j a k t o d z i a ł a
ilniki parowe umożliwiły dokonanie się rewolucji para dopływa do przestrzeni po prawej stronie tłoka,
przemysłowej. Swojego czasu napędzały w zasadzie lewa przestrzeń cylindra połączona jest poprzez suwak
Swszystko, od maszyn w fabrykach, poprzez lokomo- z dyszą wylotową. W chwili, gdy suwak przerwie dop-
tywy i statki, aż do samochodów. Obecnie odeszły na ływ pary, znajdująca się pod ciS
nieniem w prawej
boczny tor, choć ze względu na niezawodnoS
ć są uży- przestrzeni cylindra para rozpręża się i przesuwa tłok
wane do zasilania np. generatorów awaryjnych, a loko- w cylindrze w lewo - do skrajnego położenia. Następ-
motywy parowe stosowane są nadal w krajach rozwija- nie suwak przesuwa się i cykl powtarza się w przeciw-
jących się. nym kierunku. Uruchamianie suwaków odbywa się za
pomocą mimoS
rodu, pracującego syn-
chronicznie z kołami, drążka mimoS
ro-
dowego oraz mechanizmu stawidłowe-
go, który zawieszony jest na ostoi (ra-
Dwa zupełnie różne
mie) parowozu i nastawiany nastawni-
cą znajdującą się w budce maszynisty.
Element ten umożliwia maszyniS
cie tak-
że jazdę do tyłu.
Para zużyta wyrzucana jest do at-
mosfery (tak naprawdę jej częS
ć dostaje
SILNIKI CIEPLNE
się do dymnicy, gdzie kondensuje się
Ma r e k Ut k i n
DZI AŁANI E SI LNI KA
PAROWEGO LOKOMOTYWY
Silnik parowozu różni się od stacjonarnego silni-
ka parowego tym, iż można w nim regulować kierunek
obrotów oraz napełnienie cylindrów. W maszynach sta-
tycznych prędkoS
ć obrotową regulowano wyłącznie
ciS
nieniem dostarczanej pary. W cylindrze znajduje się
tłok, osadzony na trzonie tłokowym. W lokomotywie
ruch posuwisty tłoków przenoszony jest na zestawy
napędne przez mechanizm napędowy, składający się
z krzyżulca, korbowodu, łączącego krzyżulec z czo-
pem korbowym jednego z kół napędnych, oraz wiąza-
rów, łączących ze sobą czopy korbowe wszystkich
zestawów napędnych. Dzięki wiązarom wszystkie na-
pędzane koła parowozu poruszają się jednoczeS
nie. Su-
wak, czyli rodzaj przesuwnego zaworu umieszczony
w skrzyni suwakowej, do której napływa przegrzana
para i tam dokonuje rozrządu pary  steruje jej dopły-
wem do cylindra, czyli umożliwia naprzemienne wyt-
warzanie nacisku na dwie strony tłoka. Z chwilą, gdy
Na rysunku widoczne są podstawowe elementy silnika pa-
rowego dwustronnego działania z rozrządem suwakowym.
i wytwarza podciS
nienie,
zapewniające ciąg pomimo
elementy stawidła
relatywnie niskiego komi-
suwak
korbowód
na). W działających ekono-
trzon tłokowy
miczniej silnikach dwustop-
niowych (pat. J.C. Hornblo-
tłok
wer, 1781, wyk. A. Woolf,
krzyżulec
1804) rozprężona para prze-
chodzi do większych cylin-
drów kolejnego stopnia,
działających pod niższym
ciS
nieniem (stopni bywało
więcej, w silnikach okręto-
wych nawet do 4) i jest wy-
rzucana dopiero stamtąd.
26
2
6
koło zestawu
napędnego
MA
ODY TECHNIK
4/2005
Na rysunku widoczny jest krzyżulec połą-
czony z korbowodem, który z kolei połą-
czony jest z kołem osadzonym na osi sil-
nikowej, czyli otrzymującym napęd bez-
pośrednio przez korbowód od maszyny
parowej. Trzy koła połączone są wiązara-
mi, aby obracały się jednocześnie.
