Si vous avez quelques canettes de soda et quelques autres accessoires faciles à trouver, vous pouvez recréer l'un des premiers moteurs commercialement viables jamais fabriqués. Bien que de petite taille, un moteur Coke Can Stirling parle toujours à notre âme mécanique collective alors qu'il souffle et se décompose sur une étagère, faisant tourner un volant d'inertie, faisant tourner quelques pales de ventilateur ou même générant quelques watts.
Sa simplicité même évoque une autre époque. Et qu'il s'agisse d'une preuve de concept, d'un modèle intéressant, d'un sujet de conversation ou d'une sculpture cinétique, la fabrication d'un moteur Stirling en canette de soda est un excellent moyen de plonger dans le passé.
Le moteur Stirling était l'enfant du cerveau de Robert Stirling, qui a inventé le concept en 1816. L'idée derrière son moteur était d'utiliser de l'air pour alimenter un moteur, plutôt que la technologie montante à l'époque - la vapeur.
Ce qui distingue le moteur de Stirling des autres, c'est l'utilisation d'un "économiseur", qui améliore l'économie de carburant. Ceci est maintenant connu comme un régénérateur. Entre 1816 et 1843, Stirling et son frère James affinèrent la conception et l'efficacité du moteur. Au milieu du XIXe siècle, ses moteurs alimentaient de grandes industries, notamment des fonderies. Cependant, son moteur, ainsi que la plupart des moteurs à air chaud, était plus adapté aux applications à faible puissance. Son désir de créer une alternative plus sûre aux machines à vapeur qui explosent souvent a été vaincu par le besoin de plus de puissance pour faire fonctionner des industries en pleine croissance.
La première chose que vous devez savoir sur un moteur Stirling, c'est comment les pièces vont ensemble et comment elles fonctionnent.
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Enlevez le régénérateur de Stirling et vous avez un moteur à air chaud. Le fonctionnement d'un moteur à air chaud est simple. L'air devient ce qu'on appelle le "fluide de travail". Une source de chaleur, dans le cas de la plupart des moteurs Stirling en canettes de soda, il s'agit d'une bougie chauffe-plat, chauffe l'air et le fait se dilater. L'air est alors refroidi, provoquant sa contraction. L'expansion et la contraction de l'air, ou fluide de travail, est un cycle thermodynamique. Maintenant, utilisez ce cycle thermodynamique pour déplacer un piston et vous avez effectivement permis au cycle thermodynamique de produire un travail mécanique utile. Lorsque vous attachez un vilebrequin au piston et que vous ajoutez un volant d'inertie, vous avez les bases d'un moteur.
Terminez la construction d'un moteur Stirling et vous apprendrez plus que quelques leçons sur l'ingénierie maison. Surtout, en construire un est très amusant et vous donne la possibilité de faire preuve de créativité avec ce que la plupart des gens considèrent comme indésirable. Et le voir fonctionner l'amène à un tout autre niveau.
Cela semble simple ? C'est le cas, mais il reste encore un certain temps avant que le moteur ne soit construit. Vous aurez besoin de plus de composants, de quelques matériaux et d'une compréhension de la façon dont ils s'emboîtent tous avant que votre moteur ne s'épuise.
Voici ce dont vous aurez besoin :
Faisons le tour des composants que vous allez construire, voyons comment ils fonctionnent, ce qu'ils font et comment tout s'emboîte.
Histoire de StirlingRobert Stirling n'a pas été le premier à essayer un moteur pneumatique, mais il a été le premier à créer un produit commercial viable, et sa conception de moteur a été mise en service en 1818 pour alimenter une pompe à eau dans une carrière.
"Vous devez penser comme un horloger", déclare Jim Larsen, constructeur de moteurs Stirling de longue date, auteur et éducateur. "Vous devez faire attention aux détails. Si vous faites attention aux détails, vous avez de meilleures chances de succès."
