La automobilele de astăzi, motorul cu ardere internă, motorul electric sau o combinație a acestora sunt de obicei responsabile pentru generarea energiei cinetice necesare mișcării. Cu toate acestea, există o resursă veche de peste două sute de ani care câștigă puterea și termic și eficiența sa este semnificativ mai bună, decât cea a oricărui motor cu ardere internă.

În acest articol, vom arăta de ce motorul Stirling se ridică deasupra tuturor concurenților săi și care sunt motivele pentru care încă pierde în lupta pentru piețe precum industria auto.

Prezentare 

Prezența motorului Stirling este cel puțin la fel de specială ca și motorul în sine. Primele înscrieiri, care pot fi considerate istoria motorului în sens tehnic, datează din 1699 (atribuite francezului Guillaume Amontons) care vorbesc despre motoarele cu aer. În această perioadă au început să apară descrieri exacte ale legilor gazelor – coincidență nu este cu siguranță întâmplătoare.

Cu toate acestea, implementarea practică ar fi necesitat o tehnologie de producție care nu era suficientă pentru producerea unui motor Stirling la acea vreme și nici tehnologia nu era gata.

Deși a fost numit după Robert Stirling, de fapt primul motor cu aer funcțional, care este de fapt predecesorul motorului Stirling, a fost construit de Sir George Caley în 1807.

Scoțianul Robert Stirling avea încă 17 ani pe atunci și se pregătea să devină ministru, deși întreaga sa familie lucra în domeniul ingineriei. A studiat teologia la Universitatea din Edinburgh, absolvind în 1809 cu o diplomă. Cu toate acestea, în ciuda vocației, nu a reușit să renunțe la entuziasmul inovațiilor tehnice, așa că a făcut în mod regulat lucrări de inginerie - și, în același timp, a urmat cursuri tehnice la universitate.

În 1816, a obținut brevetul pentru motorul Stirling. Deși Caley a ajuns în acest stadiu cu 9 ani mai devreme, cele două motoare au funcționat complet diferit în ceea ce privește fluxul de aer, așa că nu au fost considerate ca fiind identice.

Tot în acest an, Stirling a înregistrat un alt brevet conex: „Economiser”, care este în esență un dispozitiv de îmbunătățire a eficienței pe propriul motor. În termeni tehnici, poate fi considerat predecesorul schimbătorului de căldură regenerativ. După aceea, a continuat să lucreze cu fratele lui Robert Stirling, inginerul James Stirling și în 1827 au obținut un alt brevet cu un al doilea motor, cea mai importantă modificare a fost o pompă de aer comprimat, putând crește semnificativ presiunea internă a sistemului.

Scopul lor era clar: de a învinge motoarele cu abur. În anii 1830 au fost înființate mai multe companii care s-au ocupat în mod special de motoarele cu aer, dar invenția lui Stirling s-a remarcat printre multe, datorită “economizorului”.

După câțiva pași spre performanță, până în anii 1840 a fost posibilă înlocuirea motoarelor cu abur. Deși acestea din urmă erau mult mai mature și mai mari, eficiența lor (10%) a fost mai mică decât cea a motorului Stirling, iar până la mijlocul secolului, erau capabili să livreze 45-50 de cai putere.

Descriere generală și structură

Motoarele de aer promiteau nu numai o mai mare eficiență, ci și o mai mare siguranță operațională. Presiunea mare de funcționare a motoarelor cu abur și posibilele defecte de fabricație, de asamblare sau de material au provocat adesea explozii care au fost fatale în cele mai multe cazuri.

Dacă resursele bazate pe ciclurile Otto și Diesel sunt numite motoare cu ardere internă, atunci invenția lui Stirling poate fi numită în mod clar un motor cu ardere externă. Această resursă conține o masă dată de gaz izolată de mediu; poate fi hidrogen, heliu sau aer simplu.

