S

ilniki parowe umo¿liwi³y dokonanie siê rewolucji
przemys³owej. Swojego czasu napêdza³y w zasadzie
wszystko, od maszyn w fabrykach, poprzez lokomo-

tywy i statki, a¿ do samochodów. Obecnie odesz³y na
boczny tor, choæ ze wzglêdu na niezawodnoœæ s¹ u¿y-
wane do zasilania np. generatorów awaryjnych, a loko-
motywy parowe stosowane s¹ nadal w krajach rozwija-
j¹cych siê.

D Z I A £ A N I E S I L N I K A
P A R O W E G O L O K O M O T Y W Y

Silnik parowozu ró¿ni siê od stacjonarnego silni-

ka parowego tym, i¿ mo¿na w nim regulowaæ kierunek
obrotów oraz nape³nienie cylindrów. W maszynach sta-
tycznych prêdkoœæ obrotow¹ regulowano wy³¹cznie
ciœnieniem dostarczanej pary. W cylindrze znajduje siê
t³ok, osadzony na trzonie t³okowym. W lokomotywie
ruch posuwisty t³oków przenoszony jest na zestawy
napêdne przez mechanizm napêdowy, sk³adaj¹cy siê
z krzy¿ulca, korbowodu, ³¹cz¹cego krzy¿ulec z czo-
pem korbowym jednego z kó³ napêdnych, oraz wi¹za-
rów, ³¹cz¹cych ze sob¹ czopy korbowe wszystkich
zestawów napêdnych. Dziêki wi¹zarom wszystkie na-
pêdzane ko³a parowozu poruszaj¹ siê jednoczeœnie. Su-
wak, czyli rodzaj przesuwnego zaworu umieszczony
w skrzyni suwakowej, do której nap³ywa przegrzana
para i tam dokonuje rozrz¹du pary – steruje jej dop³y-
wem do cylindra, czyli umo¿liwia naprzemienne wyt-
warzanie nacisku na dwie strony t³oka. Z chwil¹, gdy

para dop³ywa do przestrzeni po prawej stronie t³oka,
lewa przestrzeñ cylindra po³¹czona jest poprzez suwak
z dysz¹ wylotow¹. W chwili, gdy suwak przerwie dop-
³yw pary, znajduj¹ca siê pod ciœnieniem w prawej
przestrzeni cylindra para rozprê¿a siê i przesuwa t³ok
w cylindrze w lewo - do skrajnego po³o¿enia. Nastêp-
nie suwak przesuwa siê i cykl powtarza siê w przeciw-
nym kierunku. Uruchamianie suwaków odbywa siê za

pomoc¹ mimoœrodu, pracuj¹cego syn-
chronicznie z ko³ami, dr¹¿ka mimoœro-
dowego oraz mechanizmu stawid³owe-
go, który zawieszony jest na ostoi (ra-
mie) parowozu i nastawiany nastawni-
c¹ znajduj¹c¹ siê w budce maszynisty.
Element ten umo¿liwia maszyniœcie tak-
¿e jazdê do ty³u.

Para zu¿yta wyrzucana jest do at-

mosfery (tak naprawdê jej czêœæ dostaje
siê do dymnicy, gdzie kondensuje siê

i wytwarza podciœnienie,
zapewniaj¹ce ci¹g pomimo
relatywnie niskiego komi-
na). W dzia³aj¹cych ekono-
miczniej silnikach dwustop-
niowych (pat. J.C. Hornblo-
wer, 1781, wyk. A. Woolf,
1804) rozprê¿ona para prze-
chodzi do wiêkszych cylin-
drów kolejnego stopnia,
dzia³aj¹cych pod ni¿szym
ciœnieniem (stopni bywa³o
wiêcej, w silnikach okrêto-
wych nawet do 4) i jest wy-
rzucana dopiero stamt¹d.

j a k t o d z i a ł a

Dwa zupełnie różne

SILNIKI CIEPLNE

M a r e k U t k i n

M

Ł

ODY

TECHNIK

4/2005

2

26

6

Na rysunku widoczne są podstawowe elementy silnika pa-
rowego dwustronnego działania z rozrządem suwakowym.

krzyżulec

korbowód

elementy stawidła

koło zestawu

napędnego

suwak

tłok

trzon tłokowy

M

Ł

ODY

TECHNIK

4/2005

2

27

7

Charakterystyczny dŸwiêk lo-

komotywy jest w³aœnie wynikiem
wyrzucania pary na zewn¹trz. Gdy
lokomotywa (niemaj¹ca sprzêg³a) ru-
sza, t³ok pocz¹tkowo przemieszcza
siê bardzo wolno, wytwarzaj¹c og-
romny moment, a w miarê przyspie-
szania poci¹gu nabiera prêdkoœci.

