Tepelné motory

Co je to vlastně motor? Strohá definice by mohla znít takto: hnací stroj umožňující přeměnu určitého druhu přiváděné energie na energii mechanickou. Podle základních konstrukčních znaků se motory dělí na pístové(spalovací motory),vznětové,zážehové a parní motory, rotační (parní a vodní turbína většina elektromotorů) a reaktivní (proudové motory, raketové motory). Podle druhu přiváděné energie se motory dělí na tepelné (parní a plynová turbína, spalovací motory), hydraulické (vodní turbíny, hydromotory), elektrické (elektromotory), pneumatické.

U parních motorů je pracovní látkou vodní pára, která se získává mimo vlastní motor, u spalovacích motorů je pracovní látkou plyn, vzniklý hořením paliva uvnitř motoru.

Dnes nejrozšířenějším typem motoru je motor s vnitřním spalováním paliva, u něhož se tepelná energie uvolňuje přímo v pracovním prostoru motoru. Spálením paliva dochází k rozpínání plynů, které tlačí na píst ve válci a uvádějí ho do pohybu. Přímočarý vratný pohyb pístu se převádí klikovým mechanismem na rotační pohyb klikové hřídele, jenž pohání kola. Podle druhu paliva rozeznáváme motory benzínové, plynové a naftové.

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

Učinnost tepelných motorů

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

určuje hranici účinnosti tepelných strojů

účinnost tepelného stroje je tím vyšší, čím vyšší je teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladiče

skutečná účinnost je vždy ovlivněna určitými ztrátami, takže je menší než

Tabulka účinnosti některých motorů

vysoká účinnost raketových motorů je hlavně způsobena vysokou teplotou plynů

vyšší účinnost vznětových motorů ve srovnání s zážehovými motory je hlavně tím, že u vznětových motorů se plyn zahřívá již kompresí a spalováním nafty se teplota ještě zvyšuje

Parní motory

Parní stroj je pístový tepelný stroj, přeměňující tepelnou energii vodní páry na energii mechanickou, nejčastěji rotační pohyb.

Proti současným tepelným strojům má velmi nízkou účinnost přeměny energie (maximálně 30 %). Spolu s kotlem, který ná tepelnou účinnost okolo 50 % je výsledná účinnost (podle typu stroje a kotle) mezi 5 % – 15 %. To je proti spalovacím motorům s běžně dosahovanou účinností okolo 35 % nedostačující.

Historie parního stroje

Vynález parního stroje je připisován Jamesi Wattovi v roce 1765. Ve skutečnosti Watt 'pouze' významně zdokonalil stroje Thomase Saveryho a Thomase Newcomena. Jednalo se o stroje na principu kondenzace syté páry ve válci a využití síly vyvolané podtlakem k čerpání vody.V průběhu druhé poloviny 18. století si pak Watt nechal patentovat řadu vynálezů, které byly dále využity po celou éru parních strojů. Jmenujme například dvojčinný parní stroj, převod posuvného pohybu pístu na otáčivý, nebo Wattův odstředivý regulátor.V 19. století se parní stroj stal nejvýznamějším zdrojem energie jak v průmyslu, tak dopravě. Proto se tomuto století také říká století páry. Dopravě kralovaly vlaky tažené parními lokomotivami, vody brázdily parníky, průmyslové podniky měly stroje poháněné transmisemi od centrálního parního stroje, na polích se objevily parní oračky a parní mlátičky. Ve 20. století význam parního stroje postupně upadá. Z dopravy byl vytlačen spalovacím motorem a z průmyslu elektrickými stroji a parní turbínou. Nejdéle sloužily těžní parní stroje, které v některých dolech vydržely až do devadesátých let 20. století. V současnosti je možné se s provozem parních strojů setkat především u nostalgických jízd parních lokomotiv.

Popis práce

Pára z kotle je přes regulátor vedena do šoupátkové komory a odtud je rozdělována do válce. Tam svým tlakem způsobuje pohyb pístu. Použitá pára je přes šoupátkovou komoru vypouštěna ven. Posuvný pohyb pístu je přes pístní tyč, křižák a ojnici přenášen na kliku, která posuvný pohyb převádí na rotační.

