Ta cenna właściwość silników Stirlinga wynika po prostu z faktu, że nie ma w nim periodycznie spalanej mieszaniny powietrza z gazowym lub ciekłym (rozpylonym) paliwem, natomiast w sposób ciągły doprowadzane jest ciepło z zewnątrz do ogrzewanego czynnika roboczego, którym jest dowolny, sprężony gaz (najlepiej wodór lub hel, ale może być również powietrze), a który przepływa między dwoma cylindrami z tłokami, zwanych pompującym i roboczym. W cylindrach tego silnika (a cylinder może być nawet wspólny dla obu tłoków tak, jak na rys. 1) dopływające ciepło - dzięki różnicy temperatur obu tłoków - zapewnia ich ruch. Ten pochodzący od roboczego może napędzać nie tylko koła pojazdu, ale również elektrogenerator, a ciepło odpadowe układu można wykorzystać w lokalnej ciepłowni. Może być to wszystko zainstalowane w typowym domku jednorodzinnym, skąd nadmiar energii elektrycznej odprowadzi się - za odpowiednią opłatą - do sieci ogólnej.

Wadą silników spalinowych Otta oraz Diesla - charakteryzujących się periodycznym, ciśnieniowym spalaniem paliwa, jest oczywista konieczność usuwania rozprężonych spalin z roboczej przestrzeni cylindra i ponowne jej napełnienie mieszaniną powietrzno-paliwową podczas każdego cyklu pracy. Tego typu technologia wymusza dysponowanie rozrządem, który zapewnia szybką, sprawną, efektywną i niezawodną wymianę ładunku cylindrów, a z czym wiążą się oczywiście skomplikowane układy konstrukcyjno-technologiczne. W następstwie tego typu technologii pracy silnika, niezbędne są rozliczne, często kosztowne elementy, podlegające znacznym obciążeniom cieplnym oraz mechanicznym, a temu towarzyszy relatywnie szybkie ich zużywanie się, co ma konsekwencje kosztowe.
Do zewnętrznego nagrzewania silnika Stirlinga można wykorzystać nie tylko ciepło ze spalania dowolnego rodzaju paliwa stałego, płynnego, czy gazowego, ale również dostępnego z dowolnych innych źródeł.

Do zalet silnika Stirlinga w porównaniu z tłokowymi Otta i Diesla należą:

• Niezawodność uruchamiania, gdyż rozruch obejmuje praktycznie wzniecenie płomienia określonego paliwa.
• Pełne spalanie paliwa, co ogranicza do minimum zawartości składników spalin, skażających środowisko.
• Zminimalizowana hałaśliwość, przy czym dobrze zmontowany silnik pracuje bezszmerowo.
• Nie potrzeba osprzętu elektrycznego i elektronicznego, emitującego promieniowanie elektromagnetyczne - po prostu nie ma układu zapłonowego, który jest skomplikowany i relatywnie drogi.
• Dopuszcza się luźne pasowanie gorącego tłoka, przepompowującego czynnik roboczy.
• Brak jest jakichkolwiek zaworów, co świadczy o wyjątkowej prostocie konstrukcji, a w dodatku stwarza dużą swobodę w budowie silnika (mogą być dwa cylindry zamiast jednego wspólnego).

Do wad silnika Stirlinga należy zaliczyć potrzebę intensywnego schładzania czynnika roboczego przepływającego do komory nad tłokiem roboczym, gdyż ma to znaczący wpływ na sprawność oraz relatywnie duży ciężar własny silnika, jeżeli ciśnienie czynnika roboczego przewyższa 2 MPa, a które oddziałuje na sprawność całego układu.
Schemat pracy silnika został przedstawiony na rys. 1, przy czym na nim eksponuje się rombowy mechanizm korbowy, który sprzęga kinematycznie posuwisto-zwrotne przemieszczanie współosiowe dwóch tłoków w jednym cylindrze.
W pracy silnika położenie górnego, pompującego tłoka nie ma wpływu na zmianę objętości czynnika wypełniającego układ, a zadaniem tego tłoka jest przepychanie czynnika z górnej, gorącej części silnika, przez regenerator i chłodnicę do dolnej części zimnej, a następnie przepychanie w kierunku odwrotnym. Nad górną, gorącą częścią silnika znajduje się komora spalania, w której jest wywiązywane ciepło. Gdy tłok pompujący porusza się ku dołowi, zasysa przez grzejnicę czynnik, który przez ścianki powierzchni ogrzewalnej pobiera ciepło q. Odbywa się to przy równoczesnym ruchu do dołu tłoka roboczego.

