MECHANISMUS STIRLINGOVA MOTORU

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN MECHANISMUS STIRLINGOVA MOTORU MECHANISM OF STIRLING MOTOR BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MILAN OMASTA Ing. JAN BRANDEJS, CSc. BRNO 2007

2 ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá konstrukčním řešením mechanizmu pro řízení pohybu u beta modifikace Stirlingova motoru. První část je věnována obecnému pojednání o Stirlingových motorech, jejich činnosti, jednotlivých modifikacích, historických a současných aplikacích. Další část se zabývá problematikou řízení pohybu pístů u jednotlivých modifikací. V poslední části je proveden návrh prostorového křivkového mechanizmu a jeho použití ve Stirlingově motoru. KLÍČOVÁ SLOVA Stirlingův motor, Stirlingův cyklus, modifikace Stirlingova motoru, mechanizmy řízení pohybu pístů, volné písty, Ringbomův motor ABSTRACT The main subject of this bachelor s thesis is to design drive mechanism for beta configuration of Stirling engine. Main goal of first part is general description of Stirling engine, its function, configuration, historical and actual applications. Second part deals issue of drive mechanisms for particular configurations. Last part solves main construction the cam mechanism and its use in Stirling engine. KEYWORDS Stirling engine, Stirling cycle, configurations of Stirling engine, piston-diplacer drives, free-piston, Ringbom engine BIBLIOGRAFOCKÁ CITACE OMASTA, M. Mechanismus Stirlingova motoru. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jan Brandejs, CSc.

3

4 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Mechanismus Stirlingova motoru vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jana Brandejse, CSc. a uvedl v seznamu literatury všechny použité literární a odborné zdroje. V Brně dne 18. května 2007 vlastnoruční podpis autora

5

6 PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval Ing. Janu Brandejsovi, CSc. za odborné vedení mé práce, podmětné připomínky a cenné rady, kterými přispěl k vypracování této bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat doc. Ing. Zdeňku Kaplanovi, CSc. za poskytnutí potřebné literatury.

7

8 OBSAH OBSAH OBSAH 11 ÚVOD 12 1 FUNKCE STIRLINGOVA MOTORU Stirlingův cyklus Skutečný cyklus 15 2 MODIFIKACE STIRLINGOVA MOTORU 18 3 APLIKACE STIRLINGOVA MOTORU Historie Současnost MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU Kinematické požadavky na mechanizmus: Kinematické mechanizmy Modifikace α Modifikace β Modifikace γ Stirlingovy motory s volnými písty 37 5 VLASTNÍ NÁVRH MECHANIZMU Koncepce I Geometrie drážek Konstrukční detaily Koncepce II Geometrie drážek Konstrukční detaily Zhodnocení navrženého mechanizmu 52 6 ZÁVĚR 54 7 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 55 8 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ 57 9 SEZNAM PŘÍLOH 59 11

9 ÚVOD ÚVOD Stirlingův motor je teplovzdušný regenerativní motor pracující s uzavřeným množstvím plynu, střídavě ohřívaným a ochlazovaným během Stirlingova cyklu. Objeven byl roku 1816 a až do vytlačení nastupujícími motory s vnitřním spalováním na počátku 20. st. byl používán jako bezpečnější náhrada parních motorů. Svou renesanci prožívá od 60. let 20. století, kdy byla během ropné krize hledána alternativa k motorům s vnitřním spalováním. Pro pohon automobilů se sice neosvědčil, ale v současné době nachází uplatnění při kogeneraci tepelné a elektrické energie. Jeho největšími výhodami je jednoduchost, dlouhá doba bezúdržbového provozu, bezpečnost, tichý chod a především schopnost využití libovolného tepelného zdroje. Při využití spalování lze použít libovolné palivo, tedy i z obnovitelných zdrojů. Navíc probíhá spalování kontinuálně, takže je mnohem šetrnější k životnímu prostředí než u motorů s vnitřním spalováním. Využít lze také energii slunečního záření nebo odpadní teplo z různých procesu, takže se provoz stává naprosto ekologickým. Stirlingovy motory se vyskytují v několika základních modifikacích (uspořádáních) a k řízení vzájemného pohybu pístů, potřebného k dodržení Stirlingova cyklu, je používána celá řada mechanizmů. Hlavním cílem této práce je představení používaných mechanizmů a návrh mechanizmu pro beta modifikaci, která se obecně vyznačuje největšími problémy při návrhu mechanizmu. 12

10 FUNKCE STIRLINGOVA MOTORU 1 FUNKCE STIRLINGOVA MOTORU Stirlingův cyklus 1.1 Stirlingův motor je stroj, který v ideálním případě pracuje se Stirlingovým cyklem. Stirlingův cyklus je podobně, jako třeba Carnotův cyklus, pouze ideální. Je tvořen dvěma izochorickými a dvěma izotermickými ději. Pro znázornění Stirlingova cyklu si představme válec obsahující dva opačně orientované písty s regenerátorem mezi nimi. Regenerátor může být chápán jako termodynamická houba, střídavě absorbující a uvolňující teplo. Jeden ze dvou prostorů mezi regenerátorem a pístem představuje expanzní prostor, v němž je udržována pomocí ohřívače vysoká teplota T max. Druhý prostor je kompresní a je naopak chlazen chladičem na nízkou teplotu T min. Takže teplotní gradient mezi krajními příčnými průřezy regenerátoru. je T max - T min, za podmínky, že neuvažujeme vedení tepla v podélném směru. Dále předpokládáme, že se oba písty pohybují bez tření a nedochází k úniku média z prostou mezi nimi [1]. Expanzní válec Regenerátor Kompresní válec 1 Tmin 1 poloha pístu čas 4 Tmax 1 Obr a) Polohy pístů v cyklu b) Průběh polohy pístů v čase Na obr a) jsou znázorněny jednotlivé polohy pístů během cyklu a na obr b) průběh polohy pístů v čase. Na začátku cyklu uvažujeme píst v kompresním prostoru (dále jen kompresní píst) ve vnější krajní poloze a expanzní píst ve vnitřní krajní poloze - poloha 1. Veškeré pracovní médium je tedy v chladném kompresním prostoru (objem média v regenerátoru zanedbáme). Objem je maximální, takže tlak a teplota nabývá minimálních hodnot - bod 1 v p-v a T-s diagramu (obr ) [1]. Během komprese (proces 1-2) se kompresní píst pohybuje směrem k vnitřní krajní poloze a expanzní píst zůstává v klidu. Pracovní médium je stlačováno v kompresním prostoru a tlak roste. Teplota zůstává stejná, neboť teplo je odváděno do okolí stěnou kompresního válce. Práce potřebná na stlačení pracovní látky je 13

