Le moteur Stirling, une voie à explorer.

 

Suite au récent article paru ici sur les plans du moteur M3 de Monsieur Cordier, vous avez été nombreux à manifester votre intérêt pour le sujet…

Cependant, toutes les pistes sérieuses menant à l’énergie libre étant systématiquement sabotées d’une façon ou d’une autre par les pouvoirs en place, ne restent officiellement que des solutions partielles pouvant être mises en oeuvre plus ou moins facilement par tout un chacun. Celles-ci ne sont pas pour autant dénuées d’intérêt et comprennent:

Le solaire photovoltaïque.

L’éolien.

L’hydro-électricité (que je suis en train d’installer ici).

la biomasse (méthanisation, bois sous différentes formes)

Toutes ces formes étant bien connues et faisant le sujet de multiples publications, je ne m’y attarderai pas ici. Je souhaitais en revanche vous parler d’une invention, considérée à ma connaissance comme anecdotique, et assez peu connue du grand public.

Il s’agit du moteur Stirling.

 

Le moteur Stirling est un moteur thermique qui est très différent du moteur à combustion interne de votre voiture. Inventé par Robert Stirling en 1816, le moteur Stirling a le potentiel d’être beaucoup plus efficace qu’un moteur à essence ou diesel.

Mais aujourd’hui, les moteurs Stirling ne sont utilisés que dans certaines applications très spécialisées, comme les sous-marins ou les générateurs d’énergie auxiliaire pour les yachts, où le silence de fonctionnement est important. Bien qu’il n’y ait pas encore eu d’application commerciale de masse réussie pour le moteur Stirling, certains inventeurs  y travaillent.

Un moteur Stirling utilise le cycle de Stirling, qui est différent des cycles utilisés dans les moteurs à combustion interne.

Les gaz utilisés à l’intérieur d’un moteur Stirling ne quittent jamais le moteur. Il n’y a pas de soupapes d’échappement qui évacuent les gaz à haute pression, comme dans un moteur à essence ou diesel, et il n’y a pas d’explosions. Pour cette raison, les moteurs Stirling sont très silencieux.

Le cycle Stirling utilise une source de chaleur externe, qui peut être de l’essence, du bois, de l’énergie solaire ou la chaleur produite par des plantes en décomposition (gaz).

Aucune combustion n’a lieu à l’intérieur des cylindres du moteur.

Principe en vidéo:

 

 

Sommaire:

Le cycle Stirling
Moteur Stirling à cylindres plongeurs
Moteur Stirling à deux pistons
Pourquoi les moteurs Stirling ne sont-ils pas plus courants ?

 

Le cycle Stirling

 

Le principe clé d’un moteur Stirling est qu’une quantité fixe de gaz est enfermée dans le moteur. Le cycle de Stirling implique une série d’événements qui modifient la pression du gaz à l’intérieur du moteur, ce qui lui permet d’effectuer un travail.

Il existe plusieurs propriétés des gaz qui sont essentielles au fonctionnement des moteurs Stirling :

Si vous avez une quantité fixe de gaz dans un volume fixe d’espace et que vous augmentez la température de ce gaz, la pression augmentera.
Si vous avez une quantité fixe de gaz et que vous le comprimez (en diminuant le volume de son espace), la température de ce gaz augmentera.

Imaginons un moteur simplifié utilisant deux cylindres.

Un cylindre est chauffé par une source de chaleur externe (comme le feu) et l’autre est refroidi par une source de refroidissement externe (comme la glace). Les chambres à gaz des deux cylindres sont reliées, et les pistons sont reliés mécaniquement les uns aux autres par une tringlerie qui détermine comment ils vont se déplacer les uns par rapport aux autres.

Le cycle de Stirling se décompose en quatre parties.

La chaleur est ajoutée au gaz à l’intérieur du cylindre chauffé, ce qui entraîne une augmentation de la pression. Celle-ci oblige le piston à descendre. C’est la partie du cycle de Stirling qui effectue le travail.

Le piston gauche se déplace vers le haut tandis que le piston droit se déplace vers le bas. Cela pousse le gaz chaud dans le cylindre refroidi, qui refroidit rapidement le gaz à la température de la source de refroidissement, ce qui fait baisser sa pression. Il est ainsi plus facile de comprimer le gaz dans la partie suivante du cycle.

Le piston dans le cylindre refroidi commence à comprimer le gaz. La chaleur générée par cette compression est éliminée par la source de refroidissement.
Le gaz est ainsi poussé dans le cylindre chauffé, où il se réchauffe rapidement, ce qui augmente la pression, et le cycle se répète.

Le moteur Stirling ne produit de l’énergie que pendant la première partie du cycle. Il y a deux façons principales d’augmenter la puissance d’un cycle Stirling :

Augmenter la puissance à la première étape – Dans la première partie du cycle, la pression du gaz chauffé poussant contre le piston produit un travail. En augmentant la pression pendant cette partie du cycle, on augmente la puissance du moteur. Une façon d’augmenter la pression est d’augmenter la température du gaz.