Schéma parního stroje

• 1. Píst
• 2. Pístní tyč
• 3. Křižák
• 4. Ojnice
• 5. Klika
• 6. Výstředník
• 7. Setrvačník
• 8. Šoupátko
• 9. Wattův odstředivý regulátor

Plnotlaké a expanzní stroje

Pokud je pára přiváděna do válce po celou dobu pohybu pístu, mluvíme o plnotlakém parním stroji. Takové byly především první parní stroje. Pokud je pára vpouštěna jen po část pohybu písti, mluvíme o expanzních strojích. Poměr mezi celkovým objemem válce a objemem v okamžiku uzavření přívodu páry se nazývá plněním. Obvyklá plnění se pohybují mezi 100 % (plnotlaké stroje) a zhruba 10 – 20 %. Využití expanze páry umožnilo několikanásobně zvýšit účinnost parního stroje. Dalším vývojovým stádiem pak bylo využití několikanásobné expanze ve sdružených parních strojích.

Parním motorům ještě neodzvonilo?

Nový typ parního motoru – uzavřený parní cyklus, nízkoemisní hoření bez plamene v keramické pórovité látce : Parní článek – SteamCell

Dosud není komerční produkt – prý 2007 (Infineon, Něm.)

 Parní turbína

V parním stroji pára pohybuje pístem a pomocí ojnice a klikové hřídele je takto vzniklá energie převáděna na samotný mechanismus. Část energie se tudíž spotřebovala k pohonu těchto součástí. Mnohem efektivnější by ale bylo, kdyby tlak páry mohl otáčet koly bezprostředně, podobně jako dopadající voda roztáčí mlýnská kola. Potíž byla však v tom, že kola musela mít stálou vysokou rychlost, aby měl parní stroj dobrý výkon.

Tento problém vyřešil vynález parní turbíny z roku 1884, na které se podíleli Angličan Charles Parsons a Švéd C.G.Laval Zkonstruovali soustavu kol s lopatkami, na něž dopadá pára a roztáčí je. Kola vzdálenější od zdroje páry jsou větší a kola, která jsou zdroji páry bližší, jsou menší. Potřebné rychlosti dosahuje pára expanzí v zúženém průtokovém průřezu. Tlak a teplota páry při expanzi stejně jako u parního stroje klesají a pára se ochlazuje.Už první parní turbína se otáčela rychlostí 18 000 otáček za minutu a další typy byly ještě výkonnější. Parní turbíny byly mnohem účinější než parní stroje a jejich provoz byl levnější, což je předurčilo k rozsáhlému použití. Nahradili parní stroje v lodní dopravě a dodnes zůstává pára pohánějící turbíny důležitým prvkem při výrobě elektrické energie.

Ukázka oběžného kola parní turbíny:

Spalovací motor

Plynová turbína

Energetické zařízení, v němž probíhá na základě adiabatické expanze přeměna části vnitřní energie stlačeného plynu na kinetickou energii rotoru. Spalovací plynové turbíny pracují v otevřeném cyklu. Nasátý atmosférický vzduch kompresor stlačuje a vhání do spalovací komory, kde se vzduch míchá se zemním plynem. Spálením plynu vzniknou horké spaliny, které expandují v turbíně. Teplo výstupních spalin se využívá ve spalinovém kotli.

Princip činnosti:

Vzduch vstupuje sacím hrdlem do kompresoru 1, z něhož je vytlačován do spalovacích komor 2. Zde se do něj rozprašuje palivo. Teplem vzniklým při jeho spalování se několikanásobně zvětší objem spalin, které velkou rychlostí proudí do turbín 3. Při průchodu jim předávají značnou část energie a potom vystupují zmenšenou rychlostí do ovzduší.

Vznětové motory

Vynálezcem je Rudolf Diesel. Nápad mu vnukla tzv. malajská trubice, což je vlastně dobře těsnící trubička s pístem na jejímž dně je hořlavá látka. Stlačením pístu vzniká v trubici velký tlak a vzduch se rychle zahřeje natolik, že se látka na dně vznítí. Takovému jevu se říká kompresní zapalování.

Princip vznětového motoru:

Do stlačeného rozžhaveného vzduchu (prudké adiabatické stlačení) se vstříkne hořlavá směs, která se okamžitě zapálí. Pak následuje vypuštění zplodin a nasátí nového vzduchu, který se opět stlačí.

Diesel si nechal svůj vynález patentovat a zakrátko ohromně zbohatl. Jako palivo zkoušel olej na svícení nebo uhelný prach, prostě levné zdroje. Každá hořlavá látka se vznítí při takovém tlaku a teplotě. Nakonec nejlepší výsledky zaznamenal u nafty a tak se s malými obměnami používá až dodnes.

