V posledních letech svého plodného života zaměřil Ing. Julius Mackerle svůj hluboký profesní zájem na Stirlingův motor. Tento fascinující tepelný stroj s vnějším spalováním, pracující s cyklickým stlačováním a expanzí vzduchu či jiného pracovního plynu, ho oslovil v době, kdy se ve světě začínal rodit intenzivní boj za zachování čistoty ovzduší a ochranu životního prostředí. Stále přísnější požadavky na obsah škodlivin ve výfukových plynech tehdy – stejně jako dnes – přidělávaly vrásky na čelech automobilových konstruktérů.

Následné přizpůsobování klasických motorů novým ekologickým podmínkám a implementace dodatečných čisticích zařízení vývoj spalovacích jednotek extrémně komplikovaly. Mackerle si proto položil zásadní otázku: Nedá se pohon moderního automobilu zajistit koncepčně výhodnějším druhem motoru, než jsou motory s vnitřním spalováním?

Jeho pozornost se upřela k motorům s vnějším spalováním, které svými parametry dokázaly konkurovat klasickým pohonům, avšak nabízely mnohem příznivější podmínky pro samotné hoření. Tyto stroje navíc nebyly rigidně závislé na konkrétním typu paliva – pracovaly stejně efektivně s jakýmkoliv zdrojem tepla. V tomto bodě Mackerleho úvah se objevil právě Stirlingův motor. Věděl o něm už dávno, nešlo o žádnou absolutní novinku, avšak genialita jeho koncepce ho uchvátila natolik, že se rozhodl věnovat jeho vývoji maximální úsilí.

Z historie Stirlingova principu od kněžského patentu k Fordu Torino

Příběh tohoto pohonu se začal psát již roku 1816, kdy anglický reverend Robert Stirling obdržel na svůj motor patent. Bylo to v éře masivního rozmachu parních strojů, jejichž tehdejší kotle však byly kvůli technologickým limitům příčinou častých explozí a tragických smrtelných úrazů. Stirlingův koncept pracoval s konstantní uzavřenou náplní pracovního plynu a vnějším přívodem tepla – rizikový parní kotel tedy zcela odpadl, což vyvolalo obrovskou vlnu zájmu.

Slimný vývoj však brzy zastínil nástup elektromotoru s podobnými vlastnostmi, a především příchod Karla Benze s jeho lehkým benzínovým motorem, s nímž rozvíjející se Stirling v té době nedokázal v automobilovém průmyslu soupeřit.

Konstruktéři se přesto nevzdávali. Pro zvýšení výkonu začali využívat přetlak pracovního plynu a regenerátor. V roce 1843 přestavěl Stirling parní stroj ve slévárně v Dundee na svůj systém, přičemž pracoval se zvýšeným tlakem vzduchu v rozmezí 1,1 až 3,4 MPa. Při shodném výkonu jako s párou (27 kW) spálil jeho motor podstatně méně uhlí a vykazoval neobyčejně tichý chod, čímž v praxi demonstroval výrazně lepší tepelnou účinnost.

Po šesti měsících ostrého provozu však dno válce kvůli extrémním teplotám prasklo. Závada se opakovala ještě dvakrát a jelikož tehdejší metalurgie nenabízela vhodné žáruvzdorné materiály, stroj byl nakonec přestavěn zpět na páru. Stirlingův motor se na dlouhou dobu omezil pouze na menší výkony (např. pro čerpání vody), kde spolehlivě sloužil ještě dlouho po druhé světové válce.

Automobilový boom a zapojení světových gigantů

Energetická krize a opětovný tlak na čistotu ovzduší vrátily Stirlingův motor zpět do hry na poli autoprůmyslu. Když americký Ford zakoupil od Philipsu za nemalé peníze exkluzivní licenci, zdál se být úspěch v osobních automobilech nadosah. Philips měl v té době již vyvinutý pokročilý motor Stirling 4-215 DA o výkonu 128 kW, který se svými rozměry i hmotností plně vyrovnal tehdejšímu benzínovému motoru V8 v testovacím voze Ford Torino. U této druhé generace motorů Stirling byl namísto klasického klikového mechanismu použit mechanismus šikmé desky s kloubovými kluzáky.

V laboratořích Fordu se testovaly nejrůznější alternativní pohony, ale Stirlingovy motory vykazovaly jednoznačně nejlepší tepelnou účinnost a s přehledem plnily ty nejpřísnější emisní limity. Původní slabinou systému však byla neschopnost rychlé změny výkonu, což je v městském automobilovém provozu klíčový parametr.

