We współczesnych samochodach osobowych to zazwyczaj silnik spalinowy, silnik elektryczny lub ich połączenie odpowiada za wytwarzanie energii kinetycznej potrzebnej do jazdy. Istnieje jednak inny rodzaj źródła energii, którego wydajność jest znacznie lepsza niż jakiegokolwiek silnika spalinowego. W tym artykule pokażemy, dlaczego silnik Stirlinga przewyższa wszystkich swoich konkurentów i jakie są powody, dla których wciąż przegrywa w walce o rynki takie jak przemysł motoryzacyjny.

Jak wynaleziono i rozwijano silnik Stirlinga?

Historia silnika Stirlinga jest co najmniej tak wyjątkowa, jak sam silnik. Pierwsze wzmianki na jego temat pochodzą z 1699 r. i przypisywane są francuskiemu inżynierowi Guillaume’owi Amontonsowi. Przedstawiona tam maszyna napędzana jest pneumatycznie, co zbiegło się w czasie (i pewnie nieprzypadkowo) z ówczesnym rozwojem badań nad właściwościami gazów. Możliwość praktycznego zastosowania zależała jednak od technologii produkcyjnej, która w tamtym czasie była niewystarczająca do wytworzenia silnika Stirlinga. Choć silnik został nazwany na cześć Roberta Stirlinga, to w rzeczywistości pierwszy działający egzemplarz pneumatycznego silnika Stirlinga został zbudowany w 1807 r. przez Sir George’a Caleya. Robert Stirling miał wtedy zaledwie 17 lat i miał zostać pastorem, choć cała jego rodzina działała w branży inżynieryjnej. Studiował teologię na Uniwersytecie w Edynburgu, uzyskując dyplom w 1809 r. Pomimo powołania duchownego Stirling interesował sie nowinkami technicznymi, regularnie wykonując prace inżynieryjne, a także uczęszczał na kursy techniczne.

W 1816 r. uzyskał on patent na opracowany przez siebie silnik. Mimo że Caley osiągnął to samo 9 lat wcześniej, to ich silniki działały zupełnie inaczej pod względem przepływu powietrza, dlatego nie zostały uznane za identyczne. W tym też roku Stirling zarejestrował kolejny patent na powiązane urządzenie o nazwie „Economiser”, którego zasadniczą funkcją była poprawa wydajności silnika. Pod względem technicznym „Economiser” można uznać za prekursora regeneracyjnego wymiennika ciepła. Robert Stirling następnie kontynuował współpracę z bratem Jamesem, inżynierem z zawodu, która to współpraca zaowocowała w 1827 r. patentem na kolejny silnik, którego najważniejszym ulepszeniem konstrukcyjnym była pompa sprężonego powietrza, dzięki której możliwe było znaczne zwiększenie ciśnienia wewnątrz układu. Cel był jasny: pokonać silniki parowe. W latach trzydziestych XIX w. powstało kilka firm zajmujących się silnikami pneumatycznymi, ale wynalazek Stirlinga wyróżniał się spośród wielu, między innymi dzięki wspomnianemu „economiserowi”. Dzięki kilku ulepszeniom wydajności, w latach czterdziestych XIX w. możliwe było zastąpienie silników parowych w niektórych zastosowaniach. Chociaż silniki parowe były znacznie bardziej zaawansowane i większe, ich wydajność (10%) była mniejsza niż w przypadku silnika Stirlinga. W połowie stulecia osiągały one moc rzędu 45-50 koni mechanicznych.

Na jakiej zasadzie działa silnik Stirlinga?