Obrovská přednost dieselových motorů spočívá v jejich nejlepší tažné síle v nízkých otáčkách, což je velmi výhodné pro přepravu těžkého nákladu na velké vzdálenosti jako například pro vlaky. Navíc jsou na ně potřeba jen 50-ti procentní náklady a mají dvojnásobný poměr účinnosti než parní stroje, což tenkrát způsobilo revoluci na železnici. Další neméně velká výhoda dieselových motorů je v jejich účinnosti. Pro porovnání – z uhlí je na páru využita asi jen jedna desetina, takže 90 % je na nic, nezužitkováno. Rudolf Diesel počítal s tím, že jeho motory budou využívat palivo na 73 %, bohužel to byly jen teorie a přání. V době svého vynalezení měly diesely účinnost okolo 20 %, dnes je to dokonce až 40 %. Byly však příliš obrovské a těžké, čímž se staly nevhodnými pro dopravní prostředky až do 20. Let našeho století. Roku 1923 bylo vyvinuto lehké vstřikovací čerpadlo, které se s malými obměnami používá až dodnes snad ve všech strojích s dieselovými motory.

Pracovní fáze vznětového motoru

1. sání - Píst se pohybuje směrem dolů, přes sací ventil je nasáván vzduch.
2. komprese - Píst se pohybuje směrem vzhůru. Oba ventily jsou uzavřené. Nasátý vzduch zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je do válce vstříknuto palivo.
3. expanze - Oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci.
4. výfuk - Píst se pohybuje směrem vzhůru. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí.

Různé druhy vstřikování paliva do válce:

 Zážehové motory

Rozlišujeme je na dvoutaktní a čtyřtaktní. Počet dob ne vždy závisí na počtu válců, neboť například u Wartburgu můžeme najít motor s třemi válci, který pracuje na dvě doby. Je to nešťastné řešení protože tento motor je méně ekonomický a ekologický než jeho čtyřválcoví kolegové, kteří většinou pracují ve svých čtyřech dobách. Můžeme však také narazit na jednoválec (např. motorové pily roku 1926 vynalezena Andreasem Stihlem., sekačky,…) nebo také šesti, osmi, dvanácti, šestnácti a dokonce i čtyřiadvacetiválec. Válce vždy pracují na čtyři doby a jen si mezi sebou rozdělí čas, takže například u čtyřiadvacetiválce se nachází vždy šest pístů v jedné fázi najednou.

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

Po druhé světové válce se začal dvoutaktní motor ve velkém vyrábět ve finančně zruinovaném Německu, kde se za čas díky němu opět zvedla ekonomická situace. Začali jej montovat do legendárních Trabantů. Jen tak pro zajímavost na rozebrání Trabantu potřebujeme dohromady pět klíčů, motor vyndáme za 20 minut a lehce ho uzvedneme v rukou.

Pracovní fáze čtyřtaktního zážehového motoru

a) Sání – píst se pohybuje dolů a sacím ventilem je do válce nasávána směs benzínu a vzduchu vytvořená v karburátoru

b) Komprese (stlačování) – píst se pohybuje nahoru a stlačuje pohonnou směs, když píst dosáhne horní polohy svíčka jiskrou zapálí směs

c) Expanze (pracovní takt) – směs shoří, výsledný plyn stlačí píst dolů

d) Výfuk – píst při pohybu nahoru vytlačuje výfukovým ventilem spálený plyn

v praxi je v motoru několik válců spojených klikovou hřídelí

Pracovní fáze dvoutaktního zážehového motoru

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

e) pohyb pístu nahoru – komprese a saní

zapálení směsi svíčkou

f) pohyb pístu dolů – expanze a výfuk

Wankelův motor

Od začátku 20. století se objevují pokusy využívat rozpínání plynů 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 otáčející se díly jsou uspořádány tak, aby plynulé a cyklické zvětšování a zmenšování prostoru mezi válcem a pístem bylo vyvoláno výhradně částmi, jejichž těžiště se rovnoměrně otáčejí, takže jejich odstředivou sílu je možno zcela kompenzovat. Takovéto stroje jsou zahrnuty pod společný název rotační.

Jediné uspořádání rotačních strojů, které bylo dosud možno používat jako tepelné, zejména spalovací motory, je uspořádání, které ve dvacátých až padesátých letech 20. století vyvinul Felix Wankel. V principu je Wanklovo uspořádání rotačního stroje založeno na tom, že úsečky, vycházející ze středu kružnice a s ní pevně spojené, při odvalování této kružnice po menší, v ní ležící kružnici, opisují svými vnějšími koncovými body shodnou křivku, zvanou trochoida, přičemž spojnice těchto koncových bodů úseček se plynule a cyklicky přibližují a vzdalují vůči opsané křivce a tak spolu s obloukem opsané křivky, ležícím mezi koncovými body úseček, vymezují plochu s měnící se velikostí.

