200 ans du MOTEUR STIRLING

Dans les premières années du XIXe siècle, les machines à vapeur étaient à l'œuvre dans une variété d'utilisations pratiques. Cependant, ils étaient encore imparfaits à bien des égards. Un problème particulier était les chaudières, qui avaient tendance à exploser, causant des blessures et des décès. Révérend Le Dr Robert Stirling, un ecclésiastique écossais, s'inquiétait du nombre de morts causés par l'explosion de chaudières. Sur la base des travaux antérieurs de George Cayley (connu pour ses travaux de pionnier sur l'aéronautique), Stirling a déposé son brevet pour un moteur plus sûr en 1816. Le moteur Stirling a le rendement théorique le plus élevé de tous les moteurs thermiques. C'est aussi une machine relativement simple. Contrairement à d'autres types de moteurs, il n'y a pas de soupapes, ce qui rend la conception mécanique beaucoup plus simple.

Principes d'un moteur Stirling

Dans un moteur Stirling, comme dans tout autre moteur thermique, il y a deux zones à température différente,  et le fluide de travail est déplacé entre eux pour extraire le travail. Dans l'animation de droite, la zone froide est en bleu et contient le piston de puissance. La zone chaude est en rouge et contient un autre piston appelé déplaceur. De la chaleur est ajoutée à la zone chaude et le gaz se dilate, poussant le piston de puissance à produire du travail. Lorsque le piston de puissance est sur le point d'atteindre la fin de sa course, le plongeur se déplace vers la gauche, déplaçant le gaz de la zone chaude vers la zone froide. Le gaz est refroidi et se contracte, et le piston de puissance se déplace vers la gauche. Puis le cycle se répète.

Il existe deux configurations de base pour un moteur Stirling, l'une est le type bêta dont nous avons discuté ci-dessus; l'autre est le type alpha, montré à gauche. Le principe de fonctionnement est le même. Dans le moteur alpha, il y a deux pistons de puissance qui se rejoignent au même point dans le vilebrequin, et le gaz fait la navette entre les deux cylindres. Un élément clé et la base du brevet 1816 est le régénérateur, essentiellement un échangeur de chaleur placé entre les zones chaude et froide. Le régénérateur retient la chaleur qui serait autrement perdue dans l'environnement, augmentant ainsi l'efficacité thermique. Il existe de nombreuses variantes de conception qui utilisent le cycle de Stirling, telles que :

• la plongeur rotatif taper,
• la différentiel de basse température ou LTD,
• la fluidyne moteur,
• la thermoacoustique moteur,
• la marbre moteur,
• piston multiple moteurs.

En attendant que la science des matériaux rattrape son retard

Stirling a continué à apporter des améliorations à la conception, avec l'aide de son frère James (un ingénieur). Leurs moteurs ont été produits et vendus comme une alternative à la machine à vapeur. Mais pour atteindre une puissance et une efficacité maximales, le moteur Stirling doit fonctionner à des températures élevées. Les matériaux disponibles au cours de ces premières années n'étaient tout simplement pas à la hauteur de la tâche, ce qui entraînait de fréquents échecs. Parallèlement, la machine à vapeur évolue et devient plus sûre.

Les Stirlings étaient également considérablement plus gros qu'une machine à vapeur de même puissance. À cause de cela, ils ont pris le pas sur d'autres concurrents, principalement la vapeur et le nouveau moteur à combustion interne. Les moteurs Stirling étaient limités à des applications à faible puissance, telles que les ventilateurs, le pompage de l'eau et la fourniture d'air pour les orgues d'église. Mais finalement, même dans ces applications, la technologie a été remplacée par le moteur électrique. Le développement de l'acier a résolu de nombreuses pannes de moteur, mais il était trop tard. En 1876, Stirling écrivait :

…Ces imperfections ont été en grande partie éliminées par le temps et
surtout par le génie du distingué Bessemer. Si le fer ou l'acier de Bessemer avait été connu il y a trente-cinq ou quarante ans, il ne fait guère de doute que le moteur à air aurait été un grand succès… Il reste à un mécanicien habile et ambitieux dans un futur âge à le répéter dans des circonstances favorables et avec réussite complète….

