ménì uhlí a pracoval velmi tiše. Po pùl roce provozu však prasklo dno válce a tato závada se opakovala, proto se stroj pøedìlal zpìt na páru. Teplota, pøi které pracuje Stirlingùv motor je totiž vìtší a v té dobì nebyl k dispozici žádný vhodný žáruvzdorný materiál, který by problém odstranil a tak se uplatnil pouze pro menší výkony, zejména pro èerpání vody a nìkde pracuje dodnes.

            Teprve pøed druhou svìtovou válkou si Stirlingova motoru všimla holandská firma Philips, která hledala pro bezdrátové vysílací stanice malý generátor, který by nerušil vysílání zapalováním motoru. Zdokonalením celé konstrukce se podaøilo vytvoøit malý pøenosný agregát, vhodný i pro neelektrifikované rozvojové zemì, k jehož pohonu by staèilo jakékoli palivo. Svìtová válka a vybombardování závodu však na èas zastavilo vývoj a po válce rozvojem tranzistorù opadl zájem o malé agregáty. Firma Philips však experimentem zjistila, že pohání-li se Stirlingùv motor cizím zdrojem ve smìru otáèení, zaène teplota 'teplé' èásti válce klesat hluboko pod nulu. Dosáhlo se dokonce teploty 12°K tedy –231°C, což staèí nejen ke zkapalnìní vzduchu, ale i vodíku. Zaèalo se proto vyrábìt chladící zaøízení na tomto principu.

Boj o èistotu životního prostøedí a hrozba energetické krize znovu oživila zájem o Stirlingùv motor, pracující s plamenem, který hoøí spojitì v horké komoøe, takže produkce škodlivin (oxid uhelnatý a oxidy dusíku) je hluboko pod normou požadovaným limitem. Stirlingùv motor mùže pracovat i s využitím sluneèního záøení a vysokotepelného akumulátoru, tedy úplnì bez škodlivin a jakýchkoli odpadù. V nutném pøípadì lze využít k jeho pohonu jakéhokoli paliva a tedy, i pokud sluneèní energie nelze právì použít, není provoz ohrožen.

   Motor pracuje velmi tiše a mìkce i pøi nízkých otáèkách, což je pro automobilový motor velmi dùležité a navíc mazací olej nepøichází do styku s hoøícími plyny, takže se neznehodnocuje a odpadají jeho èasté výmìny. Spuštìní motoru je velmi snadné a spolehlivé, staèí zahøát hlavu válce na potøebnou teplotu. Novì vyvinuté a zdokonalené Stirlingovy motory druhé generace s regenerátorem dosahují pøi maximálním výkonu až 4000 otáèek za minutu a regenerátor umožòuje za 0,02 s zmìnit teplotu plynù o nìkolik set stupòù Celsia a zvyšuje úèinnost zaøízení, jehož 38 až 42% odpovídá nejlepším naftovým motorùm. Z toho vyplývá i pøíznivá spotøeba pohonných hmot a proto se tyto motory zkoušely v autobusech DAF a MAN, pøièemž byl oceòován i jejich velmi tichý chod.

Konstrukce:

Stirlingùv motor dva pracovní prostory, mezi nimiž mùže volnì proudit plyn (je v nich prakticky stejný tlak). Jeden z prostorù je studený, druhý horký. Øeší se to buï pøímým ohøíváním a chlazením komor (viz pracovní cyklus), nebo, a to èastìji, vnìjším ohøívaèem a chladièem. Mezi ohøívaèem a chladièem je obvykle zaøazen ještì regenerátor, akumulující teplo plynu procházejícího z ohøívaèe do chladièe nebo naopak.

Tohoto motoru existuje mnoho modifikací - písty mohou být v samostatných válcích, nebo v jednom válci spoleèném, kdy jeden z pístù pracuje v dvojèinném režimu.

1. Oba písty se pohybují spoleènì, expandující zahøátý plyn v horkém prostoru koná práci

2. Øídící píst zaèíná vytlaèovat plyn z horkého do studeného prostoru prostoru

3. Pracovní píst zaèíná stlaèovat plyn ve studeném prostoru (jeho tlak ochlazením klesl)

4. studený plyn je stlaèen, proniká do horkého prostoru aby tam po zahøátí zaèal expandovat

Pro pochopení základního principu uvedu schéma dvou starších typù Stirlingova teplovzdušného motoru s pøehánìèem a oddìleným pracovním válcem.

Pracovní plyn:

Jako pracovní plyn se nejprve používal obyèejný vzduch, nejlepších vlastností a úèinnosti, které nemá ani hélium, se však dosahuje pøi užití vodíku. Pracovní plyn je dnes v motoru pod tlakem 15 až 20 MPa. Zdokonalením konstrukce a pøidáním regenerátorù tepla pracovního plynu, se úèinnost zaøízení dále zvyšuje a to podstatným zpùsobem.