Aici intră din nou în joc descrierea legilor gazelor, deoarece acest gaz etanș își modifică parametrii (presiune, volum, temperatură) în funcție de aceștia. Ca urmare a încălzirii, presiunea gazului crește și începe să se extindă atunci când este atinsă presiunea corespunzătoare, și anume prin mișcarea pistonului – deci efectuează un lucru mecanic.

Acest gaz este răcit la sfârșitul ciclului de lucru, astfel încât presiunea sa scade; prin urmare, va fi necesară mai puțină muncă pentru a-l comprima din nou, astfel încât bilanțul energetic va fi pozitiv – acest rezultat pozitiv va apărea pe arborele motorului. Fluxul de gaz între schimbătoarele de căldură de încălzire și de răcire se repetă ciclic.

Deoarece gazul folosit pentru lucru nu părăsește motorul, nu este nevoie de supape, astfel încât controlul motorului – și a întregii construcții – este semnificativ mai simplu.

Procesul circular și caracteristici

În teorie, ciclul Carnot are cea mai bună eficiență, dar Stirling nu este departe. Constă din următoarele procese:

• Încălzire (1)
• Expansiune izotermă (2)
• Răcire (3)
• Contracție izotermă (4)

Diferitele etape ale motorului Stirling în ordine, începând din stânga (Sursă: www.wikipedia.org)

Motorul Stirling are o caracteristică pe care puține resurse o au: ciclul poate fi inversat, astfel încât funcționează ca un răcitor atunci când este antrenat de o forță externă. Philips a folosit o astfel de “fantezie” în anii 1950 și a fost folosit pentru a produce azot lichid.

În plus, deoarece materia primă necesară arderii nu intră în contact cu gazul care efectuează lucrarea, aproape orice combustibil poate fi folosit pentru a funcționa motorul – nu întâmplător, arderea este mult mai controlabilă, deci puritatea gazelor de eșapament poate fi realizat mai ușor.

La majoritatea motoarelor Stirling, acestea încearcă să profite de faptul că rulmentul poate fi plasat și pe partea rece, astfel încât lubrifierea este mai ușor de rezolvat, iar intervalul de service poate fi mai lung.

Presiunea de funcționare este scăzută în comparație cu cea a unui motor cu ardere internă, astfel încât sarcina asupra elementelor structurale este mai mică, făcând astfel întregul motor mai ușor. Deoarece arderea nu este de tip puls și ciclică, ci continuă, structura este extrem de silențioasă, cu vibrații neglijabile.

Deoarece gazul de lucru este etanș, nu este nevoie de aer ambiental, deci poate fi ideal pentru operarea pe submarine.

Motivul pentru care nu îl folosim la automobile

Deși are multe avantaje, motorul Stirling are și câteva dezavantaje care în prezent par de neevitat.

Schimbătoarele de căldură pe partea rece și cea fierbinte sunt foarte scumpe și dacă nu există o diferență mare de temperatură între ele, acestea trebuie proiectate la scară largă. Deci motorul în sine degeaba este mic, dacă cu schimbătoarele de căldură ia deja dimensiuni semnificativ mai mari decât o versiune cu ardere internă.

Un alt dezavantaj pentru autovehicule este că motorul Stirling nu poate fi pornit rapid, doar cu o încălzire lentă.

Motorul STM Stirling (sursa: www.wikipedia.org)

Flexibilitatea motorului este o problemă. Puterea furnizată în prezent poate fi schimbată doar pe o perioadă foarte lungă de timp, o reacție imediată a gazului este practic de neimaginat.

Un obstacol, poate chiar mai mare decât acestea, este pierderea de căldură generată atunci când mediul este încălzit care împiedică complet motorul Stirling să fie eficient într-o mașină.

Cu toate acestea, în zonele în care aceste caracteristici sunt mai puțin relevante (instalații, poziții stabile ale motorului, alte sarcini care necesită performanță constantă), ele sunt încă utilizate și astăzi.