Moteur Stirling

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Sommaire

1 Objectif du document
2 Un peu d'histoire
3 Principes
4 Avantages
5 Inconvénients
6 Principes de fonctionnement
7 Réalisations pratiques
8 Utilisations
9 Voir aussi

Objectif du document

Une fois finalisé, ce document devrait vous donner tous les moyens pour vous permettre de construire votre propre moteur. Ceci avec le minimum de moyens et d'efforts.

Un peu d'histoire

Robert Stirling (1790-1878, pasteur écossais) a breveté le moteur Stirling en 1816: ce brevet comprenait de telles innovations que l'année 1816 est considérée comme la date de naissance de ce type de moteurs.

Principes

Image issue du brevet

Le principe est relativement simple: le fluide principal qui produit le travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium). Il est soumis à des pressions moyennes de l'ordre de 150 bars pour les moteurs performants actuels puis à un cycle de Carnot à 4 temps : chauffage, détente, déplacement vers la source froide et refroidissement, compression et retour vers la source chaude.

Ce convertisseur thermodynamique n'est pas dépendant de sa nature de source d'énergie thermique, il est polycarburant. Le moteur peut être alimenté par une source quelconque de chaleur: combustion externe de dérivés du pétrole, le gaz naturel, le charbon, l'énergie nucléaire, etc., mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

Le moteur Stirling est un moteur qui, suivant les configurations, s'adapte à des régimes de rotations variés qui peuvent aller de moins de 1 cycle par seconde à plus de 3000 tours par minutes. Il est utilisé sur des bateaux, sous-marins, pompes, générateurs électriques à énergie solaire ...

C'est un moteur à forte densité énergétique pour le volume de gaz déplacé. Pour donner une comparaison automobile, il fournit des puissances de plus de 80 chevaux par litre de cylindrée.

Avantages

Moins polluant

C'est un moteur à combustion externe, elle est plus facile à contrôler que dans un moteur à combustion interne. Le fluide de lubrification (huile) n'est pas pollué par les résidus de combustion.

Moins bruyant

Le fluide actif du moteur Stirling, l'air, l'hélium ou l'hydrogène travaille en cycle fermé et ne s'échappe pas à l'atmosphère, contrairement au moteur à combustion interne, dont le bruit d'échappement est très important. En cas d'utilisation d'un carburant pour le chauffage, la combustion est continue, il n'y a aucune explosion génératrice de bruits.

Multi-Energie

Le moteur Stirling ne demande qu'une source de chaleur, (et une source de froid.) quelle qu'en soit la source: il peut être alimenté par du pétrole, du bois, du charbon, de la paille, de l'électricité, du plutonium (possible, mais très dangereux), etc., et bien entendu le soleil.

Valorisation de l'énergie

Le moteur Stirling peut fonctionner à partir d'écarts de températures très faibles les rendements seront médiocres, mais cette particularité est très intéressante, car elle permet de valoriser des énergies dites de "rebut" provenant d'un système de puissance principal (Moteur, Pile à combustible, ou autres) augmentent ainsi le rendement global du système. Ces énergies de rebut sont normalement rejetées à l'environnement: gaz chauds, chaleur issue des systèmes de refroidissement, ...

Entretien

L'entretien du moteur Stirling est également facilité par son absence d'échange de matière avec son environnement et par le très faible nombre de pièces mobiles. Il n'y a pas d'arbre à cames, de chaine de distribution, de basculeurs ou poussoirs, de soupapes, de pompe à injection haute pression, etc...

Rendement

Son rendement peut avoisiner les 40%, contre environ de 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5% parait faible, elle signifie quand même près de 15% (5/35) d'économie d'énergie. L'absence d'explosion au cours du cycle moteur le rend particulièrement résistant.

Réversible

Peut fonctionner en "pompe à chaleur" : En entrainant son axe de rotation, on produit une différence de température entre les deux zones d'échange thermique. Le fluide est donc capable de transporter des calories du point froid au point chaud.

Inconvénients

Étanchéité

Les problèmes d'étanchéité sont difficiles à résoudre, c'est le principal problème de ce moteur.

Températures

Les températures de source chaude sont de l'ordre de 720°C pour obtenir des rendements de plus de 40% avec de l'hydrogène comme fluide de travail.

La température de source froide a aussi son importance, en raison du principe de Carnot. Rendement = 1 - Tf/Tc, avec Tf température froide et Tc température chaude, exprimées en Kelvin. Ainsi, il vaut mieux diminuer la température de source froide par exemple de 10°C que d'augmenter celle de la source chaude de 10°C.

Temps de réponse

Ce moteur n'a pas pour le moment remplacé ses concurrents historiques comme le Otto ou Diesel dans le domaine de l'application automobile en raison d'un temps de réponse trop long lié à l'inertie thermique de ses sources chaude et froide. Il a par contre un avenir automobile dans les motorisations hybrides.

Principes de fonctionnement

Le moteur Stirling Type alpha

Le moteur alpha dissocie de façon nette la source chaude de la source froide. En effet, un cylindre réchauffe le gaz, un autre le refroidit. La cinématique est telle qu'on fait passer le gaz d'un cylindre à l'autre. Voir ci-dessous l'étude succincte de ce type de moteur.

Le moteur Stirling Type beta

Un Stirling bêta a un simple piston de puissance, placé coaxialement avec un piston de « déplacement ». Le piston de déplacement sert uniquement à propulser le gaz de l'échangeur de température chaud, vers l'échangeur de température froid. Sur un cycle complet, ce piston ne consomme pas d'énergie. Ce moteur ne requiert pas de « joint » mobile dans la partie chaude du moteur, et peut atteindre des rendements élevés de compression, grâce aux pistons qui sont capables de se chevaucher pendant leur déplacement.

Le moteur Stirling Type gamma

Le moteur gamma est un peu le compromis entre le moteur type alpha et le moteur type bêta. Dans un cylindre, le déplaceur joue son rôle, dans l'autre le piston moteur fait varier le volume global et récupère l'énergie. Ce type de moteur est fréquent pour mettre à profit de faibles écarts de température, entre source froide et source chaude.