11 FUNKCE STIRLINGOVA MOTORU ekvivalentní teplu odváděnému do okolí a vnitřní energie pracovní látky se proto nemění. Při procesu 2-3 se oba písty pohybují současně; kompresní směrem k regenerátoru a expanzní od regenerátoru, takže objem mezi nimi zůstává konstantní. Pracovní médium protéká porézním kovovým tělesem regenerátoru z kompresního do expanzního prostoru. Při tomto průchodu je médium v regenerátoru ohříváno z teploty T min na T max teplem uloženým v regenerátoru. Postupný nárůst teploty média při průchodu regenerátorem za konstantního objemu vede k nárůstu tlaku. Při expanzi 3-4 pokračuje expanzní píst v pohybu od regenerátoru směrem k vnější krajní poloze; kompresní píst zůstává nehybný ve vnitřní krajní poloze hraničící s regenerátorem. Jako důsledek expanze klesá tlak a roste objem. Teplota zůstává stejná, neboť teplo je přiváděno z okolí stěnou expanzního válce. Teplo přivedené od vnějšího zdroje je ekvivalentní práci vykonané expanzním pístem. Konečným dějem cyklu je pohyb 4-1, při kterém se pohybují oba písty současně a pracovní médium proudí za konstantního objemu zpět regenerátorem z expanzního do kompresního prostoru. Při průchodu regenerátorem je teplo pracovního média uloženo do tělesa regenerátoru a teplota média klesá na teplotu T min. Tlak také klesá. p 3 T 3 Tmax V Tmin 1 s Obr p-v a T-s diagramy ideálního Stirlingova cyklu [1] Stirlingův cyklus má při 100% účinnosti regenerace v regenerátoru a při daných teplotách stejnou termickou účinnost jako Carnotův cyklus. Tato účinnost je nejvyšší, jaké lze u tepelných strojů získat a je dána vztahem: T η = 1 min T T Pro maximální účinnost se tedy, jako u všech tepelných strojů, snažíme dosáhnout co nejvyšší teploty T max (teplota omezena možnostmi tepelného zdroje a materiálovými vlastnostmi) a co nejnižší teploty T min (omezeno možnostmi chlazení) [1]. max 14

12 FUNKCE STIRLINGOVA MOTORU 1.2 Skutečný cyklus 1.2 Ideální Stirlingův cyklus je definován za předpokladů, že všechny děje jsou termodynamicky vratné a izotermické děje dále uvažují nekonečně rychlý přestup tepla mezi stěnou válce a pracovním médiem. Dále se předpokládá, že veškeré pracovní médium je v kompresním a expanzním prostoru během komprese a expanze, takže vliv volného prostoru v tělese regenerátoru a škodlivého prostoru ve válci je zanedbáván. Také vliv veškerého aerodynamického a mechanického tření je zanedbáván. Pohyb obou pístů je nespojitý a pevně daný tak, aby docházelo k předepsaným přesunům pracovního média. Regeneraci považujeme za ideální, což vyžaduje nekonečně velkou intenzitu přestupu tepla mezi pracovním médiem a tělesem regenerátoru a neomezenou tepelnou kapacitu tělesa regenerátoru. Všechny vlivy, které způsobují odchylky od ideálního cyklu působí velmi negativně na skutečnou účinnost stroje. V této souvislosti lze definovat relativní účinnost, která je dána poměrem skutečné termické účinnosti a teoretické termické účinnosti Carnotova cyklu. Ze zkušeností ve vývoji komerčních motorů vyplývá, že hodnota relativní účinnosti 0,4 je známkou dobře navrženého stroje [1]. Ideální cyklus byl ilustrován dvěma protilehlými písty s regenerátorem mezi nimi. Skutečný stroj můžeme vidět na obr Tento stroj představuje jednu z mnoha mechanických uspořádání (modifikace α), která budou blíže představena později. Motor se skládá ze dvou válců, které obsahují písty na společném klikovém hřídeli, spojené potrubím obsahujícím regenerátor a přídavné tepelné výměníky [1]. Obr Schéma reálného motoru: A-ohřívač; B-chladič; C-regenerátor; D- expanzní válec; E-expanzní píst; F-kompresní válec; G-kompresní píst Významným odchýlením od ideálního cyklu je průběh změn objemů, vyvolaných pohyby pístů. V ideálním případě probíhá nespojitě (obr b), ve skutečnosti toho při použití běžného mechanizmu (klikový) nelze dosáhnout a průběh je spojitý 15

13 FUNKCE STIRLINGOVA MOTORU (blízký sinusoidě). Výsledkem je hladký průběh v p-v diagramu, kde nelze jednotlivé děje jasně odlišit [1]. Dalším negativním vlivem je existence škodlivých prostorů v motoru. Škodlivý prostor je definován jako část pracovního prostoru, který není zdvihovým pro některý z pístů. Zahrnuje prostory regenerátoru a dalších tepelných výměníků a vnitřní objem připojených potrubí. Tyto prostory, podobně jako u běžných spalovacích motorů, snižují kompresní poměr a představují tlakové ztráty [1]. V cyklu, kde je komprese a expanze izotermická a zanedbáváme ztráty třením, získáme rozdíl ploch diagramů expanzního a kompresního prostoru jednoduše vypočtením plochy p-v diagramu celkového pracovního objemu. Ve skutečném motoru toto ovšem neplatí, neboť aerodynamické ztráty v regenerátoru a dalších tepelných výměnících způsobují rozdíly tlaku pracovního média v kompresním a expanzním prostoru. Tyto ztráty jsou významné, protože vedou ke zmenšení plochy p-v diagramu expanzního prostoru znamenajícího snížení výstupní práce a tedy snížení účinnosti motoru [1]. Další důležitou odchylkou od ideálního cyklu je fakt, že komprese a expanze nejsou izotermické. Je to dáno tím, že teplo kvůli nedostatečné ploše stěn válců a krátkému času nestíhá přestupovat stěnami válců do média a naopak. V motoru pracujícím s běžnými otáčkami 1000 min -1 se tyto děje blíží spíše k adiabatickým (bez výměny tepla). Nepříznivý vliv zde má také kontinuální pohyb pístů. Pro zlepšení se připojují tepelné výměníky, a to ohřívač, který přivádí teplo pracovnímu médiu v expanzního prostoru a chladič, který odebírá teplo médiu v prostoru kompresním. Trubky tepelných výměníků však představují další aerodynamické ztráty a především zvětšení škodlivého prostoru, což má za následek snížení regenerativní schopnosti stroje. Mimoto je pracovní médium ohříváno nejen při proudění z regenerátoru do expanzního prostoru, ale také při proudění z expanzního prostoru do regenerátoru. Podobná situace nastává i v chladiči. Je možné sestrojení jednocestného systému, avšak přináší příliš mnoho komplikací [1]. Odchylky od ideálního stavu představuje také regenerátor. Je to především nedokonalá regenerace při rychlém průchodu média tělesem regenerátoru. Podobně, jako u chladiče a ohřívače, působí také regenerátor nárůst škodlivého prostoru a ztrát třením. Při návrhu regenerátoru je však důležitější vysoká účinnost regenerace než související škodlivý prostor a ztráty třením. Bez účinného regenerátoru nemůže stroj efektivně pracovat [1]. Na obr je v p-v diagramu porovnán ideální Stirlingův cyklus a cyklus, který zahrnuje vliv škodlivých prostorů, neizotermické komprese a expanze, kontinuálních objemových změn a nedokonalé regenerace. V případě zahrnutí tlakových ztrát vlivem aerodynamického tření nelze p-v diagram pro celkový prostor motoru nakreslit, protože v kompresním a expanzním prostoru není v daném okamžiku stejný tlak [2]. Jak již bylo řečeno, účinnost stroje závisí na hodnotách teplot, mezi kterými cyklus probíhá. I když má teoretický Carnotův cyklus nejvyšší termickou účinnost ze všech 16

