A motor, ami nem belső égésű, mégsem villany

A jelenkor személygépkocsijában jellemzően a belső égésű motor, az elektromotor, vagy ezek kombinációja felel a mozgáshoz szükséges mozgási energia előállításáért. Létezik azonban egy több mint kétszáz éves erőforrás, amely szintén termikus úton nyeri az erejét, hatásfoka pedig jelentősen jobb, mint bármelyik belső égésű motoré.

Ebben a cikkben bemutatjuk, hogy miért magasodik minden versenytársa fölé a Stirling-motor, és hogy melyek azok az okok, amiért mégis esélytelenül alulmarad az olyan piacokért vívott harcban, mint például az autóipar.

Történeti áttekintés

A Stirling-motor felbukkanása legalább annyira különleges, mint maga az erőforrás.

Az első fejlegyzések, melyek technikai értelemben a motor előzményeinek tekinthetők, egészen 1699-ig nyúlnak vissza (a francia Guillaume Amontons nevéhez fűződik), melyek légmotorokról szólnak. Ekkoriban kezdtek el megjelenni a gáztörvények egzakt leírásai is – az egybeesés természetesen nem véletlen.

A gyakorlati megvalósításhoz azonban olyan gyártástechnológia lett volna szükséges, mely akkor nem, vagy minimális mértékben lett volna elégséges egy Stirling-motor előállításához, ráadásul a technológia sem volt kész.

Bár Robert Stirlingről kapta a nevét, valójában az első működő légmotort, mely tulajdonképpen a Stirling-motor elődjének számít, Sir George Caley építette meg 1807-ben.

A skót Robert Stirling ekkor még 17 éves volt, és lelkésznek készült, holott az egész családja mérnöki pályán tevékenykedett. Teológiát hallgatott Edinburgh-i Egyetemen, tanulmányait 1809-ben diplomával zárta. Azonban hiába a hivatás, képtelen volt lemondani a műszaki innovációk izgalmáról, így rendszeresen végzett mérnöki munkát is – és egyúttal hallgatta a műszaki kurzusokat az egyetemen.

1816-ban szerezte meg a Stirling-motor szabadalmát. Bár Caley 9 évvel hamarabb ért el ehhez a fázishoz, a levegő áramlásának tekintetében teljesen másképp működött a két motor, így nem tekintették azonosnak azokat.

Ebben az évben Stirling egy másik, ehhez kapcsolódó szabadalmat is jegyez: az „Economiser”-t, mely lényegében egy hatásfokjavító eszköz a saját motorján. Technikai értelemben a regeneratív hőcserélő elődjének tekinthető.

Ezt követően Robert Stirling fivérével, a mérnök James Stirlinggel folytatta tovább a munkát, és 1827-ben újabb szabadalmat szereztek egy második motorral, melynek legfontosabb módosítása egy sűrítettlevegős szivattyú, mellyel jelentősen növelhették a rendszer belső nyomását.

A cél egyértelmű volt: legyőzni a gőzgépeket. Számos cég alakult meg az 1830-as évekre, melyek kifejezetten légmotorokkal foglalkoztak, azonban Stirling találmánya kiemelkedett a sok közül, többek között az Economisernek köszönhetően.

Néhány teljesítménylépcső után az 1840-es évekre sikerült elérni, hogy bizonyos feladatkörökben valóban sikerüljön kiváltani a gőzgépeket. Noha utóbbiak jóval kiforrottabban és nagyobbak voltak, hatásfokuk (10%) eltörpült a Stirling-motoré mellett. A század közepére 45-50 lóerő leadására voltak képesek.

Általános leírás, felépítés

A légmotorok nem csak a nagyobb hatásfok, hanem a nagyobb üzembiztonság ígéretével is kecsegtettek. A gőzgépek nagy üzemi nyomása és esetleges gyártási-, illesztési- vagy anyaghibái gyakran okoztak robbanásokat, melyek számos alkalommal halálos kimenetelűek voltak.

Ha az Otto- és Diesel-körfolyamaton alapuló erőforrásokat belső égésű motoroknak nevezzük, akkor Stirling találmánya egyértelműen titulálható külső égésű motornak.