Charakterystyczny dx
więk lo-
komotywy jest właS
nie wynikiem
wyrzucania pary na zewnątrz. Gdy
lokomotywa (niemająca sprzęgła) ru-
sza, tłok początkowo przemieszcza
się bardzo wolno, wytwarzając og-
romny moment, a w miarę przyspie-
szania pociągu nabiera prędkoS
ci.
Kot ł y
Para o wysokim ciS
nieniu, za-
silająca silnik parowy, jest wytwa-
rzana w kotle. Istnieją dwa rodzaje
kotłów: płomieniówkowy (ogniorur-
kowy) i wodnorurkowy (opłomkowy).
Kotły płomieniówkowe były
stosowane głównie w XIX w. Składa-
ły się ze zbiornika, przez który prze-
biegały na wylot liczne rury. Rurami
tymi płynęły gorące gazy pochodzą-
ce ze spalania węgla, które podgrze-
wały wodę. W kotle płomieniówko-
wym cały zbiornik jest pod ciS
nie-
niem, a więc uszkodzenie zbiornika
może spowodować wybuch o wiel-
kiej sile rażenia (zdarzało się to na
tyle często, że wzmianki o tym moż-
na znalex
ć nawet w literaturze nie-
technicznej z tego okresu  choćby
w  Przygodach Hucka M. Twaina
czy noweli  Dym M. Konopnickiej).
Obecnie powszechnie stosuje
się kotły wodnorurkowe (opłomko-
we), w których woda przepływa sze-
regiem rur, umieszczonych ponad pa-
leniskiem, co zapewnia odbieranie
maksimum ciepła ze spalin.
27
2
7
MA
ODY TECHNIK
4/2005
1
j a k t o d z i a ł a
To powoduje ruch tłoka
J AK DZI AŁA do dołu. W tej częS
ci cyk-
lu Stirlinga jest wykony-
SI LNI K STI RLI NGA wana praca.
2
W wyniku działania koła
Silnik Stirlinga jest maszyną cieplną, różniącą się zamachowego i wału kor-
ogromnie od samochodowego silnika wewnętrznego bowego tłok po lewej
spalania. Wynaleziony przez Roberta Stirlinga w 1816 r., ( ciepły ) idzie do góry,
potencjalnie może być znacznie wydajniejszy od silni- podczas gdy tłok po pra-
2
ków Otto lub Diesla. Obecnie silniki Stirlinga znajdują wej ( zimny ) przemiesz-
jedynie bardzo specjalistyczne zastosowania, gdyż nie cza się w dół. To przetła-
mają rozrządu, nie korzystają ze spalania wybuchowego cza rozgrzany gaz do cy-
i nie mają wydechu, czyli x
ródeł hałasu, a dzięki temu lindra zimnego, co powo-
są niemal bezgłoS
ne. Silniki takie są wykorzystywane duje szybkie oziębienie
np. do napędzania szwedzkich okrętów podwodnych gazu do temperatury
typu Gottland jako ciche x
ródło napędu do  pełzania chłodziwa, co z kolei po-
w zanurzeniu oraz w generatorach na jachtach, a także woduje obniżenie obję-
do napędzania podzespołów w satelitach. Obecnie nad toS
ci, czyli ciS
nienia. To
silnikiem Stirlinga pracuje wielu wynalazców i rozważa- zaS
umożliwia łatwiejsze
ne jest nawet zastosowanie go w lotnictwie. sprężenie gazu w następ-
Silnik ten działa zgodnie z cyklem Stirlinga, który nej częS
ci cyklu.
3
różni się od cyklu silników wewnętrznego spalania. Ga- Tłok w zimnym cylindrze
3
zy w silniku Stirlinga nigdy się z niego nie wydosta- (po prawej) zaczyna sprę-
ją. Nie ma zaworów wydechowych, przez które ulat- żać gaz. Ciepło wytwo-
niają się gazy pod wysokim ciS
nieniem, ani nie nastę- rzone przez sprężanie jest
pują wybuchy. Z tego powodu silniki Stirlinga są bar- odbierane przez chłodziwo.
4
dzo ciche. Tłok po prawej stronie
W cyklu Stirlinga stosuje się zewnętrzne x
ródło wędruje do góry, podczas
ciepła, którym może być wszystko  od benzynowej ku- gdy lewy idzie w dół. To
chenki turystycznej po kolektor słoneczny, lub ciepło powoduje przetłoczenie
wytwarzane przez fermentację nawozu. Istnieją setki gazu w minimum objętoS
-
rodzajów silnika Stirlinga. ci do cylindra ciepłego,
gdzie szybko rozgrzewa
się, powoduje wzrost ciS
-
4
Cykl St i r l i nga nienia i od tego punktu
cykl się powtarza.