14 FUNKCE STIRLINGOVA MOTORU p V Obr Porovnání ideálního a skutečného cyklu [2] tepelných oběhů, je ve skutečnosti tato účinnost dosti malá. Je to dáno jedním z největších problémů komerčního využití Stirlingova motoru - otázkou materiálů. V případě běžného tepelného zdroje v podobě spalování fosilních paliv jsou některé části stroje (ohřívač a expanzní prostor) neustále vystaveny vysoké teplotě a jsou tedy omezeny možnostmi materiálu. Přípustná teplota pracovního média ve Stirlingově motoru je pouze částí přípustné teploty pro motory s vnitřním spalováním (Ottův nebo Dieselův cyklus), kde je v průběhu cyklu dosaženo maximální teploty pouze krátkodobě. Takže i přesto, že je regenerativní cyklus mezi danými teplotami termodynamicky mnohem účinnější než Ottův nebo Dieselův, těchto teplot v praxi nemůžeme dosáhnout. Je tedy nezbytný poměrně velký gradient mezi teplotou spalin a teplotou expanzního válce motoru. Ne všechno teplo dosažitelné při spalování může být přeneseno do pracovního média, protože bychom museli použít velmi rozměrné ohřívače. Teplo odváděné při spalování ve Stirlingově motoru výfukovými plyny představuje ztráty, které již v motoru nejsou nijak využívané. Toto ztrátové teplo lze využít k předehřevu vzduchu vstupujícího do spalování nebo k jiným účelům. Z toho také plyne největší uplatnění komerčně vyvíjených Stirlingových motorů v současnosti, a to jako součást kogeneračních jednotek, kde je jen část tepla získávaného spalováním paliv využita k výrobě elektrické energie prostřednictvím Stirlingova motoru a generátoru [1]. Kontinuální pohyb členů s vratným pohybem, neizotermická komprese a expanze, omezený přenos tepla při chlazení a ohřevu, ztráty výfukovými plyny, nárůst škodlivého prostoru a aerodynamické ztráty představují hlavní důvody nezdaru většiny skutečných Stirlingových motorů a nenaplnění představ jejich konstruktérů. Další příčiny zklamání zahrnují nedostatky při regeneraci, velké mechanické ztráty, nerovnoměrné rozdělení teplot jako důsledek relativně masivních přestupových cest a úniky média netěsnostmi [1]. 17

15 MODIFIKACE STIRLINGOVA MOTORU 2 MODIFIKACE STIRLINGOVA MOTORU Stirlingův motor obsahuje dva prostory o různých teplotních hladinách mající objemy, které se mohou cyklicky měnit; ty jsou spojeny skrz regenerativní tepelný výměník a přídavné tepelné výměníky. Tyto jednoduché části mohou být spojeny v širokou škálu mechanických uspořádání. V zásadě však lze rozlišit tři základní modifikace α, β a γ. Modifikace α je koncepčně nejjednodušší modifikací Je tvořena dvěma válci kompresním a expanzním a každý válec obsahuje jeden píst. Schéma této modifikace je na obrázku 2.1. Obr. 2.1 Modifikace α Modifikace β je klasickou modifikací Stirlingova motoru. Ve svém patentu představuje Robert Stirling právě tuto modifikaci. Je znázorněna na obr Obr. 2.2 Modifikace β Oba písty se zde pohybují ve společném válci. Kompresní píst zde bývá označován jako pracovní, neboť koná práci. Expanzní píst naopak jako přemísťovací, neboť slouží pouze k přemísťování plynu z expanzního prostoru přes tepelné výměníky a regenerátor do kompresního a naopak. Principielní rozdíl mezi pracovním a 18

16 MODIFIKACE STIRLINGOVA MOTORU přemísťovacím pístem je v tom, že pracovní píst (a přemísťovací nikoli) je utěsněn tak, aby nedocházelo k průniku pracovního média z jedné strany pístu na druhou. Takže tlak média na jedné i druhé straně přemísťovacího pístu je stejný, až na tlakové ztráty (vlivem aerodynamického tření), a při pohybu nekoná tento píst na plynu téměř žádnou práci. V případě pracovního pístu je tlak nad a pod pístem rozdílný, kromě jednoho možného bodu v cyklu. Tato modifikace je velmi výhodná pro svou kompaktnost. Navíc při každé otáčce zaujímá přemísťovací i pracovní píst určitou stejnou část válce, avšak v různých okamžicích. Toto překrývání představuje další zmenšení motoru; je zde ovšem obtížnější oddělení ohřívané a ochlazované části. Obecně je varianta s přemísťovacím pístem výhodná, neboť je potřeba těsnit pouze jeden píst. U modifikace β ovšem zase vzniká problém s těsněním pístní tyče přemísťovacího pístu procházejícího pracovním pístem, nehledě na omezené možnosti konstrukce pracovního pístu. Fakt, že přemísťovací píst teoreticky nekoná práci a musí překonávat pouze síly vznikající aerodynamickým třením plynu a vlastní setrvačné síly, umožňuje lehčí a menší pístnici a příslušné díly, což podstatně snižuje hmotnost a ztráty mechanickým třením. Modifikace γ obsahuje podobně jako β pracovní a přemísťovací píst. Každý se však pohybuje v jiném válci. Kompresní prostor je zde tvořen prostorem nad pracovním a pod přemísťovacím pístem a vzhledem k uspořádání nemůže být nikdy nulový. Výhodou však je snadné oddělení ohřívané a ochlazované části motoru. Ostatní výhody plynoucí z existence přemísťovacího pístu jsou stejné jako u modifikace β. Navíc pístní tyč tohoto pístu neprochází pracovním pístem a její utěsnění je ještě snadnější než u druhého pístu v případě modifikace α, neboť těsnění okolo pístní tyče je mnohem menší než těsnění okolo pístu, navíc dochází k menším průnikům média a také tření je menší. Tato modifikace se omezuje na motory o malém výkonu a demonstrační modely [1]. Je znázorněna na obr Obr. 2.3 Modifikace γ U modifikací β a γ se můžeme setkat s variantou, kdy je přemísťovací píst z části nebo zcela zhotoven z porézního kovového materiálu tvořícího regenerativní tepelný výměník. V takovém případě odpadá vnější oběh média přes tepelné výměníky a 19