K o t ³ y

Para o wysokim ciœnieniu, za-

silaj¹ca silnik parowy, jest wytwa-
rzana w kotle. Istniej¹ dwa rodzaje
kot³ów: p³omieniówkowy (ogniorur-
kowy) i wodnorurkowy (op³omkowy).

Kot³y p³omieniówkowe by³y

stosowane g³ównie w XIX w. Sk³ada-
³y siê ze zbiornika, przez który prze-
biega³y na wylot liczne rury. Rurami
tymi p³ynê³y gor¹ce gazy pochodz¹-
ce ze spalania wêgla, które podgrze-
wa³y wodê. W kotle p³omieniówko-
wym ca³y zbiornik jest pod ciœnie-
niem, a wiêc uszkodzenie zbiornika
mo¿e spowodowaæ wybuch o wiel-
kiej sile ra¿enia (zdarza³o siê to na
tyle czêsto, ¿e wzmianki o tym mo¿-
na znaleŸæ nawet w literaturze nie-
technicznej z tego okresu – choæby
w „Przygodach Hucka” M. Twaina
czy noweli „Dym” M. Konopnickiej).

Obecnie powszechnie stosuje

siê kot³y wodnorurkowe (op³omko-
we), w których woda przep³ywa sze-
regiem rur, umieszczonych ponad pa-
leniskiem, co zapewnia odbieranie
maksimum ciep³a ze spalin.

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.

J A K D Z I A £ A
S I L N I K S T I R L I N G A

Silnik Stirlinga jest maszyn¹ ciepln¹, ró¿ni¹c¹ siê

ogromnie od samochodowego silnika wewnêtrznego
spalania. Wynaleziony przez Roberta Stirlinga w 1816 r.,
potencjalnie mo¿e byæ znacznie wydajniejszy od silni-
ków Otto lub Diesla. Obecnie silniki Stirlinga znajduj¹
jedynie bardzo specjalistyczne zastosowania, gdy¿ nie
maj¹ rozrz¹du, nie korzystaj¹ ze spalania wybuchowego
i nie maj¹ wydechu, czyli Ÿróde³ ha³asu, a dziêki temu
s¹ niemal bezg³oœne. Silniki takie s¹ wykorzystywane
np. do napêdzania szwedzkich okrêtów podwodnych
typu Gottland jako ciche Ÿród³o napêdu do „pe³zania”
w zanurzeniu oraz w generatorach na jachtach, a tak¿e
do napêdzania podzespo³ów w satelitach. Obecnie nad
silnikiem Stirlinga pracuje wielu wynalazców i rozwa¿a-
ne jest nawet zastosowanie go w lotnictwie.

Silnik ten dzia³a zgodnie z cyklem Stirlinga, który

ró¿ni siê od cyklu silników wewnêtrznego spalania. Ga-
zy w silniku Stirlinga nigdy siê z niego nie wydosta-
j¹. Nie ma zaworów wydechowych, przez które ulat-
niaj¹ siê gazy pod wysokim ciœnieniem, ani nie nastê-
puj¹ wybuchy. Z tego powodu silniki Stirlinga s¹ bar-
dzo ciche.

W cyklu Stirlinga stosuje siê zewnêtrzne Ÿród³o

ciep³a, którym mo¿e byæ wszystko – od benzynowej ku-
chenki turystycznej po kolektor s³oneczny, lub ciep³o
wytwarzane przez fermentacjê nawozu. Istniej¹ setki
rodzajów silnika Stirlinga.

C y k l S t i r l i n g a

Podstaw¹ dzia³ania silnika Stirlinga jest to, ¿e

jest w nim zamkniêta sta³a iloœæ gazu. Cykl Stirlinga
wymaga, aby nast¹pi³a seria zdarzeñ, które powoduj¹
zmianê ciœnienia w silniku, sprawiaj¹c, ¿e pracuje. Wy-
nika to z w³aœciwoœci gazów, które umo¿liwiaj¹ dzia³a-
nie silnika:

! Jeœli masz sta³¹ iloœæ gazu w sta³ej objêtoœci i zwiêk-

szasz temperaturê gazu, ciœnienie wzroœnie.

! Jeœli masz sta³¹ iloœæ gazu i sprê¿asz go (zmniej-

szasz objêtoœæ), temperatura gazu wzroœnie.

Dzia³anie
Przeanalizujmy czêœci cyklu Stirlinga na uprosz-

czonym modelu. W podstawowej konfiguracji silnik
sk³ada siê z dwóch cylindrów (ciep³ego i zimnego) i nie
wymaga w ogóle spalania - korzysta wy³¹cznie z ró¿ni-
cy temperatur pomiêdzy cylindrami. Cylinder ciep³y
jest podgrzewany zewnêtrznym Ÿród³em ciep³a (np. og-
niem), a zimny – ch³odzony, np. lodem. Komory obyd-
wóch cylindrów s¹ po³¹czone tak, ¿e gaz przep³ywa
pomiêdzy nimi. T³oki z kolei s¹ po³¹czone wa³em korbo-
wym tak, aby t³ok w cylindrze ciep³ym wyprzedza³ t³ok
w cylindrze zimnym o 1/4 cyklu ruchu.