Spojnice koncových bodů jsou nejlépe tvořeny oblouky. Je zřejmé, že opsaná křivka tvoří vnitřní obrys válce, zatímco obloukové spojnice koncových bodů tvoří vnější obrys pístu. Větší, vnější kružnice je pak tvořena roztečnou kružnici kola s vnitřním ozubením a menší, vnitřní kružnice je tvořena roztečnou kružnici kola s vnějším ozubením. Jsou-li úsečky dvě a uspořádány na jedné přímce, pak má píst dva vrcholy a poměr průměrů kružnic činí 2:1. Při třech úsečkách vycházejících z jednoho středu a pootočených vůči sobě o 120 stupňů má píst tři vrcholy a tři jejich spojnice a poměr průměrů kružnic je 3:2, při čtyřech úsečkách pootočených vůči sobě o 90 stupňů má píst čtyři vrcholy a čtyři spojnice a poměr průměrů kružnic je 4:3 atd. V průběhu vývoje se motor Wankel ustálil na provedení se třemi vrcholy s poměrem průměrů 3:2. Toto uspořádání umožňuje, aby vždy během 90 stupňů otočení pístu došlo ke změně objemu pracovního prostoru z minima na maximum a při následujícím otočení o 90stupňů opět z maxima na minimum. Při jednom otočení pístu o 360stupňů pak postupně proběhnou nad každým obloukem pístu samostatně všechny čtyři fáze čtyřdobého cyklu.

Poté, co byl Wanklův motor uveden na veřejnost, zakoupila licenci a zahájila jeho vývoj řada známých světových firem. Motor skutečně splnil všechna očekávání: byl podstatně menší a lehčí než motory stejného výkonu a zejména ho bylo možno dokonale vyvážit. Později se však ukázaly také jeho nedostatky, jako nadměrná spotřeba oleje a zejména již z principu, vinou sedel, vyplývající nevýhodný spalovací prostor a nemožnost většího kompresního poměru.

Ve světě 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 spotřeba nehraje takovou roli a Rusko nemělo nikdy nedostatek ropy. Po růstu cen ropy v roce 1973 a zjištění karcinogenity spálovaného oleje pak firmy, které také značně vsadily na wankelův motor (NSU a Citroen) krachovaly.

Karcinogenní emise je v případě Mazdy možné udržet pod požadovanou úrovní danou předpisy díky oxidačním katalyzátorům a v Rusku emise nikoho nezajímají.

Proudový motor

V přední části motoru je vstupní ústrojí (turbodmychadlo), kterým do něj vstupuje vzduch. Dále je kompresor, který vzduch stlačuje; ten se tím zahřívá, a následně putuje do spalovací komory. Do spalovací komory se také vstřikuje palivo. Zažehnutím směsi se uvolní energie a vznikající horké plyny vycházejí ze spalovací komory, čímž roztáčejí turbínu v zadní části motoru. Turbína přes hřídel vedoucí podélnou osou motoru pohání kompresor a turbodmychadlo. Motor pracuje na principu Newtonowa zákona o akci a reakci – spaliny vycházející z motoru působí silou opačným směrem na motor, který tím ženou vpřed.

Původně jednoproudé motory jsou v současnosti nahrazovány výkonnějšími, účinějšími a méně hlučnějšími motory dvouproudými, kde vzduch proudí i kolem motoru – zvyšuje tah, ochlazuje a snižuje hlučnost k podstatnému zvýšení výkonu motoru je možné vstřikovat palivo do horkého tryskového výfuku.

Proudový motor potřebuje ke spalování paliva kyslík z ovzduší.

  

Raketový motor

Startující raketa se po startu hned neodlepí od země, což je dáno tím, že tah raketových motorů přemáhá zpočátku hlavně hmotnost stroje. Protože se však nádrže na palivo se stoupáním rakety odlehčují, můžeme vidět, jak postupně nabírá rychlost. Její rychlost se stále zvětšuje až dosáhne rychlosti nutné k překonání zemské přitažlivosti. Rakety musí mít motory pracující i ve vzduchoprázdnu.Rakety tedy nemají jen zásoby paliva, ale také zásoby kyslíku většinou v tekuté formě, který se skladuje při velmi nízkých teplotách. Zásoby kyslíku účinkují jako zápalná směs. Palivo a zápalná směs se nazývají propergoly-raketová paliva. Jsou-li pevné, znamená to, že jde o směs připravenou již před použitím, jsou-li tekuté, veze si je raketa v oddělených zásobnících. Moderní rakety mají většinou raketové motory na kapalné palivo, které se dá lépe ovládat než tuhá paliva. Palivem je často letecký benzín. Motory na pevné palivo se používají u pomocných raketových motorů, které se po dosažení potřebné rychlosti odhazují. Spalování raketových paliv vyvíjí značné teplo, až 4 000 K. Což vysvětluje jejich obrovskou výkonnost.