17 MODIFIKACE STIRLINGOVA MOTORU regenerátor. Velkou výhodou je eliminace škodlivých objemů až na objem média v regenerátoru. Odpadá také velká část ztrát třením plynu. Teplo je zde však přenášeno pouze stěnou válců, které musí být navrženy vhodným způsobem (žebrování). Při vysokých otáčkách mnohdy nebývá tento přestup dostatečný. Ukázka modifikace β a γ s regenerativním přemísťovacím pístem je na obr Obr. 2.4 Modifikace β a γ s regenerativním přemísťovacím pístem Některé modifikace umožňují skládání válců dohromady ve víceválcový blok. Např. modifikace β s regenerativním přemísťovacím pístem umožňuje spojení více válců na společném klikovém hřídeli. Tím lze docílit vysokého měrného výkonu. Modifikace α zase umožňuje dvojčinné uspořádání. Je provedeno tak, že prostor nad pístem jednoho válce je propojen skrz regenerátor s prostorem pod pístem vedlejšího válce (obr. 2.5). Každý píst zde pracuje dvojčinně. Toto uspořádání bývá označováno jako Riniovo a je velmi vhodné obzvláště pro tři až šest válců seřazených do kruhu s řídícím mechanizmem šikmé desky. Řadový víceválcový motor není vhodný, neboť je potřeba dlouhý kanál pro vedení plynu mezi krajními válci [1]. Obr. 2.5 Riniovo uspořádání modifikace α Kromě klasických pístových motorů existuje i celá řada specifických návrhů. Příkladem může být rotační motor navržený Zwiauerem (obr. 2.6). Dva Wankelovy motory jsou spojeny hřídelí a okolo ní jsou symetricky vloženy dva regenerátory. Jedna Wankelova jednotka představuje expanzní jednotku a druhá kompresní. Každou jednotku tvoří tři různé prostory a v každém prostoru probíhají dvě různé expanze respektive komprese během jedné otáčky. Takže dva motory obsahují tři 20

18 MODIFIKACE STIRLINGOVA MOTORU oddělené systémy, každý prodělávající dva kompletní cykly během otáčky. Výhodou tohoto návrhu je kompaktnost a uvažovaný vysoký měrný výkon [1]. Obr. 2.6 Stirlingův motor navržený Zwiauerem [1] Výkon motoru lze podstatnou měrou zvýšit zvýšením nominálního (středního) tlaku v motoru. Mezi tímto tlakem a výkonem motoru platí přímá úměrnost, takže např. při zvýšení tohoto tlaku na 10 MPa je výkon motoru oproti atmosférickému tlaku 0,1 MPa 100x větší! Tyto tlaky je však nutné utěsnit a unikající médium neustále doplňovat. U malých motorů je výhodné také natlakování klikové skříně. To snižuje nejen požadavky na těsnění pracovního prostoru, ale také nároky na pevnost pístu a ojnice včetně ložisek. Tím se sníží hmotnost, tření v ložiscích i tření v těsnění. Na druhou stranu vzrostou požadavky na pevnost skříně a je potřeba nejméně jedno další těsnění dynamických účinků plynu u výstupu klikového hřídele, je-li výstup požadován. Problém utěsnění rotujícího hřídele je však mnohem menší než u pístu nebo pístnice konající vratný pohyb a může být zcela eliminován např. kombinací elektrického generátoru přímo spojeného s motorem v klikové skříni. To však může způsobovat značné ventilační ztráty ve vysokotlakém motoru. Tak, jak roste výkon motoru, stává se kliková skříň dominantní z hlediska celkové hmotnosti motoru a pro velké motory již není vhodné její tlakování [1]. Dosud jsme se nezmiňovali o pracovním médiu, které v motoru prodělává děje Stirlingova cyklu. V praxi připadají v úvahu tři pracovní média - plyny: vzduch, helium a vodík. Vzduch je zajímavý neboť je volně dostupný. Helium a vodík mají zase výhodné termofyzikální vlastnosti, jako je vyšší tepelná vodivost a menší ztráty třením při proudění. Vzhledem k výkonu motoru je vodík lepší než helium a je také mnohem levnější, ale je vysoce výbušný za přítomnosti vzduchu nebo kyslíku. Motory s vysokým měrným výkonem a vysokou termickou účinností pracující za vysokých tlaků a rychlostí (nad 2000 min -1 ) musí používat vodík nebo helium k dosažení potřebných hodnot přenosu tepla a hmoty s přípustnými tlakovými ztrátami. Vyvstává zde samozřejmě velký problém s utěsněním pracovního prostoru motoru. Navíc je potřebný složitý řídící systém obsahující zásobníky, ventily a čerpadlo k 21

19 MODIFIKACE STIRLINGOVA MOTORU udržení tlaku pracovního média v motoru. Cena stroje takového typu je vysoká a použití je omezeno na relativně velké motory, kde je výhodou nízká hlučnost a nízké emisní limity v porovnání s motorem s vnitřním spalováním. Stroje pracující se vzduchem nemohou dosahovat tak vysokých hodnot přenosu tepla a hmoty jako v případě vodíku nebo helia. Tyto stroje jsou většinou velké a těžké o nízkém měrném výkonu a termické účinnosti. Avšak pracovní médium se může snadno doplňovat z atmosférického vzduchu, takže problémy utěsnění a složitosti konstrukce jsou podstatně menší a stroje mohou být jednoduché, levné a spolehlivé. Vzduchové motory mají velmi malý výkon. Nicméně existuje rostoucí potřeba nízkovýkonových (méně než 1 HP) motorů o vysoké spolehlivosti a uspokojivé účinnosti schopné pracovat bez údržby dlouhou dobu využívající různá paliva nebo i tepelnou energii ze slunečního záření. Stroje jsou uplatňovány při pohonu elektrických generátorů v navigaci, meteorologii a telekomunikaci [1]. Kromě strojů, kde je proudění média řízeno objemovými změnami, se můžeme setkat také se stroji, kde je toto zajištěno pomocí ventilů a stroj tak pracuje v otevřeném regenerativním cyklu. Pro úplnost bývají tyto stroje nazývány jako Ericssonovi a příslušný cyklus jako Ericssonův. V praxi však bývá označení Stirlingův stroj často bez rozdílu užíváno pro všechny typy regenerativních strojů. Po jisté stránce jsou oba typy strojů podobné, ale v detailech konstrukce, činnosti a možnostech použití jsou velmi odlišné. Předmětem našeho zájmu jsou pouze stroje pracující se Stirlingovým cyklem [1]. Obecná definice stroje pracujícího se Stirlingovým cyklem zahrnuje velkou skupinu strojů rozdílných funkcí. Doposud jsme mluvili pouze o motorech. Kromě motorů jsou to také tepelná čerpadla, kompresory a chladící stroje. Např. v případě chladících strojů pracuje cyklus stejně a také mechanická uspořádání bývají shodná. Z hlediska energetické bilance je ovšem činnost obrácena. V tomto případě je výstupní hřídel poháněn např. elektromotorem a na expanzním válci dochází k odejímání tepla a na kompresním naopak k jeho uvolňování. Chladicí stroje se Stirlingovým cyklem prošly dlouhým vývojem a v současnosti hrají nezastupitelnou roli v oblasti kryogenního inženýrství. Pro svou jednoduchost a spolehlivost jsou využívány např. pro zkapalňování hélia (4 K) a ostatních plynů. Nadále budeme o stroji se Stirlingovým cyklem hovořit většinou jako o Stirlingově motoru, i když obecné závěry jsou aplikovatelné i na ostatní stroje [1]. 22