Cztery fazy cyklu Stirlinga

Gaz w cylindrze po lewej stronie jest podgrzewany,
przez co wzrasta jego objêtoœæ, a zatem ciœnienie.

To powoduje ruch t³oka
do do³u. W tej czêœci cyk-
lu Stirlinga jest wykony-
wana praca.
W wyniku dzia³ania ko³a
zamachowego i wa³u kor-
bowego t³ok po lewej
(„ciep³y”) idzie do góry,
podczas gdy t³ok po pra-
wej („zimny”) przemiesz-
cza siê w dó³. To przet³a-
cza rozgrzany gaz do cy-
lindra zimnego, co powo-
duje szybkie oziêbienie
gazu do temperatury
ch³odziwa, co z kolei po-
woduje obni¿enie objê-
toœci, czyli ciœnienia. To
zaœ umo¿liwia ³atwiejsze
sprê¿enie gazu w nastêp-
nej czêœci cyklu.
T³ok w zimnym cylindrze
(po prawej) zaczyna sprê-
¿aæ gaz. Ciep³o wytwo-
rzone przez sprê¿anie jest
odbierane przez ch³odziwo.
T³ok po prawej stronie
wêdruje do góry, podczas
gdy lewy idzie w dó³. To
powoduje przet³oczenie
gazu w minimum objêtoœ-
ci do cylindra ciep³ego,
gdzie szybko rozgrzewa
siê, powoduje wzrost ciœ-
nienia i od tego punktu
cykl siê powtarza.

Silnik Stirlinga wyko-

nuje pracê tylko w pierwszej
czêœci cyklu. S¹ dwa sposo-
by na zwiêkszenie mocy sil-
nika Stirlinga:

! Zwiêkszenie mocy w fazie

pierwszej, w której ciœnie-
nie podgrzewanego gazu
wykonuje pracê. Zwiêkszenie ciœnienia w tej czêœci
cyklu zwiêkszy moc silnika. Jedn¹ z metod podnie-
sienia ciœnienia jest zwiêkszenie temperatury gazu.
Dalej jest opisany silnik Stirlinga z regeneratorem,
który czasowo magazynuje ciep³o.

! Zmniejszenie zu¿ycia energii w fazie trzeciej, w któ-

rej t³ok wywiera nacisk na gaz, zu¿ywaj¹c czêœæ mo-
cy, wytworzonej w fazie pierwszej. Obni¿enie ciœnie-
nia w tej czêœci cyklu mo¿e obni¿yæ zu¿ycie energii
w tej fazie (zwiêkszaj¹c moc u¿yteczn¹ silnika). Jed-
nym ze sposobów obni¿enia ciœnienia jest och³odze-
nie gazu.

Tak wygl¹da idealny cykl Stirlinga. Rzeczywiste

silniki pracuj¹ wed³ug cyklu nieco zmienionego z po-
wodu fizycznych ograniczeñ konstrukcji. Nastêpne dwa
modele to wersja z t³okiem wypornoœciowym oraz z re-
generatorem.

4

3

2

1

M

Ł

ODY

TECHNIK

4/2005

j a k t o d z i a ł a

2

28

8

1

2

3

4

S i l n i k S t i r l i n g a
z t ³ o k i e m w y p o r n o œ c i o w y m

Zamiast mieæ dwa t³oki, silnik z t³okiem wypor-

noœciowym posiada t³ok normalny i du¿y t³ok wypor-
noœciowy. T³ok wypornoœciowy s³u¿y do sterowania
tym, kiedy komora gazowa jest podgrzewana, a kiedy
ch³odzona. Ten rodzaj silnika Stirlinga jest stosowany
niekiedy do demonstracji w szko³ach.

Aby pracowaæ, silnik z t³okiem wypornoœciowym

wymaga wytworzenia ró¿nicy temperatur pomiêdzy
górn¹ i doln¹ czêœci¹ wielkiego cylindra. W przypadku
ma³ych modeli do napêdu wystarcza ró¿nica tempera-
tur d³oni i otaczaj¹cego powietrza.

Na rysunku widoczne s¹ dwa t³oki:

1. T³ok napêdowy – to mniejszy t³ok na górze silnika.

Jest on szczelnie dopasowany i porusza siê do góry,
gdy gaz w silniku rozprê¿a siê.