Générateur Stirling et cryorefroidisseur

La poursuite du développement du moteur s'est arrêtée, jusqu'au milieu des années 1930, grâce au Phillips Research Laboratory d'Eindhoven. Afin d'augmenter les ventes de ses radios à tube, Phillips voulait un petit générateur électrique silencieux et thermique pour les régions éloignées. En 1951, ils ont réussi à développer un générateur Stirling capable de générer 200 watts de puissance électrique, mais le prix n'était pas compétitif.

À cette époque, les radios à transistors ont fait leurs débuts. Avec des exigences de puissance minimales, ils pouvaient être alimentés par des batteries et le générateur Stirling n'était plus nécessaire. Cependant, les recherches de Phillips ont produit une mine de nouvelles connaissances pour le développement ultérieur du moteur Stirling. En effet, ils ont développé en parallèle une cryocooler, qui est considéré comme la seule application commercialement réussie des moteurs Stirling. Le moteur, fonctionnant en sens inverse, produit une différence de température lorsqu'un travail mécanique est appliqué à l'arbre. Des températures aussi basses que -200 C peuvent être obtenues, suffisantes pour liquéfier l'air.

Stirling dans l'automobile

Des efforts ont été déployés pour développer une version automobile du moteur Stirling. En 1986, le projet MOD II a produit un moteur capable d'une efficacité thermique de 38,5 % (les moteurs automobiles modernes se situent entre 20 et 25 %). Le moteur a été testé dans une Chevrolet Celebrity notchback, et la consommation d'essence urbaine a été augmentée de 26 à 33 mpg. Un inconvénient était que le temps de démarrage était d'environ 30 secondes. Cependant, Ford a développé une version avec des réchauffeurs internes qui pouvaient démarrer le moteur en quelques secondes. Le manque d'intérêt des constructeurs automobiles et les réductions du financement de la recherche ont empêché la poursuite du développement d'un Stirling automobile.

Trouver sa niche

Outre le refroidisseur cryogénique, le moteur Stirling est utilisé dans d'autres applications de niche. Le moteur Stirling à piston libre (FPSE) utilise un champ magnétique alternatif pour entraîner le piston et générer une différence de température. Grâce à l'entraînement magnétique, il n'y a pas besoin de joints ou de garnitures, et l'unité peut être complètement scellée. En raison de sa grande fiabilité, il est utilisé par la NASA pour refroidir l'instrumentation des satellites.

Les utilisations futures possibles comprennent les unités de dessalement, comme le fronde, inventée par Dean Kamen, qui utilise distillation à la vapeur d'eau pour purifier l'eau. Il peut utiliser n'importe quelle forme de carburant pour alimenter son moteur Stirling. Dans l'énergie solaire, les moteurs Stirling sont testés en les plaçant au centre de miroirs paraboliques et en entraînant  générateurs électriques. Avec cette configuration, le rendement est meilleur qu'avec le photovoltaïque non concentré.

Ils ont également été proposés pour remplacer les turbines à vapeur dans les centrales nucléaires, éliminant ainsi le besoin d'eau dans le système. Une autre application nucléaire est un moteur Stirling qui utilise du combustible nucléaire comme source de chaleur, fournissant des années d'énergie pour une utilisation dans l'exploration spatiale.

Ces dernières années, une idée intéressante pour un usage domestique a pris de l'ampleur : la micro-production combinée de chaleur et d'électricité, qui est une technologie qui génère de la chaleur et de l'électricité à partir de la même source d'énergie dans les maisons individuelles. Il s'agit d'un groupe électrogène entraîné par un moteur interconnecté au réseau qui fonctionne au combustible fossile, le groupe électrogène produit de l'électricité et la chaleur perdue est acheminée vers un échangeur de chaleur qui fournit de l'eau chaude.

Si vous souhaitez expérimenter les moteurs Stirling, nous avons de bonnes nouvelles pour vous, car c'est l'un des moteurs les plus simples que vous pouvez construire. Après 200 ans d'histoire, il n'est pas clair si nous verrons un jour le Stirling jouer un rôle majeur dans le monde des moteurs, ou s'il restera dans des applications de niche. Nous espérons certainement le premier.

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