Tribotechnické problémy pri realizácii piestových motorov s vonkajším prívodom tepla
Meniče tepelnej energie na energiu mechanickú využívajúce expanziu plynu, sú termodynamické stroje - motory, pracujúce podľa niektorého, z tepelných obehov.
Z motorov s vonkajším prívodom tepla pokladáme za zaujmavé Stirlingov motor, Ericssonov motor a parný stroj.
Obr. 1 Výroba kľukovej skrine Stirlingovho motora Obr. 2 Generátor zo Stirlingovho motorgenerátora
Ich vývoj je trochu v tieni vynikajúcich klasických spaľovacích motorov, palivových článkov, nových úžasných elektrických batérií a pokročilej foto-voltaiky. Jedným z dôvodov, prečo sa piestové motory s vonkajším prívodom tepla v súčastnosti výraznejšie nepresadzujú, sú problémy s riešením dokonalého tesnenia a mastenia pri vysokých teplotách a tlakoch.
Neznamená to však, že by tieto motory, pokiaľ sú navrhnuté na vysokej technickej úrovni, nedosahovali výborné parametre. Napríklad začiatkom 70-tych rokov v USA bolo pokusne vybavených niekoľko exemplárov osobných automobilov motorom typu Stirling, pričom tieto, v priebehu testov vo väčšine parametrov predstihli pôvodné klasické motory. Týkalo sa to najmä podstatne vyššej účinnosti, ale aj nízkej hladiny hluku, exhalátov a priaznivého priebehu krútiaceho momentu.
Zásadnou prekážkou uplatnenia motorov Stirling, v automobilovej produkcii bola ich cena, ktorá by niekoľkonásobne prevýšila cenu klasického motora s vnútorným spaľovaním. Treba však poznamenať, že na vysokej cene sa okrem náročných upchávok a materiálu teplej časti výrazne podieľala technika regulácie výkonu, hlavne elektronika, predstavujúvujúca v tej dobe komplikovanú sústavu operačných zosilňovačov a iných analógových obvodov. Dnes by sa to pravdaže dalo vyriešiť použitím riadiaceho mikropčítača za zlomok ceny.
Ericssonov motor, pracuje podľa Ericssonovho tepelného obehu, ktorý je na rozdiel od Stirlingovho, prevážne izochorického obehu, izobarický. Je tu určitá analógia porovnania, ako medzi Ottovým (benzínovým) a Dieselovým obehom. Najväčšou výhodou Ericssona oproti Stirlingu je, že ohrievač (miesto, kde sa privádza teplo), nie je objemovo obmedzený. Nevýhodou sú mechanické ventily v okruhu plynu.
Obr. 3 Ericssonov 200 kW motor použitý na pohon lode
Parný stroj pracuje na princípe Rankinovho tepelného obehu, pričom na rozdiel od predchádzajúcich strojov, sa v priebehu obehu mení fáza pracovnej látky, najčastejšie vody.
Obr. 4 Projekt pohonu mestského automobilu, kde teplo z tepelného akumulátora poháňa Ronkinov (parný motor):
1 - nádoba na LiF
2 - náplň LiF
3 - prietočná kotlová rúrka
4 - inertný plyn
5 - tepelná izolácia
6 - elektrická špirála
7 - prívodné potrubie k motoru
8 - motor - axiálny, súprudý
9 - výstupný hriadeľ motora
10 - výmenník tepla
11 - výtok mokrej pary do nádrže
12 - nádrž na vodu hlavná
13 - voda
14 - chladič
15 - zberná nádrž
16 - čerpadlo vody
17 - plynohydraulický akumulátor
18 - rúrka ohrievača vo výmenníku tepla
19 - prívod k regulačnému ventilu
20 - regulačný ventil
21 - pedál akcelerátora
22 - pretlakový ventil
23 - prečerpávacie čerpadlo
24 - dýza na chladiacu vodu
Všetky tieto tepelné stroje - motory majú tepelnú účinnosť závislú od teploty ohrievača (čo najvyššia) a teploty chladiča (čo najnižšia), podľa jednoduchého vzorca:
η = 1- (Tchl./Tohr.) , kde chl. - chladič, ohr. - ohrievač, T je teplota v Kelvinoch
Obr. 5 Pôvodný motor Roberta Stirlinga z r. 1816
Obr. 6 Stirlingov motor použitý na pohon automobilu
Teplota chladiča býva daná teplotou chladiacej vody, takže cesta k zvýšeniu účinnosti obyčajne vedie cez zvýšenie teploty ohrievača.