Podstawą działania silnika Stirlinga jest to, że
jest w nim zamknięta stała iloS
ć gazu. Cykl Stirlinga Silnik Stirlinga wyko-
wymaga, aby nastąpiła seria zdarzeń, które powodują nuje pracę tylko w pierwszej
zmianę ciS
nienia w silniku, sprawiając, że pracuje. Wy- częS
ci cyklu. Są dwa sposo-
nika to z właS
ciwoS
ci gazów, które umożliwiają działa- by na zwiększenie mocy sil-
nie silnika: nika Stirlinga:
JeS
li masz stałą iloS
ć gazu w stałej objętoS
ci i zwięk-
szasz temperaturę gazu, ciS
nienie wzroS
nie. Zwiększenie mocy w fazie
JeS
li masz stałą iloS
ć gazu i sprężasz go (zmniej- pierwszej, w której ciS
nie-
szasz objętoS
ć), temperatura gazu wzroS
nie. nie podgrzewanego gazu
wykonuje pracę. Zwiększenie ciS
nienia w tej częS
ci
Działanie cyklu zwiększy moc silnika. Jedną z metod podnie-
Przeanalizujmy częS
ci cyklu Stirlinga na uprosz- sienia ciS
nienia jest zwiększenie temperatury gazu.
czonym modelu. W podstawowej konfiguracji silnik Dalej jest opisany silnik Stirlinga z regeneratorem,
składa się z dwóch cylindrów (ciepłego i zimnego) i nie który czasowo magazynuje ciepło.
wymaga w ogóle spalania - korzysta wyłącznie z różni- Zmniejszenie zużycia energii w fazie trzeciej, w któ-
cy temperatur pomiędzy cylindrami. Cylinder ciepły rej tłok wywiera nacisk na gaz, zużywając częS
ć mo-
jest podgrzewany zewnętrznym x
ródłem ciepła (np. og- cy, wytworzonej w fazie pierwszej. Obniżenie ciS
nie-
niem), a zimny  chłodzony, np. lodem. Komory obyd- nia w tej częS
ci cyklu może obniżyć zużycie energii
wóch cylindrów są połączone tak, że gaz przepływa w tej fazie (zwiększając moc użyteczną silnika). Jed-
pomiędzy nimi. Tłoki z kolei są połączone wałem korbo- nym ze sposobów obniżenia ciS
nienia jest ochłodze-
wym tak, aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok nie gazu.
w cylindrze zimnym o 1/4 cyklu ruchu. Tak wygląda idealny cykl Stirlinga. Rzeczywiste
silniki pracują według cyklu nieco zmienionego z po-
Cztery fazy cyklu Stirlinga wodu fizycznych ograniczeń konstrukcji. Następne dwa
1
Gaz w cylindrze po lewej stronie jest podgrzewany, modele to wersja z tłokiem wypornoS
ciowym oraz z re-
przez co wzrasta jego objętoS
ć, a zatem ciS
nienie. generatorem.
28
2
8
MA
ODY TECHNIK
4/2005
12
Si l ni k St i r l i nga
z tłokiem wypornoS
ciowym
Zamiast mieć dwa tłoki, silnik z tłokiem wypor-
noS
ciowym posiada tłok normalny i duży tłok wypor-
noS
ciowy. Tłok wypornoS
ciowy służy do sterowania
3 4
tym, kiedy komora gazowa jest podgrzewana, a kiedy
chłodzona. Ten rodzaj silnika Stirlinga jest stosowany
niekiedy do demonstracji w szkołach.
Aby pracować, silnik z tłokiem wypornoS
ciowym
wymaga wytworzenia różnicy temperatur pomiędzy
górną i dolną częS
cią wielkiego cylindra. W przypadku
małych modeli do napędu wystarcza różnica tempera-
tur dłoni i otaczającego powietrza.