Ebben az erőforrásban egy adott tömegű, környezettől izolált gáz van; ez lehet hidrogén, hélium, vagy egyszerű levegő is.

Itt kerül képbe újra a gáztörvények leírása, ugyanis ez az elzárt gáz ezek alapján változtatja a paramétereit (nyomás, térfogat, hőmérséklet). Melegítés hatására a gáz nyomása megnő. Ennek következtében a megfelelő nyomás elérésével terjeszkedni kezd, mégpedig a dugattyú elmozdításával – tehát mechanikai munkát végez.

Ezt a gázt a munkaciklus végén lehűtik, így a nyomása visszaesik; ennélfogva kevesebb munkára lesz szükség ahhoz, hogy ismét összesűrítsük, azaz az energiamérleg pozitív lesz – ez a pozitív eredmény fog megjelenni a motor tengelyén. A gáz áramlása a fűtő és hűtő hőcserélők között ciklikusan ismétlődik.

Mivel a munkavégzésre használt gáz nem távozik a motorból, szelepekre sincs szükség, így a motor vezérlése – és a teljes konstrukció is jelentősen egyszerűbb.

Körfolyamat, jellemzők

Elméletileg a Carnot-körfolyamat rendelkezik a legjobb hatásfokkal, ám a Stirling sem áll messze ettől. Az alábbi folyamatokból áll:

• Melegítés (1)
• Izotermikus tágulás (2)
• Hűtés (3)
• Izotermikus összehúzódás (4)

A Stirling-motornak van egy olyan tulajdonsága, mellyel kevés erőforrás rendelkezik: a körfolyamat megfordítható, azaz külső erővel hajtva hűtőként funkcionál. Ebben a Philips látott fantáziát, és az 1950-es években cseppfolyós nitrogén gyártásához használták.

Emellett, mivel az égéshez szükséges alapanyag nem érintkezik a munkát végző gázzal, szinte bármilyen üzemanyag felhasználható a motor üzemeltetéséhez – nem mellékesen így az égés sokkal kontrollálhatóbb, tehát a kipufogógáz tisztasága is egyszerűbben elérhető.

A legtöbb Stirling-motornál igyekeznek kihasználni, hogy a csapágyazás a hideg oldalon is elhelyezhető, ezért egyszerűbb megoldani a kenést, és a szervizintervallum is hosszabb lehet.

Az üzemi nyomás egy belső égésű motoréhoz képest csekély, így a szerkezeti elemek terhelés is kisebb, ezáltal könnyebbé tehető a teljes motor. Mivel az égés nem impulzusszerű és ciklikus, hanem folyamatos, a szerkezet rendkívül halk, elenyésző a vibráció.

Mivel a munkagáz zárt, nincs szükség a környezeti levegőre, így ideális lehet tengeralattjárókon való üzemeltetésre.

Amiért mégsem használjuk autókban

Bár rengeteg az előnyös tulajdonsága, a Stirling-motor rendelkezik néhány, jelenleg megkerülhetetlennek tűnő hátránnyal is.

A hideg- és melegoldali hőcserélők igen költségesek, ráadásul ha nincs köztük nagy hőmérsékletkülönbség, akkor nagyméretűre kell tervezni őket. Hiába kicsi tehát maga a motor, ha a hőcserélőkkel már jelentősen nagyobb méreteket ölt, mint egy belső égésű változat.

Gépkocsiknál szintén fájdalmas pont, hogy a Stirling-motort nem lehet gyorsan beindítani, csak lassú felmelegedéssel.

Szintén probléma a motor rugalmassága. Az aktuálisan leadott teljesítményt csak nagyon hosszú idő alatt lehet megváltoztatni, az azonnali gázreakció gyakorlatilag elképzelhetetlen.

Egy, talán ezeket is meghaladó akadály a környezet felmelegítésekor keletkező hőveszteség, ami végképp meggátolja, hogy a Stirling-motor sikeres lehessen egy gépkocsiban.

Azonban olyan területeken, ahol ezek a jellemzők kevésbé relevánsak (üzemek, stabilmotor pozíciók, egyéb állandó teljesítményt kívánó feladatok), a mai napig használják őket.