20 APLIKACE STIRLINGOVA MOTORU 3 APLIKACE STIRLINGOVA MOTORU Historie 3.1 Historie Stirlingova motoru sahá až do počátku 19. st. První fungující tepelný motor s otevřeným cyklem sestrojil pravděpodobně Sir George Cayley r Zásadní pokrok ovšem přináší patent skotského pastora Roberta Stirlinga ( ) z r Jeho motor jako první obsahoval regenerátor (ve svém patentu jej Stirling označuje jako ekonomizer ), který podstatně zvyšoval účinnost stroje [3]. Cílem bylo sestrojit motor, který by nahradil soudobé parní motory, které právě zažívaly bouřlivý rozvoj. V této době bylo mnoho smrtelných nehod způsobených explozí parního kotle, proto představoval Stirlingův motor, který pracoval bez kotle a navíc tiše, vhodnou alternativu, zvláště pro malé jednotky, po kterých byla velká poptávka [3,4]. Později představil švédský vynálezce John Erricsson, pracující v Anglii, regenerativní motor s otevřeným cyklem [6]. V průběhu 19. a počátkem 20. století bylo v Evropě a USA vyráběno obrovské množství motorů různé konstrukce a velikostí, které se používaly v různých oblastech. Sloužily např. k čerpání vody v dolech, k dodávce vody pro domácnosti, pro pohon ventilátorů, šicích strojů nebo i zubařských vrtaček [4,6,7]. U nás vyráběla Stirlingovy motory např. strojírna a slévárna A. Smékala v Čechách pod Kosířem [8]. Obr Robert Stirling [4] a jeho motor patentovaný r [5] Zhruba v polovině 19.st. způsobil vynález motoru s vnitřním spalováním v podobě plynového motoru a jeho další vývoj v benzinový a naftový motor, současně s vynálezem elektromotoru, omezení výroby Stirlingova motoru, až již od roku 1914 nebyl dále komerčně využívaný. Avšak výroba strojů pro speciální použití (např. stroj na petrolej pohánějící ventilátory pro použití v tropických zemích) pokračovala v Anglii až do r [1]. O znovuobjevení Stirlingova motoru se postarala nizozemská společnost Philips Laboratories koncem 30. let 20. st. Původně se zaměřovala na vývoj malého 23

21 APLIKACE STIRLINGOVA MOTORU elektrického generátoru využívajícího teplo pro rádia a podobná zařízení pro použití na odlehlých místech. Postupně byl vyvinut malý Stirlingův motor o výkonu 200 W. Důležitější byl další vývoj se zaměřením na výkonnější motory různých velikostí až do výkonu 450 HP. Ten přichází v době vrcholící ropné krize, která vyvolala zájem o alternativní pohony v automobilovém průmyslu. Současně Philips poskytuje licence Obr Stirlingův motor Philips 4x234 [1] na vývoj Stirlingova motoru. Licenci získává již roku 1958 General Motors, dále pak Entwicklungsgruppe Stirling Motor M.A.N.-M.W.M vytvořená v NSR r. 1967, Ford Motor Company (1972) a především vznikající švédská skupina United Stirling AB založená roku 1968 [1]. Philips vyvíjí v průběhu let 1969 až 1970 čtyřválcový motor (modifikace β s rombickým mechanizmem) o výkonu 200 HP s obsahem 4x235 ccm a nominálním tlakem 22 MPa při otáčkách 3000 min -1 (obr ). Motor byl Obr Motor Philips 4-65 [9] 24

22 APLIKACE STIRLINGOVA MOTORU experimentálně instalován do městského autobusu, ale příliš se neosvědčil. Na tento motor navázala United Stirling vývojem motoru s označením Jednalo se o Riniovo uspořádání do kruhu s šikmou deskou, převzaté od Philipsu (obr ). Tento motor vykazoval stejný výkon 200 HP již při tlaku 15 MPa a otáčkách 1500 min -1. Ukázalo se však, že vzhledem k ceně nemůže konkurovat klasickému Dieselovu motoru. Další vývoj byl směřován pro použití Stirlingova motoru v osobních automobilech. Postupně vzniká motor V4X2 experimentálně zastavěný do vozu Ford Pinto a motor V4X35 zastavěný do vozu Ford Taurus. Problém při použití v automobilech byl v požadované rychlé změně výkonu. Té se dosahovalo změnou nominálního tlaku v motoru. Systém, který toto zajišťoval ovšem motor velmi prodražil a proto nebyla výroba těchto motorů nikdy zahájena [1, 9]. 3.2 Současnost 3.2 V současné době je Stirlingův motor nejvíce využíván v kombinované výrobě tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách. Zde se uplatňuje především jeho tichý chod, spolehlivost a dlouhá doba bezúdržbového provozu. Nižší termická účinnost některých motorů nemusí být na škodu, neboť veškeré ztrátové teplo je zde využito. V takovém případě představuje kogenerační jednotka spíše náhradu kotle s dodatečnou výrobou elektrické energie. Je však výrazně levnější než kogenerační jednotka s vyšším elektrickým výkonem. V kogenerační jednotce může být spalováno libovolné palivo, komerčně se však zatím používají jen plynná paliva [10]. Jedním z výrobců kogeneračních jednotek se Stirlingovým motorem je americká firma STM Power, Inc. Její jednotka na plynná paliva má elektrický výkon 55 kw, el. účinnost 30% a servisní interval hodin. Její motor je na obr [11]. Obr Stirlingův motor firmy STM Power, Inc. [11] V Evropě je nejvýznamnější německá firma Solo Stirling GmbH. Její kogenerační jednotka SOLO Stirling 161 (obr ) má elektrický výkon 9 kw a elektrickou účinnost 24%. Stirlingův motor využívá jednočinné dvouválcové α modifikace. 25

23 APLIKACE STIRLINGOVA MOTORU Obr Kogenerační jednotka SOLO Stirling 161 [12] V současnosti tato firma zkouší jednotku také pro spalování biomasy [12]. U nás vyvíjí na komerční úrovni vlastní Stirlingův motor pouze firma Tedom, výrobce klasických kogeneračních jednotek, autobusů, motorů a energetických zařízení. Vývoj probíhá od roku 2001 a v roce 2006 byl na MSV v Brně představen první funkční prototyp. Jedná se, stejně jako u jednotky SOLO Stirling 161, o jednočinnou dvouválcovou α modifikaci. Dosud bylo dosaženo výkonu motoru 7,9 kw a účinnosti motoru 24%. Náklady projektu dosud přesáhly 40 milionů Kč. Konstrukce motoru je přizpůsobena požadavku na jeho zástavbu do KJ TEDOM řady Micro. Model motoru je na obr [13]. Obr Model Stirlingova motoru firmy TEDOM [13] 26