Úèinnost

Je též závislá na rychlosti otáèek, což vyplývá z cyklu zahøívání a chlazení plynu, jehož èas se na jednotlivé fáze zahøívání a chlazení s poètem otáèek snižuje a to má za dùsledek snížení úèinnosti. Motor, který jako pracovního plynu využívá vodíku, o výkonu 52 kW/dm3 má pøi 1500 otáèek za minutu úèinnost 35%. Snížením otáèek na 500 min–1 se úèinnost zvýší na 46%. U válcù menších rozmìrù jsou pøi vysokých otáèkách (až 5000 min–1) pomìry pøíznivìjší.

V souèasné dobì 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 úèinnosti a výkonu. Výkon Stirlingova motoru lze rychle regulovat zmìnou množství pracovního média. Pøi snižování výkonu se vodík z válce vypouští do nízkotlaké nádrže a snížení výkonu je dosaženo za 0,3 s. Z nízkotlaké nádrže je pøeèerpáván do vysokotlaké a jeho vstøíknutím zpìt do válce se dosáhne plného výkonu za 0,6 s. Zahøívací doba motoru je asi 15 vteøin a na chlazení èástí válcù se používá chladící kapalina. Nejrozsáhlejší zkoušky se Stirlingovy motory provádìly spoleènosti General Motors a Ford. Také švédská firma United Stirling vyvíjí motory tohoto typu pro automobilové úèely.

Výhody a nevýhody:

Hlavní výhodou je skuteènost, že tento motor mùže pracovat s nejrùznìjšími zdroji vnìjší tepelné energie. Od geotermální èi solární poèínaje a konèe fosilními palivy èi biomasou. Energetická úèinnost se u motorù s výkonem 1 až 25 kW pohybuje v rozmezí 25 až 33%. Dalšími výhodami jsou tichý chod, vysoká životnost èi minimální možnost poruchy.

Nevýhodou je špatná regulovatelnost a malá pohotovost k provozu. Potøebuje také pomìrnì velký chladiè s výkonným ventilátorem a pro dosažení vysoké úèinnosti musí pracovat s vysokými tlaky plynu. Používá se tedy vìtšinou jako stacionární motor.

Hlavní charakteristiky Stirlingova motoru:

uzavøený pracovní prostor, ve kterém probíhá optimální termodynamický proces

nízké emise škodlivin (obdobné hodnoty nevykazuje žádný srovnatelný systém)

dlouhé intervaly údržby (5.000 - 8.000 hod., výhledovì 10.000 hod.)

ideální technologické i ekonomické øešení.

S moderními poznatky a novými materiály nastává renezance tìchto motorù. Zejména pro tu jejich vlastnost, že dokáží využívat odpadní teplo a mìnit je na mechanickou práci, aniž by pøi tom vznikal odpad zatìžující životní prostøedí. Jinou možností je použití øízeného spalování tuhých paliv (pilinové brikety, spalovny odpadù) nebo teploty v ohnisku zrcadlových solárních systémù. Vhodnìjší plyny s vìtší tepelnou vodivostí (vodík) místo vzduchu výraznì zvyšují úèinnost. Kvalitní žáruvzdorné oceli umožòují ohøev až na 1000°C. Jeho mechanická konstrukce i koncepce se oproti pùvodním typùm zcela zmìnila. Za tìchto podmínek se stává Stirlingùv motor vážným konkurentem souèasných stabilních spalovacích motorù na kapalná paliva. Vývoj a výzkum tohoto motoru stále pokraèuje.

Závìr:

Tento èlánek samozøejmì neobsahuje všechny druhy a vlastnosti tepelných motorù, protože o každém druhu motoru by se dala napsat samostatná práce.

Napøíklad v oblasti raketových motorù v souèasné dobì probíhají práce na zlepšování starých a vývoji nových chemických raketových motorù (Aerospike) a na vývoji nových fyzikálních motorù, z nichž mají zatím zøejmì nejvìtší šanci elektrostatické a plazmové. Pokud se podaøí zvládnout otázku získávání velkého množství elektrické energie, mohou nastoupit i vysoce výkonné motory elektrotermální.

Práce má za cíl pøiblížit vývoj a èinnost motorù a pomoci uvìdomit si nìkteré fyzikální závislosti.

Použité prameny:

www.energyweb.cz

cs.wikipedia.org/

www.keveney.com/Engines.html

www.infineon.de

www.automobil.cz

www.stirling-engine.de      

www.enginion.com