Na rysunku widoczne są dwa tłoki:
1. Tłok napędowy  to mniejszy tłok na górze silnika.
Jest on szczelnie dopasowany i porusza się do góry,
gdy gaz w silniku rozpręża się. pozwala na utrzymanie tłoków w ruchu, gdy silnik nie
2. Tłok wypornoS
ciowy  to duży tłok w większej ko- wytwarza siły napędowej. Płomień stale podgrzewa
morze. Ten tłok jest umieszczony lux
no w cylindrze, dno cylindra.
a więc powietrze może przepływać swobodnie po- 1. W pierwszej fazie cyklu, ciS
nienie roS
nie, zmuszając
między częS
cią ogrzaną i chłodzoną silnika w czasie, tłok, aby przesunął się w lewo, wykonując pracę.
gdy tłok porusza się do dołu i do góry. Tłok zimny pozostaje niemal nierucho-
my, ponieważ jest w skrajnym położe-
Tłok wypornoS
ciowy porusza się niu, podczas zmiany kierunku działania.
w górę i w dół, aby sterować podgrzewa- 2. W następnej fazie oba tłoki poruszają
niem i chłodzeniem gazu w silniku. Zaj- się. Tłok gorący przemieszcza się w pra-
muje on dwie skrajne pozycje: wo, a tłok zimny ku górze. To powoduje
Gdy tłok wypornoS
ciowy znajduje się przemieszczenie większoS
ci gazu przez
w pobliżu wierzchołka dużego cylindra, regenerator i do cylindra zimnego. Rege-
większa częS
ć gazu wewnątrz silnika nerator jest urządzeniem, które czasowo
jest podgrzewana przez x
ródło ciepła akumuluje ciepło. Może to być np. skrę-
i rozszerza się. CiS
nienie wewnątrz sil- cona siatka druciana, przez którą przep-
nika roS
nie, wypychając tłok napędowy ływa rozgrzany gaz. Duża powierzchnia
do góry. drutu szybko przyjmuje większoS
ć ciep-
Gdy tłok wypornoS
ciowy znajduje się ła. To sprawia, że mniej ciepła musi być
w pobliżu dolnej częS
ci dużego cylin- odprowadzone przez radiator cylindra.
dra, większa częS
ć gazu wewnątrz sil- 3. Następnie tłok w cylindrze zimnym
nika chłodzi się i kurczy. To sprawia, że zaczyna sprężać gaz. Ciepło wytworzo-
ciS
nienie spada, co ułatwia ruch tłoka ne w czasie sprężania jest odprowadza-
napędowego w dół i sprężenie gazu. ne przez radiator.
4. W ostatniej fazie cyklu oba tłoki się
Silnik w sposób powtarzający się poruszają  tłok zimny porusza się
podgrzewa i chłodzi gaz, uzyskując ener- w dół, podczas gdy gorący porusza się
gię z rozszerzania i kurczenia się gazu. w lewo. To powoduje przetłoczenie gazu
przez regenerator (gdzie pobiera ciepło,
zmagazynowane tam w drugiej fazie
Si l ni k St i r l i nga cyklu) i napłynięcie do cylindra gorące-
go. Od tego punktu cykl się powtarza.
z r egener at or em
Dlaczego silników Stirlinga nie
W tym silniku cylinder ciepły jest spotyka się w masowej produkcji? Pod-
ogrzewany zewnętrznym płomieniem. Cy- stawowym problemem jest wielkoS
ć
linder zimny jest chłodzony powietrzem w stosunku do uzyskiwanej mocy oraz
i ma radiator do wspomagania procesu chłodzenia. Kor- trudnoS
ć w uzyskaniu zmiany prędkoS
ci obrotów, która
bowód wystający z każdego tłoka jest połączony z ma- jest niezbędna przy napędzaniu pojazdów. Trzeba wte-
łą tarczą, do której jest podłączone koło zamachowe. To dy napędzać nim np. generator i silniki elektryczne
w kołach. Z drugiej strony, w obliczu kryzysu energe-
tycznego, silnik Stirlinga nie powiedział jeszcze ostat-
y
ródło ciepła w silniku Stirlinga to:
niego słowa.
29
2
9
a) ciepły cylinder
b) dowolne z
ródło zewnętrzne
c) sprężona para
MA
ODY TECHNIK
4/2005
MINI QUIZ MT
CZYTAM, WI
C WIEM