Moteur Stirling

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Modèle Alpha. La source chaude est du côté rouge, la source froide est du côté bleu. Elle est entourée d'un système dissipant la chaleur (dissipateur thermique).

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 soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme. On l'appelait au début moteur à air chaud ^[1].

Robert Stirling a inventé en 1816 le moteur à air chaud mais, pour améliorer son efficacité, il l'a muni d'une modification suffisamment importante pour lui donner un réel développement : un récupérateur entre les deux pistons qui a très considérablement amélioré sa performance.

Peu connu du grand public, mais une référence pour les spécialistes, ce moteur a de nombreux avantages. Il fut répandu au temps de la domination des machines à vapeur qui présentaient parfois le grave défaut d'exploser et de faire des victimes.

Actuellement, on sait 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

[modifier] Principe

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme.

La source chaude du moteur (le piston rouge ci-dessus) est alimentée par une source externe quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, gaz naturel, charbon, bois, mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

[modifier] Avantages

Produisant peu de vibration grâce à l'absence d'explosion, l'absence de valves qui s'ouvrent et se ferment, l'absence de gaz qui s'échappent. Cela le rend silencieux et réduit les contraintes mécaniques.
Entretien facile : de par son absence d'échange de matière avec son environnement et l'absence de réaction chimique interne, ce moteur subit moins de source de détérioration qu'un moteur à combustion interne.
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 transporter avec un rendement proche de 100%, ce qui est une limite forte pour certaines applications.
Réversible. Le cycle de Stirling est réversible : un moteur Stirling entraîné par un autre moteur 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 d'anciennes générations, destructeur de la couche d'ozone). En pratique, d'ailleurs, c'est la fonction de pompe à chaleur efficace qui permet à quelques machines d'exister.
Multi-source. Du fait de son mode d'alimentation en chaleur ce moteur peut fonctionner à partir de n'importe quelle source de chaleur (combustion d'un carburant quelconque, solaire, nucléaire, ou encore chaleur humaine)
Faible pollution. La chaleur venant de l'extérieur il est plus aisé de créer cette chaleur de façon moins polluante que dans bien des moteurs thermiques où la combustion est imparfaite.

[modifier] Inconvénients

L'étanchéité du ou des pistons est difficile à réaliser. Les très fortes variations de température et la nécessité d'utiliser un gaz le plus léger possible compliquent ce problème.

Conception délicate. Alors que les moteurs à combustion interne produisent la chaleur directement au sein du fluide, très vite et de façon très homogène, un système Stirling repose sur des transferts thermiques entre le gaz et les échangeurs (les deux sources, le récupérateur), alors que les gaz sont des isolants thermiques où les échanges sont très lents. De plus, il faut minimiser le volume "mort" (contenant du fluide qui n'accomplit pas le cycle et donc ne contribue pas au rendement). Tout cela pose des problèmes de dynamique des fluides, problèmes difficiles à résoudre, à propos des échangeurs, du récupérateur, des tuyaux ou du piston qui permettent le déplacement du gaz au cours du cycle (problèmes de diamètre, de longueur, de turbulences à créer ou éviter, etc.).

Difficile à commander. 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.

Très mauvaise aptitude à produire une puissance et un couple variable. C'est un très gros inconvénient pour la propulsion (automobile, notamment), alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cet inconvénient pourrait se réduire dans le cas d'un "système hybride" (le moteur marche alors à régime constant, la modulation de puissance étant prise en charge par le système électrique), mais ils sont encore rares.

Sur un bateau à hélice à pas variable, ceci n'est cependant pas un inconvénient.

N'ayant aujourd'hui que peu d'applications en grande série (voir générateurs Whispergen), contrairement au moteur à combustion interne, il est bien plus cher ; de plus, pour la même raison, les industriels ne lui accordent pas le même intérêt en terme de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible).

[modifier] Utilisation

Le moteur Stirling a des applications de niches, dans des situations où le coût initial du système n'est pas un inconvénient grave par rapport aux avantages (applications militaires, de recherche, de pointe)

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 systèmes de guidage militaire infrarouge.

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 (et donc gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.

Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines, et 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. Mais la fiabilité des panneaux solaires (ne comportant pas de pièces mobiles, leurs risques de pannes sont moindres que celles d'un moteur) les fait souvent préférer.