Diminuer la puissance utilisée dans la troisième étape – Dans la troisième partie du cycle, les pistons travaillent sur le gaz, utilisant une partie de la puissance produite dans la première partie. En diminuant la pression pendant cette partie du cycle, on peut réduire la puissance utilisée pendant cette étape du cycle (ce qui augmente effectivement la puissance de sortie du moteur). Une façon de diminuer la pression est de refroidir le gaz à une température plus basse.

Cette section a décrit le cycle idéal de Stirling. Les moteurs qui fonctionnent réellement varient légèrement du cycle en raison des limites physiques de leur conception. Il y a deux différents types de moteurs Stirling. Le moteur à déplacement est probablement le plus facile à comprendre, c’est donc par là que nous commencerons.

Moteur Stirling à déplacement à cylindrée variable:

 

Au lieu d’avoir deux pistons, un moteur de type déplaceur a un piston et un déplaceur. Le déplaceur sert à contrôler le moment où la chambre à gaz est chauffée et celui où elle est refroidie. Ce type de moteur Stirling est parfois utilisé pour des démonstrations en classe. Vous pouvez même acheter un kit pour en construire un vous-même !

 

 

Pour fonctionner, le moteur ci-dessus nécessite une différence de température entre le haut et le bas du grand cylindre. Dans ce cas, la différence entre la température de votre main et celle de l’air qui l’entoure est suffisante pour faire fonctionner le moteur !

Le piston moteur – C’est le plus petit piston situé en haut du moteur. Il s’agit d’un piston étanche qui se déplace vers le haut lorsque le gaz à l’intérieur du moteur se dilate.

Le plongeur. Ce piston est très lâche dans son cylindre, de sorte que l’air peut se déplacer facilement entre les sections chauffées et refroidies du moteur lorsque le piston monte et descend.
Le déplaceur se déplace vers le haut et vers le bas pour contrôler si le gaz dans le moteur est chauffé ou refroidi. Il existe deux positions :

Lorsque le plongeur se trouve près du sommet du grand cylindre, la majeure partie du gaz à l’intérieur du moteur est chauffée par la source de chaleur et se dilate. La pression augmente à l’intérieur du moteur, ce qui pousse le piston moteur vers le haut.
Lorsque le plongeur se trouve près du fond du grand cylindre, la plupart des gaz à l’intérieur du moteur se refroidissent et se contractent. La pression diminue alors, ce qui permet au piston moteur de descendre plus facilement et de comprimer le gaz.
Le moteur chauffe et refroidit le gaz de manière répétée, en extrayant ainsi l’énergie de l’expansion et de la contraction du gaz.

Nous allons maintenant examiner un moteur Stirling à deux pistons.

Moteur Stirling à deux pistons:

 

Dans ce moteur, le cylindre chauffé est chauffé par une flamme externe. Le cylindre refroidi est refroidi à l’air et comporte des ailettes pour faciliter le processus de refroidissement. Une tige partant de chaque piston est reliée à un petit disque, qui est à son tour relié à un volant d’inertie plus grand. Cela permet de maintenir les pistons en mouvement lorsque le moteur ne produit pas de puissance.

 

 

A ce stade, vous vous demandez peut-être pourquoi il n’existe pas encore d’applications commerciales des moteurs Stirling ??

Pourquoi les moteurs Stirling ne sont-ils pas plus courants ?

 

Il y a quelques caractéristiques clés qui font que les moteurs Stirling ne sont pas pratiques à utiliser dans de nombreuses applications, surtout concernant voitures et camions.

Comme la source de chaleur est externe, il faut un peu de temps au moteur pour réagir aux changements de la quantité de chaleur appliquée au cylindre – il faut du temps pour que la chaleur soit conduite à travers les parois du cylindre et dans le gaz à l’intérieur du moteur. Cela signifie que :

Le moteur a besoin d’un certain temps pour se réchauffer avant de pouvoir produire une puissance utile.
Le moteur ne peut pas modifier sa puissance rapidement.

Ces inconvénients garantissent qu’il ne remplacera pas le moteur à combustion interne dans les voitures ! Cependant, une voiture hybride alimentée par un moteur Stirling pourrait être réalisable.

Cependant, l’application la plus intéressante à mon sens serait la production d’électricité à poste fixe, non ?  Avec très peu de combustible (bois, biogaz, solaire, ou co-génération etc…) on peut faire tourner en continu une génératrice électrique. La puissance sera fonction de l’échelle de fabrication du moteur Stirling actionnant la génératrice…

 

Sans doute à suivre 😉

 

 

 

(Remerciements spéciaux:
Je remercie tout particulièrement Brent Van Arsdell de l’American Stirling Company pour son aide dans la rédaction de cet article.)

 

 

 

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