Külső égésű motor???

Az érdemi autós szakirodalomban mindig csak a “belső égésű motorok” kifejezéssel találkozni. De ha ennyire kihangsúlyozzuk, akkor kell léteznie külső égésűnek is. Hát az meg mi a fene? Azt már mindenki tudja, hogy a járművekben elterjedt motorok belső égésűek, ergo az égés a motoron belül megy végbe. De hogy kerülhet ez a motoron kívülre? És hogyan fog az tudni munkát végezni? Mitől fog bent mozogni valami, ha kint történik az égés? S bár a motor jelen formájában nem alkalmas a gépjárműiparban való felhasználásra, azért komparatív jelleggel mégis illik egy pár szót szólni róla.

Robert STIRLING (1790-1878)

Robert STIRLING (1790-1878)

A külső égésű motorok legismertebb fajtája a Stirling néven elhíresült motor. A motor feltalálója Robert Stirling, skót lelkész volt.  A feltaláló egy nyolcgyermekes család harmadik gyermekeként látta meg a napvilágot 1790-ben a skóciai Methven (Perthshire) közelében lévő Cloag farm-on. Műszaki érdeklődését édesapjától örökölte, de végülis az érdeklődésével ellentétben lelkésznek tanult. Házasságából hét gyermeke született, köztük James és Patrick is, akik mint vasúti mérnök segédkeztek a Stirling motor továbbfejlesztésében és a hozzá kapcsolódó későbbi szabadalmakban is. A feltaláló 1878-ban hunyt el.

A motor megalkotásának alapja az volt, hogy a korabeli gőzgépek biztonsága erősen kifogásolható volt. A nagy gőznyomás miatt számtalan esetben robbantak fel a gőzkazánok, sok sérülést és még több anyagi kárt okozva. Így Stirling egy olyan hőerőgép megalkotását tűzte ki maga elé, amely eme hátrányokat kiküszöböli. A motor egy megújuló energiaforrást használó, külső égésű rendszer. Működése során a munkát egy, a környezettől elzárt és  meghatározott tömegű gáz végzi, amelynek az állapotjelzői (nyomás, hőmérséklet, stb) a zárt belső térben a gáztörvények szerint változnak. A motorban a gáz - mely rendszerint levegő, de akár hélium, vagy hidrogén is lehet - két, egymástól jól elzárt, különböző hőmérsékletű és ezáltal különböző nyomású tér  között áramlik, így végezve munkát.

A motor működési elve a következőkre alapul: ha egy zárt térben lévő gázt (jelen esetben kívülről) melegítünk, annak a nyomása nőni fog, így erővel hat a dugattyúra, ergo munkát végez. Ha ezután a gázt lehűtjük, akkor az összenyomásához kevesebb energia fog kelleni, mint amennyit a tágulás során kinyerhettünk belőle, tehát a folyamat energiamérlege pozitív lesz.

Stirling p-V és T-s diagram

A Stirling körfolyamat

- izotermikus összehúzódásból  (1-2)
- állandó térfogatú hőközlésből (2-3)
- izotermikus tágulásból (3-4)
- állandó térfogatú hőelvonásból áll (4-1).

Elméletileg a Carnot körfolyamatnak a legjobb a hatásfoka, s a Stirling körfolyamat hatásfoka ezzel vetekszik. A folyamat hatásfokát a Th és a Tc hőmérsékletek közötti különbség határozza meg, mivel a Carnot körfolyamat képlete szerint a hatásfok

ή = 1 - (Tc/Th)

A Stirling körfolyamat megfordítható, reverzibilis, azaz a főtengelyt külső erővel hajtva a motor hűtőként is viselkedhet. Az első Striling hőtőgépeket a Philips fejlesztette ki, de még mind a mai napig számos gyár használja ezt a fordított elven működő Stirling motort a folyékony nitrogén előállításához.

De nézzük, hogy is néz ez ki az elvi oldaláról megközelítve. A motor a következő fő elemekből épül fel:

a.: terelődugattyú
b.: munkadugattyú
c: forgattyús mechanizmus
d: folyamatos hengerfűtés a meleg hengerhez
e: hűtés a hideg hengerhez.

Stirling körfolyamat

Az 1. ütemben a terelődugattyú [a] alatti (meleg henger)térben a gáz a folyamatos hevítés hatására felmelegszik, így kitágul és felfelé nyomja a munkadugattyút [b]. Ez a munkaütem.

A 2. ütemben a FHP után a terelődugattyú lefelé mozdul el és átnyomja a gázt a hideg térbe. Eközben a munkadugattyú még felfelé mozog, így a hűtő henger térfogata növekszik.

A 3. ütemben egyrészt a hűtés, másrészt pedig a terelődugattyú lefelé való elmozdulása miatti térfogatnövekedés következményeként a hideg kamrában lévő gáz folyamatosan lehűl.

Végül a 4. ütemben a munkadugattyú lefelé-, valamint a terelődugattyú induló felfelé haladó mozgása átnyomja a relatív hideg gázt a meleg hengertérbe és a folyamat kezdődik elölről.

Előnyök, hátrányok, a teljesség igénye nélkül.
- Kiemelkedően magas hatásfok (könnyedén átléphető vele a 40%-os hatásfok is)
- Az előnyök közé tartozik a csendessége, amely arra vezethető vissza, hogy nincs robbanásszerű nyomásnövekedés, mivel itt csak fokozatosan alakul ki a nyomásváltozás;
- Rendkívül egyszerű a motor mechanikus felépítése, hiszen nincs szükség bonyolult szelepvezérlésre, stb.;
- A motor csapágyazása a hideg oldalon van, így mind az olaj, mind az alkatrészek hőterhelése kisebb, s ezáltal karbantartási intervallum is magasabb;
- A motor folyamatos égést kíván, így nincs elégetlen üzemanyag;
- Az égés keverési aránya nem igazán szabályozható, hiszen az külső térben történik;
- A hőbevitel “üzemanyaga” napenergia is lehet!
- A fordulatszám változtatása egy lassú folyamat, mivel hőmérséklet-különbségen alapul a motor működése;

Felhasználása: első sorban stabil üzemű motorként praktikus, pl. hűtőgépként vagy generátorként.

Geree