Gdy tłok roboczy dochodzi w położenie dolnego zwrotu, tłok pompujący zaczyna ruch do góry i przepycha czynnik przez regenerator, który magazynuje ciepło qr. Podczas dalszego przepychania czynnik roboczy (gaz) przepływa przez chłodnicę, oddaje tu ciepło qo, czemu towarzyszy sprężający ruch tłoka roboczego ku górze. Teraz czynnik sprężony zostaje przepchnięty dzięki ruchowi tłoka pompującego ku dołowi przez regenerator do gorącej części silnika i podczas tej przemiany odzyskuje zmagazynowane uprzednio cieplno qr w regeneratorze. Dalej przechodzi przez grzejnicę, w której pobiera izotermicznie ciepło q i obieg się powtarza. Czynnikiem roboczym jest tu hel lub wodór, ale może być też powietrze.. Między skrzynią korbową, a wnętrzem tłoka roboczego jest przestrzeń wypełniona czynnikiem o ciśnieniu średnim obiegu, którego rola w tym miejscu polega między innymi na buforowym obciążeniu układu korbowego.
Dzięki rombowemu mechanizmowi korbowemu posuwisto-zwrotnemu współosiowe przemieszczanie dwóch tłoków przebiega z niezmiennym ich przesunięciem fazowym. Zapewnia on wymaganą zmienność cykliczną objętości komór cylindra - gorącej (nad tłokiem pompującym) i chłodnej (nad tłokiem roboczym) - z odpowiednim przesunięciem fazowym. Wynosi ono około 90 stopni, co stanowi konieczny warunek działania silnika Stirlinga wg rys. 1. Optymalne obroty tego silnika wynoszą około 3000/minutę. Kinematyczny układ rombowy mechanizmu korbowego zapewnia pełne zrównoważenie sił bezwładności oraz wynikających z nich momentów. Dotyczy to również momentów harmonicznych mimo różnic długości skoków oraz ciężarów tak tłoka pompującego, jak i roboczego. Pełna symetria rombowego mechanizmu korbowego zapewnia to, że poruszające się tłoki praktycznie nie wywierają bocznych nacisków na gładź cylindra.

Ta korzystna współpraca tłoków z gładzią cylindrów, jak i stosowanie chemicznie obojętnego czynnika roboczego, zapewniają nieznaczne zużywanie się tłoków, tulei cylindrów i pierścieni. Intensywne chłodzenie tłoka roboczego chroni olej silnikowy przed przegrzewaniem, co wydłuża nie tylko jego żywotność, ale zapewnia optymalne warunki pracy łożysk mechanizmu korbowego.

Seryjna produkcja
Na przełomie 2001/2 roku firma SOLO w Sindelfingen zakończyła pomyślnie rozruch wytwórni produkującej silniki Stirlinga o mocach 2-9 kWel oraz 8-24 kWec. W br. będą one zasilane gazem ziemnym, potem również biogazem, a już w przyszłym brykietami z drewna. Będą one oczywiście również sprzęgane z elektrogeneratorami, dzięki czemu staną się lokalnymi elektrociepłowniami, głównie dla obiektów komunalnych. Globalna ich sprawność termiczna jest już obecnie w granicach 92-94%. Całkowity koszt zakupu i montażu w ramach umowy "pod klucz" wyceniono na kwotę 24 000 euro. W następnej wersji będą te agregaty elektrociepłownicze opalane rozdrobnionym drewnem, jak i lekkim olejem opalowym. Rys. 2 ilustruje silnik Stirlinga w aktualnie biegnącej produkcji seryjnej na paliwo gazowe.

Jest oczywiste, że silnik Stirlinga jest doskonałą maszyną napędową dla pojazdów drogowych, szynowych i wodnych, przy czym swoją sprawnością i trwałością jest konkurencyjny względem typowych silników Otta i Diesla.
Firma SOLO planuje roczną produkcję oraz sprzedaż swoich silników Stirlinga na poziomie 50.000 sztuk i tak winno być przez najbliższe lata, tj. do czasu, kiedy ogniwa paliwowe kosztami wytwarzania staną się konkurencyjnymi, ale to będzie możliwe dopiero za około dziesięć lat.

Źródło: Energia Gigawat

Dowiedź także tę stronę

Dział POMYSŁY