2. T³ok wypornoœciowy – to du¿y t³ok w wiêkszej ko-

morze. Ten t³ok jest umieszczony luŸno w cylindrze,
a wiêc powietrze mo¿e przep³ywaæ swobodnie po-
miêdzy czêœci¹ ogrzan¹ i ch³odzon¹ silnika w czasie,
gdy t³ok porusza siê do do³u i do góry.

T³ok wypornoœciowy porusza siê

w górê i w dó³, aby sterowaæ podgrzewa-
niem i ch³odzeniem gazu w silniku. Zaj-
muje on dwie skrajne pozycje:

! Gdy t³ok wypornoœciowy znajduje siê

w pobli¿u wierzcho³ka du¿ego cylindra,
wiêksza czêœæ gazu wewn¹trz silnika
jest podgrzewana przez Ÿród³o ciep³a
i rozszerza siê. Ciœnienie wewn¹trz sil-
nika roœnie, wypychaj¹c t³ok napêdowy
do góry.

! Gdy t³ok wypornoœciowy znajduje siê

w pobli¿u dolnej czêœci du¿ego cylin-
dra, wiêksza czêœæ gazu wewn¹trz sil-
nika ch³odzi siê i kurczy. To sprawia, ¿e
ciœnienie spada, co u³atwia ruch t³oka
napêdowego w dó³ i sprê¿enie gazu.

Silnik w sposób powtarzaj¹cy siê

podgrzewa i ch³odzi gaz, uzyskuj¹c ener-
giê z rozszerzania i kurczenia siê gazu.

S i l n i k S t i r l i n g a
z r e g e n e r a t o r e m

W tym silniku cylinder ciep³y jest

ogrzewany zewnêtrznym p³omieniem. Cy-
linder zimny jest ch³odzony powietrzem
i ma radiator do wspomagania procesu ch³odzenia. Kor-
bowód wystaj¹cy z ka¿dego t³oka jest po³¹czony z ma-
³¹ tarcz¹, do której jest pod³¹czone ko³o zamachowe. To

pozwala na utrzymanie t³oków w ruchu, gdy silnik nie
wytwarza si³y napêdowej. P³omieñ stale podgrzewa
dno cylindra.
1. W pierwszej fazie cyklu, ciœnienie roœnie, zmuszaj¹c

t³ok, aby przesun¹³ siê w lewo, wykonuj¹c pracê.

T³ok zimny pozostaje niemal nierucho-
my, poniewa¿ jest w skrajnym po³o¿e-
niu, podczas zmiany kierunku dzia³ania.
2. W nastêpnej fazie oba t³oki poruszaj¹
siê. T³ok gor¹cy przemieszcza siê w pra-
wo, a t³ok zimny ku górze. To powoduje
przemieszczenie wiêkszoœci gazu przez
regenerator i do cylindra zimnego. Rege-
nerator jest urz¹dzeniem, które czasowo
akumuluje ciep³o. Mo¿e to byæ np. skrê-
cona siatka druciana, przez któr¹ przep-
³ywa rozgrzany gaz. Du¿a powierzchnia
drutu szybko przyjmuje wiêkszoœæ ciep-
³a. To sprawia, ¿e mniej ciep³a musi byæ
odprowadzone przez radiator cylindra.
3. Nastêpnie t³ok w cylindrze zimnym
zaczyna sprê¿aæ gaz. Ciep³o wytworzo-
ne w czasie sprê¿ania jest odprowadza-
ne przez radiator.
4. W ostatniej fazie cyklu oba t³oki siê
poruszaj¹ – t³ok zimny porusza siê
w dó³, podczas gdy gor¹cy porusza siê
w lewo. To powoduje przet³oczenie gazu
przez regenerator (gdzie pobiera ciep³o,
zmagazynowane tam w drugiej fazie
cyklu) i nap³yniêcie do cylindra gor¹ce-
go. Od tego punktu cykl siê powtarza.

Dlaczego silników Stirlinga nie

spotyka siê w masowej produkcji? Pod-
stawowym problemem jest wielkoϾ
w stosunku do uzyskiwanej mocy oraz

trudnoœæ w uzyskaniu zmiany prêdkoœci obrotów, która
jest niezbêdna przy napêdzaniu pojazdów. Trzeba wte-
dy napêdzaæ nim np. generator i silniki elektryczne
w ko³ach. Z drugiej strony, w obliczu kryzysu energe-
tycznego, silnik Stirlinga nie powiedzia³ jeszcze ostat-
niego s³owa. !

M

Ł

ODY

TECHNIK

4/2005

2

29

9

1

2

3

4

MINI QUIZ MT

CZYT

AM, WI

Ę

C WIEM

Źródło ciepła w silniku Stirlinga to:

a) ciepły cylinder
b) dowolne źródło zewnętrzne
c) sprężona para