Stirlingův motor -  „horkovzdušný“ motor s vnějším spalováním (přestup tepla)

            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 motoru 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 Philips 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.

Konstrukce:

Stirlingův motor dva pracovní prostory, mezi nimiž může volně proudit plyn (je v nich prakticky stejný tlak). Jeden z prostorů je studený, druhý horký. Řeší se to buď přímým ohříváním a chlazením komor (viz pracovní cyklus), nebo, a to častěji, vnějším ohřívačem a chladičem. Mezi ohřívačem a chladičem je obvykle zařazen ještě regenerátor, akumulující teplo plynu procházejícího z ohřívače do chladiče nebo naopak.

Tohoto motoru existuje mnoho modifikací - písty mohou být v samostatných válcích, nebo v jednom válci společném, kdy jeden z pístů pracuje v dvojčinném režimu.

1. Oba písty se pohybují společně, expandující zahřátý plyn v horkém prostoru koná práci

2. Řídící píst začíná vytlačovat plyn z horkého do studeného prostoru prostoru

3. Pracovní píst začíná stlačovat plyn ve studeném prostoru (jeho tlak ochlazením klesl)

4. studený plyn je stlačen, proniká do horkého prostoru aby tam po zahřátí začal expandovat

Pro pochopení základního principu uvedu schéma dvou starších typů Stirlingova teplovzdušného motoru s přeháněčem a odděleným pracovním válcem.

Pracovní plyn:

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.

Výhody a nevýhody:

Hlavní výhodou je skutečnost, že tento motor může pracovat s nejrůznějšími zdroji vnější tepelné energie. Od geotermální či solární počínaje a konče fosilními palivy či biomasou. Energetická účinnost se u motorů s výkonem 1 až 25 kW pohybuje v rozmezí 25 až 33%. Dalšími výhodami jsou tichý chod, vysoká životnost či minimální možnost poruchy.

Nevýhodou je špatná regulovatelnost a malá pohotovost k provozu. Potřebuje také poměrně velký chladič s výkonným ventilátorem a pro dosažení vysoké účinnosti musí pracovat s vysokými tlaky plynu. Používá se tedy většinou jako stacionární motor.

Hlavní charakteristiky Stirlingova motoru:

uzavřený 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., výhledově 10.000 hod.)

ideální technologické i ekonomické řešení.

S moderními poznatky a novými materiály nastává renezance těchto motorů. Zejména pro tu jejich vlastnost, že dokáží využívat odpadní teplo a měnit je na mechanickou práci, aniž by při tom vznikal odpad zatěžující životní prostředí. Jinou možností je použití řízeného spalování tuhých paliv (pilinové brikety, spalovny odpadů) nebo teploty v ohnisku zrcadlových solárních systémů. Vhodnější plyny s větší tepelnou vodivostí (vodík) místo vzduchu výrazně zvyšují účinnost. Kvalitní žáruvzdorné oceli umožňují ohřev až na 1000°C. Jeho mechanická konstrukce i koncepce se oproti původním typům zcela změnila. Za těchto podmínek se stává Stirlingův motor vážným konkurentem současných stabilních spalovacích motorů na kapalná paliva. Vývoj a výzkum tohoto motoru stále pokračuje.

Závěr:

Tento článek samozřejmě neobsahuje všechny druhy a vlastnosti tepelných motorů, protože o každém druhu motoru by se dala napsat samostatná práce.

Například v oblasti raketových motorů v současné době probíhají práce na zlepšování starých a vývoji nových chemických raketových motorů (Aerospike) a na vývoji nových fyzikálních motorů, z nichž mají zatím zřejmě největší šanci elektrostatické a plazmové. Pokud se podaří zvládnout otázku získávání velkého množství elektrické energie, mohou nastoupit i vysoce výkonné motory elektrotermální.

Práce má za cíl přiblížit vývoj a činnost motorů a pomoci uvědomit si některé 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