Jelikož Stirling pracuje se stálou náplní plynu, kde se teplo přivádí a odvádí přes kovové stěny (odpadá zde rychlý odvod tepla výfukovými plyny a veškeré ztrátové teplo musí pojmout chladič, který je zhruba 2× větší než u klasického spalovacího motoru), musel Ford a Philips vyvinout sofistikovaný systém regulace plynu. Při potřebě náhlého snížení výkonu se část plynu z válce bleskově odčerpala do vysokotlakého zásobníku, případně se krátkodobě propojil prostor nad a pod pístem. Při požadavku na zvýšení výkonu se do válce naopak okamžitě přepustil plyn ze zásobníku pod tlakem až 30 MPa.

Tento enormní technologický potenciál přiměl k nákupu licencí i další giganty jako General Motors (který testoval Stirlingovy motory na družicích pro transformaci slunečního záření na volnou energii), MAN, MWM nebo United Stirling Sweden.

Mackerleho soukromá cesta proti proudu

Budoucnost Stirlingových motorů viděl Julius Mackerle přímo závislou na pokroku v oblasti materiálů, zejména na vývoji pokročilé konstrukční keramiky. Pokud by se tehdy podařilo materiálové otázky vyřešit, Stirling by svými parametry (téměř nulové emise, absence vibrací, tichý chod a palivová univerzálnost) klasické spalovací motory v mnoha oblastech vytlačil. Fascinován těmito výhodami se rozhodl jednat na vlastní pěst. Od svého bratrance Franka ze Spojených států si nechal poslat malý funkční modýlek pro lepší představivost a následně se pustil do polosoukromého vývoje Stirlingova motoru, který si sám kompletně navrhl a postavil.

Jeho vizionářská práce však v tehdejším ÚVMV (Ústavu pro výzkum motorových vozidel) narážela na nepochopení a odpor. Někdejší vedoucí pracovníci ústavu a nadřízeného orgánu ČAZ se intenzivně starali o brzdění a následné pozastavení všech jeho prací. Mackerle přesto stihl o tomto principu sepsat několik zásadních technických zpráv, odborných studií a detailně s ním seznámil veřejnost ve své poslední slavné knize „Automobil dneška a zítřka“. Dokázal ještě úspěšně zkonstruovat funkční zkušební model v menším měřítku, avšak na rozsáhlejší zkoušky a další evoluční vývoj mu již v závěru života nezbývalo dostatek sil.

Technické okénko jak funguje Mackerleho zkušební model

Pro dokonalé pochopení Mackerleho geniality přinášíme schematický popis funkce jeho dochovaného modelu, který detailně demonstruje mechanické procesy probíhající uvnitř motoru během jedné kompletní otáčky hřídele.

Jedna otáčka klikového hřídele je rozkreslena do čtyř poloh klikového hřídele (naznačených vlevo nahoře u obrazu). Na roztečné kružnici jsou označeny čep A ojnice pracovního pístu 2 a v předstihu ve směru otáčení čep B pro pohon přemisťovacího pístu 4. Pracovní cyklus probíhá v těchto krocích:

• Ve fázi I. jsou oba písty v horní poloze. Pracovní píst 2 je těsně před horní úvratí a píst 4 je těsně za horní úvratí. Všechen vzduch je v tento moment soustředěn ve studeném prostoru 6 a je maximálně stlačen kompresním zdvihem pístu 2.
• Ve fázi II. se klikový hřídel otočí o 90°. Pracovní píst 2 mezitím dokončil zbývající krátkou dráhu do horní úvratě a vrátil se zpět do polohy odpovídající fázi I. Zato přemisťovací píst 4 vygeneroval téměř celý zdvih z horní polohy do spodní a vytlačil vzduch ze studeného spodního prostoru mezerou mezi pístem a válcem nahoru do teplého prostoru 5. Vzduch se začal zahřívat už prouděním kolem stěny a tento proces dokončí dno válce zahřívaného plamenem.
• Ve fázi III. se zahřátím tlak vzduchu rapidně zvyšuje, proniká mezerou kolem pístu 4 a působí na dno pracovního pístu 2. Ten působením rostoucího tlaku vykoná téměř celý svůj zdvih, přičemž píst 4 stále ještě zůstává blízko své dolní úvratě. Jedná se o čistý pracovní zdvih, který též roztočí setrvačník k překonání následného zdvihu kompresního.
• Ve fázi IV. zůstává pracovní píst 2 stále blízko své dolní úvratě, ale při pohybu pístu 4 do horní úvratě se vytlačí vzduch do studené části válce, kde se okamžitě ochlazuje. Přejímané teplo se efektivně odvádí žebry do okolního vzduchu. V této poloze je objem vzduchu v motoru největší a vzduch je nejchladnější. Pracovní píst 2 se začne pohybovat vzhůru a nastává kompresní zdvih, který pokračuje až do fázi I.

*Poznámka: Zasouváním pístnice 7 do válce 3 sice technicky dochází ke změně společného prostoru (působí zde jev jako při pohybu pístu s malým průměrem), ale pro jednoduchost a přehlednost popisu lze tento fyzikální jev v celkové bilanci zanedbat.