Le constructeur de cartes mères MSI a présenté début 2008 un système de refroidissement dont le ventilateur est actionné par un moteur de Stirling utilisant comme source de chaleur l'énergie dégagée par la puce à refroidir.^[2]

[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.

Ci-dessous un schéma de moteur stirling alpha.

1. Le gaz de travail est en contact avec la paroi chaude (en rouge) du cylindre de la partie chaude. Il est chauffé et voit donc son volume augmenter. L'expansion du gaz pousse le piston chaud au fond de sa course dans le cylindre (ici vers la gauche). Le piston chaud pousse grâce à la bielle le piston froid vers le bas, ce qui concentre le gaz dans la partie chaude.

2. Le gaz est maintenant à son volume maximal. L'expansion du gaz ne peut plus se faire vers la droite (piston chaud en bout de course), et se fait maintenant (à droite) vers le cylindre froid (en bleu), lequel est de 90° moins chaud. Le piston chaud (rouge) envoie la plus grande partie du gaz vers le piston froid. Le piston bleu remonte, et par la bielle, pousse le piston rouge vers la droite, contribuant à la circulation du gaz vers le piston bleu. Dans le piston froid (bleu), la température baisse, et le volume du gaz diminue (il se contracte).

3. Presque tout le gaz est maintenant dans le piston froid (bleu) et le refroidissement du gaz continue. La pression du gaz est à son minimum. Plus la différence de température entre les pistons est importante, plus les variations de pression sont fortes, et plus le moteur est puissant. Pour maintenir le point froid, le piston bleu est entouré d'un système de dissipation thermique. Le piston froid, alimenté par l'inertie des pistons, commence à redescendre en re-compressant le gaz, et la pression du gaz recommence à augmenter.

4. Poussé par l'inertie des pistons en mouvement, le gaz remonte vers le cylindre chaud où il sera chauffé une fois de plus, recommençant le cycle.

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Un Stirling bêta utilise également un volume de gaz délimité entre deux pistons.

Ces deux pistons combinent : - un mouvement relatif lors du changement de volume du gaz ; - un mouvement commun qui déplace ce volume de la partie chaude vers la partie froide, et vice-versa.

Les volumes situés de l'autre côté des pistons ne sont pas fonctionnels. Sur l'illustration du haut de page, on aperçoit d'ailleurs l'orifice de communication de l'un de ces volumes avec l'extérieur. Les pistons sont donc tous les deux étanches. Le principe du moteur beta s'approche en réalité de celui du moteur gamma, à la différence que les deux zones chaude et froide sont situées dans le même cylindre. Les avantages sont la compacité et l'absence de perte aérodynamique ; les inconvénients sont la perte thermique par conduction, et aussi l'impossibilité d'utiliser un régénérateur.

Il existe des moteurs Stirling à pistons coaxiaux, qualifiés également de moteur Beta, dont l'un des deux pistons n'est pas étanche : il joue alors le rôle de déplaceur, et le volume situé au-dessus du déplaceur est fonctionnel. Ces moteurs s'apparentent donc aux moteurs Gamma décrits ci-après, mais sans volume mort.

Un Stirling gamma est un moteur stirling doté d'un piston de puissance et d'un piston jouant à lui seul le rôle de déplaceur.

Seul le piston moteur dispose d'un système d'étanchéité.

Le déplaceur occupe successivement la zone chaude et la zone froide, chassant à chaque fois le gaz vers la zone opposée. Les variations de température que le gaz subit alors engendrent des variations de pression qui mettent en mouvement le piston moteur.

Le volume balayé par le déplaceur ne pouvant nécessairement pas être balayé par le piston de puissance, il constitue un volume mort. Pour cette raison, le moteur Gamma ne peut pas atteindre des rapports de compression élevés, ce qui limite les possibilités de rendement. En revanche, sa simplicité mécanique en fait un système largement utilisé, également sur les moteurs à plusieurs cylindres.

Certains moteurs Gamma ont un déplaceur étanche : le gaz emprunte donc un circuit externe pour passer d'une zone à l'autre ; il est alors possible de placer un régénérateur sur ce circuit extérieur, augmentant le rendement.

[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%.