24 APLIKACE STIRLINGOVA MOTORU Další oblastí využití Stirlingova motoru je výroba elektrické energie ze slunečního záření, kdy jsou sluneční paprsky koncentrovány parabolickými zrcadly na hlavu válců. Stirlingův motor představuje jediný pístový stroj schopný tuto přeměnu účinně provést. Dokonce dosahuje ještě vyšší účinnosti než fotovoltaické panely. Solární jednotku vyvinula společnost SES (Stirling Energy Systems, Inc., USA). Princip je znázorněn na obr Jedna taková jednotka má elektrický výkon 25 kw, elektrickou účinnost 29,4% a zrcadlo má průměr 11,4 m. Při zkouškách v reálném provozu běžel motor téměř 20 let. Připravuje se sériová výroba těchto motorů pro solární elektrárny o výkonu 500 a 300 MW [14]. Vývojem solárních jednotek se Obr Princip činnosti solární jednotky firmy SES, Inc. [14] Stirlingovým motorem se zabývá také Glenovo výzkumné centrum v NASA ve spolupráci s americkou Infinia Corporation (do roku 2005 známá jako Stirling Technology Company -STC). Hledá se zde vhodný zdroj elektrické energie pro výzkum hlubokého vesmíru, kde je již nízká intenzita slunečního záření. Ve strojích bez lidské posádky je schopnost dlouhého bezúdržového provozu prvořadá. Vyvíjené motory využívají tzv. volných pístů, jejichž pohyb je řízen tlakovými změnami a k výrobě elektrické energie slouží lineární alternátor. Takový motor tedy neobsahuje žádné rotující součásti. Vyvíjeny jsou jednotky od 10 W až po velké stroje o výkonu 25 kw [15, 16]. Stirlingův motor našel uplatnění také v pohonu ponorek. Postarala se o to švédská společnost Kockums AB, která navazuje na vývoj motorů společnosti United Stirling AB [17]. Zaměřuje se na vývoj a výrobu vysoce výkonných pohonných jednotek. Stirlingův motor v ponorkách tvoří součást systému AIP (pohon nezávislý na vzduchu), který je již úspěšně instalován ve třech ponorkách švédského námořnictva a postupně na něj přejde celá flotila. Jednu ponorku také odkoupilo Dánsko. Z mimoevropských zemí je třeba zmínit Japonsko, které více než rok zkoušelo Stirlingův motor na ponorce Asašio [18]. 27

25 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU 4. MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU 4.1 Kinematické požadavky na mechanizmus: Doposud jsme se nezabývali tím, jakým způsobem jsou řízeny požadované objemové změny ve Stirlingových motorech. V ukázkách jednotlivých modifikací byly znázorněny klikové mechanizmy, ovšem u jednotlivých modifikací lze využít celou řadu mechanizmů. Vmin expanzní prostor Vmax Vmin α kompresní prostor Vmax fáze Obr Průběh objemových změn u modifikace α [19] Vmin expanzní prostor Vmax Vmin α kompresní prostor Vmax fáze Obr Průběh objemových změn u modifikace β a γ [19] 28

26 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU Nejprve je nutné poznamenat, jakých objemových změn musíme pro optimální chod motoru dosáhnout. Vychází z definice dějů v ideálním Stirlingově cyklu. V případě modifikace α, jak již bylo ukázáno dříve, je ideální průběh zobrazen zelenou čarou na obr V případě uspořádání s pracovním a přemísťovacím pístem (modifikace β a γ) je ideální průběh zobrazen na obr [19]. Průběh změn objemů součastně vyjadřuje průběh polohy pístů. Dosažení ideálního průběhu objemových změn, tedy pohybů pístů, je velmi obtížné a potřebný mechanizmus velmi složitý. Proto je v drtivé většině konstrukcí Stirlingových motorů nahrazen ideální průběh jednoduchým harmonickým pohybem (tj. sinusoidálním), který představuje např. klikový mechanizmus [19]. Tato náhrada je zobrazena na obr a červenou čarou. Nedodržení předepsaných termodynamických dějů má za následek snížení výkonu, jak již bylo probráno v části 1.2 [1]. Spojitý průběh však částečně omezuje dynamické účinky setrvačných hmot a zvyšuje tak životnost stroje. V případě náhrady jednoduchým harmonickým pohybem lze názorněji vidět, že se kompresní/pracovní píst pohybuje oproti expanznímu/přemísťovacímu pístu s určitým zpožděním. Ideální hodnotu fázového posunutí nelze pevně stanovit, neboť závisí na ostatních parametrech stroje, především na poměru zdvihových objemů kompresního a expanzního válce, poměru škodlivého objemu k objemu expanzního válce a poměru kompresní a expanzní teploty. Závislost výkonového parametru (výkon ku maximálnímu tlaku a celkového objemu) na fázovém posunutí pro různé hodnoty teplotního poměru je zobrazena na obr [1]. Hodnota výkonového Obr Závislost výkonového parametru na fázovém posunutí pro různé hodnoty teplotního poměru [1] parametru se překvapivě příliš nemění v širokém rozmezí fázového posunutí 60 až 120. Při bližším prozkoumání můžeme stanovit optimální hodnotu v rozmezí 90 až 115 [1]. Ve většině dostupných informačních zdrojů a konstrukcích motorů je paušálně používána hodnota fázového posunu

27 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU Mnohem výhodnější průběh z pohledu cyklu představuje tzv. předbíhavý ( overdriven motion ) neboli dvojpolohový pohyb ( bang-bang motion ), který je uskutečňován u některých Ringbomových Stirlingových motorů nebo u motorů konstruovaných Ivo Kolinem. Dvojpolohový pohyb je lineární pohyb proměnný v čase podle obdélníkového průběhu (v ideálním případě). Je alternativou k jednoduchému harmonickému pohybu a je považován za výhodnější pro pohyb přemísťovacího pístu (modifikace β nebo γ), ale je obtížné ho docílit [20]. Ukázka skutečného dvojpolohového pohybu přemísťovacího pístu u Ringbomova Stirlingova motoru je na obr [21]. přemísťovací píst pracovní píst fáze Obr Průběh polohy pístů u Ringbomova motoru [21] 4.2 Kinematické mechanizmy Modifikace α Modifikace α obsahuje kompresní a expanzní píst v oddělených válcích. V základním uspořádání (dva jednočinné válce) je nejjednodušší uspořádání válců do V a použití klasického klikového mechanizmu, kdy jsou ojnice obou pístů připojeny na společnou kliku. V tomto případě je fázový posun zajištěn úhlem mezi osami válců. V případě fázového posunu 90 svírají tedy osy válců tento úhel, Obr Model motoru [12] 30

