Moteur Stirling

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coupe d'un moteur Stirling "beta"
source chaude coté rose, source froide coté gris, piston de déplacement en vert, piston moteur en bleu.

Le Moteur Stirling est un moteur à combustion externe, le fluide principal est un gaz à une modeste pression et est soumis à 4 cycles : chauffage, détente, refroidissement puis compression. On l'appelait au début moteur à air chaud.

Robert Stirling n'a pas inventé le moteur Stirling, mais il l'a muni en 1816 d'une amélioration suffisamment importante pour lui donner une réelle extension : un récupérateur entre les deux pistons.

Peu connu du grand public, mais une référence des spécialistes, ce moteur a de nombreux avantages. Il fut très répandu au temps de la domination des machines à vapeur.

Actuellement, on sait cependant construire des machines à air chaud ou moteurs Stirling dont le rendement dépasse de très loin celui des moteurs à explosion.

[modifier] Principe, avantages et inconvénients

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) à une modeste pression et est soumis à un cycle de Carnot à 4 temps, séparé par deux phases de déplacement : chauffage, détente, déplacement vers la source froide, refroidissement, compression, retour vers la source chaude.

Alimentation : La source chaude du moteur peut être alimentée par une source quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, le gaz naturel, le charbon, le bois, etc. mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

Silencieux : L'absence d'explosion au cours du cycle moteur le rend particulièrement silencieux et réduit les contraintes mécaniques.
Entretien facile : L'entretien du moteur Stirling est facilité par son absence d'échange de matière avec son environnement.
Bon rendement : il peut avoisiner les 40% (soit 80% du maximum du cycle de Carnot), contre environ 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5 points parait faible, elle signifie quand même près de 15% (5/35) d'économie d'énergie. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 95%, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie elle-même difficile à stocker et à produire avec un bon rendement, ce qui est une limite forte pour certaines applications.
Réversible. Le cycle de Carnot est réversible, le moteur Sirling l'est aussi : entraîné par un autre moteur, il devient une pompe à chaleur capable de refroidir à - 200°C ou de chauffer à plus 700°C, selon le sens d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz avec des propriétés spéciales qui leur confèrent des inconvénients pratiques ou chimiques (comme le fréon des machines frigorifiques usuelles, destructeur de la couche d'ozone).

Difficulté: La principale difficulté de conception de ce moteur est l'étanchéité du ou des pistons. De plus la variation de régime de ce moteur est très difficile à réaliser car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail.

[modifier] Utilisation

Il a été utilisé pour une classe de sous-marins suédois, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la beaucoup plus faible production de gaz imbrûlés nécessaire à l'apport d'un gradient thermique (une différence de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin en plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les comprimant à une pression au moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (ou gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.

Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines, des drones. La Nasa l'a étudié pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Ce projet a été abandonné au profit des panneaux solaires car ceux-ci ne comportant pas de pièces mobiles, les risques de pannes sont moindres que sur un moteur avec de nombreuses pièces mécaniques.

La principale application commerciale du Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire. Il sert de machine pour la liquéfaction des gaz et comme refroidisseur pour les système de guidage militaire infrarouge.

[modifier] Les trois types de moteur Stirling

Un Stirling alpha contient deux pistons de puissance séparés, un piston « chaud », et un piston « froid ». Le piston chaud est situé près de l'échangeur à la plus haute température, et le piston froid, est situé près du point d'échange de température la plus basse. Ce type de moteur a un ratio puissance-volume très élevé, mais a des problèmes techniques, liés (fréquemment) aux températures trop élevées du piston chaud pour ses joints.

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. Il est à noter que des petits moteurs stirling ont été développés sans piston.

Un Stirling gamma est un Stirling bêta, sur lequel le piston de puissance, n'est pas monté coaxialement avec le piston de déplacement. Cette configuration produit un rapport de compression plus faible, mais est généralement plus simple mécaniquement, et est souvent utilisé dans les moteurs Stirling à plusieurs cylindres.

[modifier] Histoire

Souvent les chaudières à vapeur explosaient, Robert Stirling imagina un moteur sans chaudière soumise à de trop fortes pressions.
Stirling déposa son brevet le 27 septembre 1816.
En 1843, son frère James "industrialisa" ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il était ingénieur.
1938, la société Philips investit dans un "moteur Stirling", un moteur de plus de 200 chevaux, avec un rendement supérieur à 30%.