Stirling, ce moteur mystérieux

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Le fonctionnement du moteur à air chaud dans la pratique

Le moteur à air chaud est à même de transformer n'importe quelle source de chaleur en travail mécanique. A l'instar des machines à vapeur c'est un moteur à combustion externe, sans explosions d'où son silence de fonctionnement. Pour essayer de rendre compréhensible à tous son fonctionnement l’analogie peut être faite avec une pompe à vélo ou une seringue en mettant le piston à mi-course et en bouchant l'extrémité. Imaginons ensuite que nous chauffions une extrémité du corps de la pompe, l'air se dilate et le piston est poussé en butée du côté opposé à la source de chaleur. Maintenant nous refroidissons le corps de la pompe en projetant de l'eau dessus, l'air se contracte et le piston retrouve sa position initial. En alternant ce cycle de chauffe et de refroidissement nous obtenons un mouvement de va-et-vient du piston très facilement transformable en travail mécanique rotatif par l’intermédiaire d'une bielle et d'un vilebrequin. Plus le delta T - la différence de température entre la partie chaude et la partie froide - est important, plus le rendement est élevé et le moteur performant. Pour améliorer le principe de base qui ne dispose pas d'un rendement exceptionnel, Robert Stirling inventa ce qu'il appela « l'économisateur » qu'on appel couramment le régénérateur ou encore « Heatsponge » chez les anglais, soit littéralement éponge à chaleur. C'est ce dernier qui permet de stocker et de restituer les calories du gaz pendant son transfert et améliore grandement le rendement des moteurs à air chaud. Il peut se trouver à l'extérieur, entre le cylindre chaud et le froid, ou alors être intégré à l'intérieur du cylindre. C'est cette dernière configuration qui rend un peu complexe la compréhension de son fonctionnement, mais nous verrons que le voile peut être levé sur ce mystère sans devoir disposer d'un bagage scientifique digne d'un prix noble !

Les éléments constitutifs du moteur Stirling

Les moteurs à air chaud sont tous constitués des même éléments de bases et pour beaucoup ses éléments sont très proche de ceux qui constituent les moteurs à explosions, piston, cylindre, bielle, vilebrequin, mais l'analogie s'arrête là. Car même l'association cylindre/piston classique peut être remplacé dans un moteur Stirling par une colonne de fluide, une membrane ou encore une colonne de gaz dans les moteurs termo-acoustique. Les moteurs à air chaud fonctionnent en circuit fermé, c'est à dire que le volume de gaz utile est enfermé dans le moteur est n'a nul besoin d'être régénéré. Cette configuration sans admission ni échappement n'a pas besoin de soupapes bruyantes qu'ils faut ouvrir et fermer alternativement. De plus les moteurs à air chaud fonctionne avec des basses pressions, c'est ce qui les rends si sécurisant par rapport aux machines à vapeur.

Le cylindre déplaceur chaud

Le cylindre déplaceur chaud, aussi appelé simplement déplaceur, travail toujours, comme son nom l'indique, à chaud. C'est lui qui reçoit toutes les calories et doit pouvoir supporter des températures comprises entre 700 et 800° C, les aciers inoxydables sont bien adaptés à cet usage. Le piston, qui se trouve donc à l’intérieur du cylindre, doit avoir au niveau de sa tête un dôme renforcé pour le protéger des hautes températures. Dans le cas d'un moteur Stirling classique, le piston est un cylindre creux rempli de divers matériaux qui se déplace dans le cylindre chaud. Le déplaceur du cylindre chaud fonctionne toujours sous de haute température est doit déplacer le gaz de la partie chaude à la partie froide. Le cylindre déplaceur chaud est en contact direct avec la source de chaleur externe qui donne au moteur son énergie motrice.

Le cylindre moteur froid

Le cylindre moteur froid ou piston moteur, travaille uniquement à froid, c'est lui qui fournit le travail mécanique du moteur. Il doit être monté de manière étanche et présenter le moins de frottement possible avec le cylindre. C'est un classique ensemble piston/cylindre comme on en retrouve sur beaucoup de machines, moteurs à explosion, compresseurs, pompes, etc. Le cylindre moteur froid est bien sûr le cylindre refroidi, par air sur les petits moteurs, principalement par l’intermédiaire d'ailettes de refroidissement comme celles présentes sur les cylindres des moteurs 2 temps. Il peut aussi s'agir pour les moteurs de plus grandes puissance d'un circuit de refroidissement liquide avec un radiateur comme sur les moteur 4 temps. Un flux constant d'eau peut aussi parfaitement servir au refroidissement.

Le régénérateur

C'est l'élément essentiel au bon rendement d'un moteur à air chaud. Son utilisation n’est pas obligatoire mais son apport est tellement important qu'il serait dommage de s'en priver. Il se situe généralement à l'extérieur du moteur entre le cylindre chaud et le cylindre froid mais il peut tout aussi bien se trouver dans le déplaceur. Son rôle est très important dans le cycle Stirling, il sert à stocker les calories du gaz dans son transfert chaud-froid et à les restituer dans le parcours retour, froid-chaud. Placé à l'intérieur du cylindre chaud, il ne doit pas freiner le passage du gaz, avoir le moins d'espace mort possible, avoir une grande surface en contact avec le gaz et être constitué d'un matériau avec une bonne conductibilité thermique.

Les composants mécaniques de transformation de mouvement

Le restes des éléments qui constituent un moteur à air chaud sont divers et variés. Il y a bien-sûr les bielles qui transmettent l’énergie du piston moteur à un vilebrequin. Ce dernier transforme le mouvement alternatif linéaire en mouvement rotatif continu. Le moteur Stirling n'a pas de soupapes et donc pas non plus de cames pour leurs ouvertures et fermetures. Néanmoins il existe des moteurs à air chaud équipé de soupapes, mais ces derniers sont plus le fruit de limitations posées par des protections de brevets sur les moteurs sans soupapes que d'un réel intérêt fonctionnel. Comme sur les moteurs à explosion on retrouve aussi un volant d'inertie et des systèmes de graissage centralisé. On trouve encore des roulements à billes, à rouleaux ou à aiguilles mais aussi des engrenages et d'autres éléments normalisés.

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