28 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU přičemž je nutné dodržet správný smysl otáčení (např. při rozběhu) tak, aby expanzní píst předbíhal píst kompresní. Toto uspořádání je velmi časté a z evropských výrobců jej používá např. německá SOLO Kleinmotoren, GmbH [12] a vyvíjí tuzemská firma TEDOM [13]; obě pro kogenerační jednotky. Model takového uspořádání je na obr [12]. V případě, že jsou válce umístěny souběžně, je možné jejich připojení ke klikovému mechanizmu, ve kterém jsou kliky vzájemně natočeny o úhel požadovaného fázového posunutí. Toto uspořádání je schematicky naznačeno na obr Obr Schéma klikového mechanizmu pro souběžné písty Snaha o maximální snížení bočního zatížení pístů, které způsobuje rychlejší opotřebení těsnících členů, vede k nahrazování klikového mechanizmu jinými mechanizmy. Příkladem může být mechanizmus objevený Andy Rossem [22]. Je aplikovatelný na souběžně umístěné válce a je schématicky znázorněný na obr [23]. Symetrický Rossův převodový mechanizmus sestává z kliky (0-1), která a) b) Obr Rossův mechanizmus a) kinematické schéma [23] ; b) příklad použití [22] je spojena s pevným trojúhelníkem ( ). Pohyb trojúhelníku, který vede k rotaci kliky kolem středu 0, je omezen kyvným ramenem (2-3). Jestliže jsou rozměry jednotlivých částí mechanizmu vhodně zvoleny, pohybují se body 4 a 4 nahoru a dolů pouze s malým bočním vychýlením a mohou tak sloužit k připojení ojnic pístů [23]. 31

29 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU Modifikace α umožňuje při zařazení více válců vedle sebe dvojčinné uspořádání. Při řazení do kruhu toto představuje ideální uspořádání pro návrh kompaktního vysokovýkonného motoru [1]. Základním aplikovatelným mechanizmem je mechanizmus šikmé desky. Fázový posun je dán natočením os válců kolem společné osy. Sklon šikmé desky určuje zdvih pístů. Vývoj a použití je spjat s nizozemskou společností Philips Laboratories a její pozdější licencí pro United Stirling. Koncept mechanizmu šikmé desky pro Stirlingovy motory byl ve Philipsu znám již od 40. let minulého století. Roku 1964 byl obnoven pro zájem U.S. Navy o vývoj pohonu torpéd. Roku 1966 byla provedena analýza ztrát třením v mechanizmu šikmé desky u šestiválcového motoru o výkonu 500 HP. Ta prokázala ztrátu výkonu ve všech ložiscích pouhých 15 HP. Jediným problémem byla vysoká obvodová rychlost ložisek nesoucích šikmou desku [24]. Postupným vývojem vznikl motor Philips V4-65 (obr ) [9]. Jeho schéma můžeme vidět na obr [1]. V současné době je tento mechanizmus použit v motoru pro kogenerační jednotky firmy STM Power, Inc (obr ) [11]. Obr Schéma motoru s šikmou deskou [1] Pro dvojčinné uspořádání čtyř pístů do kruhu vyvinula vlastní mechanizmus společnost Whisper Tech. Jedná se o patentovaný kolébkový mechanizmus ( Wobble Yoke ). Kolébavý pohyb dvojic pístů vytváří rotační pohyb společného hřídele. Model je ukázán na obr Tento mechanizmus vykazuje velmi malé boční zatížení těsnění a vedení pístů a tedy vyšší životnost celého motoru [25]. Obr Kolébkový mechanizmus společnosti Whisper Tech [25] 32

30 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU Modifikace β Modifikace β obsahuje pracovní a přemísťovací píst ve stejném válci, kdy pístní tyč přemísťovacího pístu prochází dutým pístem a pístnicí pracovního pístu. To představuje velké problémy při konstrukci řídícího mechanizmu. Původní Stirlingovy motory modifikace β využívaly složitých a prostorově náročných pákových mechanizmů. Příkladem může být původní Stirlingův motor z roku 1816 a v tehdejší době velmi rozšířený Lehmannův Stirlingův motor z roku 1866 (obr ) [6, 8]. a) b) Obr a) Původní Stirlingův motor (1816) [6] ; b) Lehmannův Stirlingův motor (1866) [6] Základním mechanizmem pro modifikaci β může být opět klikový mechanizmus. Ten obsahuje kliku a ojnici pro každý z pístů. Vzhledem k tomu, že prochází pístnice přemísťovacího pístu pracovním pístem musí být alespoň pro přemísťovací píst klikový mechanizmus úplný, což zvyšuje požadavky na prostor. Také musí být zkonstruován tak, aby ojnice obou pístů vzájemně nekolidovaly. V případě, že je poloměr klik stejný, je dáno fázové posunutí 90 vzájemným natočením klik o tuto hodnotu. V případě, že jsou poloměry klik různé, hodnota vzájemného natočení se mění [23]. Obr Schéma rombického mechanizmu [1] 33

31 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU Ve firmě Philips byl v letech vyvíjen motor pro městský autobus (obr ), který využívá rombický mechanizmus. Tento mechanizmus byl objeven dr. R. Meijerem roku Schematicky je zobrazen na obr [1] a model je ukázán na obr [26]. Sestává ze dvou opačně orientovaných klikových mechanizmů. Kliky se otáčejí navzájem v opačném směru a jsou spojeny časovacím ústrojím v podobě stejných ozubených kol. Ojnice jsou spojeny horním a dolním třmenem, přičemž na horní třmen je připojena dutá pístnice pracovního pístu a na dolní pístnice Obr Model rombického mechanizmu [26] přemísťovacího pístu. Velikost fázového posunutí závisí na úhlu mezi ojnicemi. Umožňuje, aby byl motor po konstrukční i dynamické stránce zcela symetrický. V ideálním případě jsou zcela eliminovány boční síly působící na těsnění a ucpávky pístů a pístní tyč. Nevýhodou je relativní složitost a problematické vyvažování mechanizmu [1]. Podrobnou analýzu mechanizmu můžeme nalézt např. v [23]. Obr Schéma motoru s pákovým mechanizmem [1] 34

32 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU Také v relativně nedávné době se můžeme setkat s celou řadou pákových mechanizmů, podobně jako u Stirlingových motorů z 19. století. Příkladem může být motor z r (obr ) [1]. Pracovní píst ovládá klikový mechanizmus s vidlicovou ojnicí 1. Na ní je pomocí táhla 5 připojena kyvná uhlová páka 3, ke které je táhlem 4 připojena pístní tyč přemísťovacího pístu. Příkladem současného využití pákového mechanizmu je patentovaný mechanizmus označovaný jako zvonkový mechanizmus ( Bell-crank ) [27], neboť obsahuje zvonkovou uhlovou páku (v angličtině pochází označení zvonkový z historie, kdy byla taková páka používána u mechanických dveřních zvonků [28]). Mechanizmus je znázorněn na obr Základem je kyvná páka 18, která je na Obr Schéma zvonkového pákového mechanizmu [29] jednom konci čepem P1 připojena ke skříni stroje a na druhém čepem P3 k ojnici 20 pracovního pístu 14. Uprostřed páky 18 je čepem P2 připojena uhlová ( zvonková ) páka 22, na jejímž jednom konci je čepem P5 připojena ojnice 24 přemísťovacího pístu 16. Na druhém konci je páka 22 čepem P4 připojena ke klice 10, která vytváří rotaci výstupního hřídele P6 [29]. Tento mechanizmus je využit u velkého atmosférického motoru ST-5 o výkonu 5 kw pro kogeneraci v odlehlých oblastech. Vyvíjí a vyrábí jej společnost Stirling Technology, Inc. [30], která byla k tomuto účelu vytvořena společností SunPower, Inc. [31]. Dalším příkladem mechanizmu pro modifikaci β je tzv. motýlkový ( Bowtie ) mechanizmus. Poprvé byl použit u 3 kw motoru představeném v roce Tento mechanizmus (obr ) se skládá ze dvou částí, horní a dolní, které mají stejné rozměry (včetně polohy otočných čepů 2 a 2 ) a sdílejí společnou kliku v bodě 1=1. Na čep 4 je prostřednictvím táhla připojen přemísťovací a na čep 4 pracovní píst. Při vhodné volbě všech rozměrů mechanizmu je pohyb těchto bodů ve vodorovném směru jen velmi malý. Ve skutečnosti představuje každá (0132 a ) čtyřčlenný pákový mechanizmus. Vlastností motýlkového mechanizmu je, že u něj 35