Pokiaľ máme k dispozícii vysokopotenciálne teplo, získané napr. spaľovaním alebo koncentráciou slnečného žiarenia, je výhodné zvyšovať teplotu až na hodnotu, ktorú umožní materiál ohrievača, resp. aj teplá časť valca. Táto teplota pre žiarupevné ocele môže byť napr. 650, až cca 950°C.
Pri týchto teplotách dosahujú opisované stroje, ak sú dobre vyhotovené, už zaujmavé účinnosti.
Je zrejmé, že pri takýchto teplotách je trenie piestov problematické.
Pomoc prináša žiarový nástavec na piest, čo je obyčajne tenkostenný klobúk z austenitu, ktorého výška je obyčajne väčšia, ako priemer. Teplota v mieste kĺzania piestu resp. piestnych krúžkov je potom prijateľná, avšak pri použití akéhokoľvek oleja, musí byť zabezpečené jeho dokonalé stieranie, inak olej vytvára na stenách ohrievača pevné usadeniny. Keďže ohrievače sú obyčajne z rúrok malého priemeru, problém je evidentný. Plynné zvyšky tepelného rozkladu oleja môžu navyše postupne zhoršovať kvalitu pracovnej látky.
Ideálne by bolo, nájsť takú klznú dvojicu, ktorá by mala nízky koeficient trenia, nevyžadovala mastenie, zniesla teplotu aspoň 200 - 250 °C a rýchlosť kĺzania 3 - 4 m/sek..
V rámci experimentov vo firme Thermo fluor sa napodiv na tesnice, aj vodiace krúžky osvedčil u jednoduchších strojov, textgumoid preparovaný syntetickým olejom, s prísadou MoS2 a grafit. Dobré výsledky poskytovali aj podobne preparované alebo úsporne mastené povrchy na báze Cu-Sn.
Oba materiály materiály spolupracovali s tvrdochrómovým povrchom.
Moderné materiály napr.na báze neoxidovej keramiky a novodobých povlakov sme zatiaľ nemali k dispozícii
Žiada sa doplniť, že v prípade teploplynových motorov, tj.Stirling a Ericsson je najlepšia pracovná látka, vzhľadom na hydraulické straty, vodík, prípadne Hélium, ktoré vynikajú nízkou viskozitou a veľkými nárokmi na tesnosť.
Jednoduchšie stroje, bez nároku na čo najvyššiu účinnosť, používajú ako pracovnú látku vzduch. V prípade Rankinovho obehu je najčastejšie používaná demineralizovaná voda, alebo aj špeciálne organické kvapaliny.
Obr. 7 Ohrievač Stirlingovho motora sčasti Obr. 8 3 kW Stirlingov motorgenerátor Thermo fluor
postavený
Aj keď piestové motory s vonkajším prívodom tepla už pravdepodobne neohrozia dominantné postavenie benzínových a naftových motorov v doprave, môžu znamenať optimálne riešenie v mnohých aplikáciách:
- kogeneračné amikrokogeneračné jednotky
- výroba el. energie zbiologického odpadu
- nefotovoltaická slnečná energetika
Z uvedeného vyplýva, že stručne opísané meniče energie, ktoré sú historicky podstatne staršie, ako tzv. klasické motory s vnútorným spaľovaním si zaslúžia pozornosť a ďaľší vývoj. A jedným z ťažiskových predmetov v rámci tohto vývoja je riešenie tribotechniky.
Text: Peter Červinka
......