Silniki pneumatyczne zapewniały nie tylko większą wydajność, ale także większe bezpieczeństwo pracy. Wysokie ciśnienie robocze silników parowych oraz możliwe wady produkcyjne, montażowe lub materiałowe często powodowały eksplozje, które niejednokrotnie kończyły się śmiercią. Podczas gdy maszyny według konstrukcji Otta i Diesla są silnikami spalania wewnętrznego, to wynalazek Stirlinga jest silnikiem spalania zewnętrznego. W urządzeniu tym znajduje się gaz o określonej masie (wodór, hel lub powietrze), odizolowany od otoczenia. W tym miejscu należałoby zatrzymać się na chwilę nad prawami pracy gazu, ponieważ dyktują one parametry gazu (ciśnienie, objętość, temperatura) w silniku Stirlinga. W wyniku ogrzewania wzrasta ciśnienie gazu. W rezultacie po osiągnięciu odpowiedniego ciśnienia zaczyna się on rozprężać, wprawiając w ruch tłok i wykonując tym samym pracę mechaniczną. Pod koniec cyklu pracy gaz jest schładzany, jego ciśnienia spada, przez co do ponownego sprężenia wymagana będzie mniejsza praca, co prowadzi do uzyskania dodatniego bilansu energetyczny. Przepływ gazu między wymiennikami ciepła do ogrzewania i chłodzenia powtarza się cyklicznie. Ponieważ gaz używany do pracy nie opuszcza silnika, nie ma potrzeby stosowania zaworów, więc sterowanie silnikiem – a także całą konstrukcją – jest znacznie prostsze.

Charakterystyka silnika Stirlinga

Teoretycznie cykl Carnota ma najlepszą wydajność, ale cykl Stirlinga nie jest daleko w tyle. Składa się on z następujących procesów:

• Ogrzewanie
• Ekspansja izotermiczna
• Chłodzenie
• Kompresja izotermiczna

Poszczególne etapy pracy silnika Stirlinga w kolejności od lewej (źródło: www.wikipedia.org)

Silnik Stirlinga ma właściwość konstrukcyjną, którą posiada niewiele urządzeń: cykl można odwrócić, przez co może on działać jako chłodnica, jeśli jest napędzany siłą z zewnątrz. Philips dostrzegł tę niewątpliwą zaletę i w latach 50-tych wykorzystał ją do produkcji ciekłego azotu. Co więcej, spalany surowiec nie ma tutaj kontaktu z gazem roboczym, dlatego do zasilania silnika można użyć prawie każdego paliwa – spalanie jest znacznie bardziej kontrolowane, więc spaliny też są znacznie bardziej czyste. W większości silników Stirlinga łożysko można również umieścić po stronie zimnej, co ułatwia smarowanie i wydłuża okres międzyobsługowy. Ciśnienie robocze jest niskie w porównaniu z silnikiem spalinowym, więc obciążenie elementów konstrukcyjnych jest również niższe, dzięki czemu cały silnik jest lżejszy. Ponieważ spalanie nie jest impulsowe i cykliczne, ale ciągłe, konstrukcja jest niezwykle cicha i wytwarza niewielkie wibracje. Ponieważ gaz roboczy jest szczelnie zamknięty, nie ma potrzeby stosowania powietrza z otoczenia, więc silnik ten idealnie nadaje się do stosowania w łodziach podwodnych.

Dlaczego silnik Stirlinga nie jest wykorzystywany w motoryzacji?

Mimo wielu zalet, silnik Stirlinga ma również pewne wady, których obecnie nikt nie potrafi rozwiązać. Wymienniki ciepła po zimnej i gorącej stronie są bardzo drogie, a jeśli nie ma między nimi dużej różnicy temperatur, muszą mieć spore rozmiary. Tak więc sam silnik jest mały, ale po dodaniu wymienników ciepła przyjmuje wymiary o wiele większe niż silnik spalinowy. Kolejną bolączką jest to, że silnika Stirlinga nie można uruchomić szybko, ponieważ jego rozgrzanie zajmuje dużo czasu.

Problemem jest również elastyczność. Wydatek mocy można zmienić dopiero po dłuższym czasie, natychmiastowa reakcja jest praktycznie niemożliwa. Przeszkodą, być może największą, są straty ciepła generowane podczas ogrzewania otoczenia, co całkowicie uniemożliwia efektywne wykorzystanie silnika Stirlinga w samochodzie. Silnik ten znajduje jednak zastosowanie w obszarach, w których wspomniane wady są mniej istotne (zakłady przemysłowe, silniki maszyn stacjonarnych, inne zadania wymagające stałej wydajności).