33 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU nelze docílit současně poměru zdvihových objemů 1 a fázového posunu menšího než 120 [23]. Obr Schéma motýlkového mechanizmu [23] Vlastnosti β modifikace lze využít při návrhu mechanismu v podobě rotačního křivkového mechanizmu. Několik takových návrhů můžeme nalézt v on-line databázi US patentů (např. [32]). Příkladem mohou být mechanizmy ukázané na obr Mechanizmus a) s patentovým číslem 5,442,913 obsahuje rotační buben 8 a) b) Obr Mechanizmy s křivkovým rotačním bubnem [33, 34] 36

34 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU s jednou drážkou 9 po celém obvodě, ve které jsou vedeny čepy 6 a 7 nesoucí pístní tyče pístů 4 a 5. Vzájemná poloha čepů pístní tyče přemísťovacího a pracovního pístu zajišťuje fázové posunutí. Pístní tyče jsou vedeny ve svislých drážkách 11 druhého válce 13, aby bylo zamezeno jejich rotaci. Při pohybu pracovního pístu 3 je prostřednictvím vedení roztáčen buben 8 a ten způsobuje ve fázi posunutě přímočarý pohyb přemísťovacího pístu 2 [33]. Funkce mechanizmu b) s patentovým číslem 7,043,909 je podobná. Obsahuje 2 válce a buben s dvěmi drážkami, jednou pro pracovní a druhou pro přemísťovací písty. Fázový posun je zajištěn vzájemným natočením obou drážek [34] Modifikace γ V případě modifikace γ jsou používané mechanizmy stejné jako u modifikace α. Nejčastěji bývají písty uspořádány do L a nejjednodušší je použití klikového mechanizmu jako v případě uspořádání modifikace α do V, avšak pro přemísťovací píst je nutný úplný klikový mechanizmus (obr. 2.4). Další časté uspořádání je v podobě souběžných válců a mechanizmy jsou zde stejné jako u tohoto uspořádání modifikace α. 4.3 Stirlingovy motory s volnými písty 4.3 Kromě strojů, kde je pohyb pístů řízen plně mechanicky (bývají označovány jako kinematické motory) existují také stroje, kde je tohoto dosaženo přímo účinkem tlakových sil v pracovním prostoru. Takto ovládaný píst je označován jako volný a není nijak pevně spojený s výstupem z motoru. Uspořádání je omezeno na motor s pracovním a přemísťovacím pístem, tedy modifikaci β nebo γ. Mezi tyto stroje patří Bealův motor, který má volný jak pracovní tak i přemísťovací píst, a Ringbomův motor, jehož přemísťovací píst je volný a pohyb pracovního pístu je řízen např. klasickým klikovým mechanizmem. Kromě toho se můžeme setkat také se strojem, kdy je pracovní píst volný a přemísťovací píst mechanicky řízený [35, 36]. Ringbomův motor je pojmenován podle finského vynálezce Ossiana Ringboma, který si jej nechal patentovat již roku 1905 [6]. Někdy bývá také označován jako hybridní Stirlingův motor, neboť se koncepčně nachází mezi stroji s plně mechanickým řízením pístů a stroji s oběma písty volnými [1]. Původní Ringbomův motor v modifikaci γ je ukázán na obr a) [6]. Volný přemísťovací píst je na jedné straně veden na nehybné tyči o poměrně velkém průměru a celá funkce je založena na tom, že při zvýšení tlaku v pracovním prostoru motoru nad tlak okolí je síla působící na plochu pístu na straně bez tyče větší než na opačné straně a píst se pohybuje směrem nahoru. K opačnému pohybu je zde využito gravitační síly na přemísťovací píst při poklesu tlaku. To ovšem omezuje maximální otáčky motoru, a proto je vhodnější nahrazení tyče pístnicí, která se pohybuje spolu s pístem a vystupuje ven z motoru, kde na ní působí atmosférický tlak, který je v daném okamžiku větší než tlak v motoru. Navíc tato varianta umožňuje tzv. dvojpolohový pohyb volného přemísťovacího pístu (obr b) [21]. V tomto případě také motor 37

35 MECHANIZMY OVLÁDÁNÍ PÍSTŮ VE STIRLINGOVĚ MOTORU a) b) Obr a) Ringbomův Stirlingův motor z roku 1905 [6] b) schéma Ringbomova motoru [21] pracuje v libovolné poloze; průchozí pístnici je však potřeba utěsnit. Podrobněji bude funkce vysvětlena na motoru s oběma volnými písty. Motor s oběma volnými písty vynalezl roku 1964 William Beale, profesor na univerzitě v Ohiu. U tohoto motoru se pro svou jednoduchost setkáváme výhradně s modifikací β. Funkce je podobná jako u Ringbomova motoru. Potřebné dynamické účinky klikového mechanizmu se setrvačníkem zde nahrazuje těžký pracovní píst s pružinou, kterou často představuje plyn, pružící v prostoru pod tímto pístem. Vratný pohyb pracovního pístu se převádí v elektrickou energii prostřednictvím lineárního alternátoru uvnitř motoru. Bealeův motor se může sám rozběhnout. Rozběh a následný chod je pomocí diagramů znázorněn na obr [1]. Motor se v podstatě skládá ze tří základních částí, těžkého pracovního pístu, lehkého přemísťovacího pístu a válce utěsněného na obou koncích, jak je také vidět na obr Masívní pístní tyč přemísťovacího pístu prochází pracovním pístem. Prostor pod pracovním pístem představuje pružící prostor ( bounce space ). Pracovní prostor je část válce nad pracovním pístem a je rozdělen na kompresní prostor mezi pracovním a přemísťovací pístem a expanzní prostor nad přemísťovacím pístem. Mezi stěnou válce a přemísťovacím pístem je malý prostor umožňující proudění plynu a představuje regenerátor. Uvažujme systém v klidu v poloze 0. Tlak je stejný v celém motoru a teplota je stejná jako teplota okolí. Nyní nechme expanzní prostor ohřívat ohřívačem. Jakmile teplota vzroste, tlak média p w v uzavřeném pracovním prostoru stoupne z 0 na 1. Nárůst tlaku způsobí pohyb obou pístů dolů. Síla působící na pracovní píst je F = p p ) ( A A ), kde A c je průřez válce a A r průřez pístní tyče, a na přemísťovací píst p ( w b c r F d = ( p p ) A. Zrychlení pracovního pístu je tedy w b r 38