Les principaux composants d'un moteur Stirling sont relativement simples et directs. Alors que nous nous concentrons sur un moteur de canette de soda, les moteurs ont été construits à l'aide de matériaux allant des pots de peinture aux bidons d'huile. Larsen a déclaré lors d'un défi de Thanksgiving alors qu'il rendait visite à sa belle-famille, il avait construit un moteur Stirling à partir de divers matériaux de quincaillerie, y compris des casseroles et des poêles.
Les canettes de soda en aluminium offrent des formes préformées prêtes à l'emploi, parfaites pour les moteurs. Ils sont également faciles à travailler et, bien sûr, très bon marché. Et bien qu'ils ne soient pas assez robustes pour une utilisation sérieuse, ils résisteront à la micro-puissance produite par la plupart des plans de moteur.
La chambre de pression est un récipient qui contient l'air captif, ou le fluide de travail, dans le système fermé. C'est ici que l'air est chauffé et refroidi pendant le cycle thermodynamique. Alors que les fuites d'air et de pression peuvent être le fléau de nombreux moteurs, la chambre de pression a en fait besoin d'une petite fuite contrôlée. Sans cette fuite, la chambre deviendrait simplement un baromètre et ne réagirait qu'aux changements de pression barométrique de l'air qui l'entoure.
Larsen a déclaré que de nombreux constructeurs de Stirling choisissent de changer le fluide de travail dans la chambre de pression de l'air à l'hélium, qui réagit mieux pendant le cycle thermodynamique.
Le mécanisme d'entraînement utilise l'expansion et la contraction de l'air à l'intérieur de la chambre de pression pour entraîner un vilebrequin. Le mécanisme d'entraînement peut soit être fixé sur le côté du moteur, soit être intégré dans la structure du moteur.
Pour Larsen, le vilebrequin est la partie la plus critique du moteur et influence chaque partie de l'ensemble, du calage à la course du plongeur, en passant par la vitesse du volant d'inertie et l'équilibre de l'ensemble. "C'est une partie sur laquelle vous voulez passer du temps pour bien faire les choses", a déclaré Larsen.
Le volant d'inertie sert plus qu'à indiquer que le moteur fonctionne. Il agit comme une sorte de dispositif de stockage d'énergie. Un volant d'inertie bien équilibré prend l'énergie créée pendant la course motrice du moteur et la stocke. Lorsque de l'énergie est nécessaire pour pousser le plongeur vers le bas, le volant d'inertie fournit son énergie stockée pour surmonter la friction et d'autres forces. Sans un bon volant d'inertie, le plongeur monterait simplement au sommet de la chambre et y resterait.
Larsen a déclaré qu'avoir un volant d'inertie bien équilibré est la clé de l'efficacité. Si la roue n'est pas équilibrée, le moteur doit travailler plus fort pour la déplacer. "Vous ne voulez pas que le moteur fasse plus de travail que nécessaire", a-t-il déclaré.
Le plongeur dans un moteur à air chaud sert à déplacer l'air à l'intérieur de la chambre de pression. N'oubliez pas que le moteur ne peut pas fonctionner sans le cycle thermodynamique où l'air est chauffé et refroidi, provoquant une expansion et une contraction. Si la chambre de pression était simplement chauffée, sans rien à l'intérieur pour déplacer l'air, l'air à l'intérieur se réchaufferait et se dilaterait, mais ne se contracterait jamais.
Avec la source de chaleur en bas, le moteur à air chaud utilise également le refroidissement en haut, généralement de la glace ou de l'eau froide, pour refroidir l'air. Au fur et à mesure que l'air est chauffé, il se dilate en déplaçant le plongeur vers le haut de la chambre de pression. Au sommet de la chambre, l'air est refroidi, se contracte et déplace le plongeur vers le bas. Tout cela se produit à l'aide du mécanisme d'entraînement, du vilebrequin et du volant.
Le déplaceur est le plus souvent un morceau de laine d'acier laminé avec un fil léger traversant le centre. Vous vous souvenez quand Larsen a parlé de la nécessité de penser comme un horloger ? C'est l'une de ces fois. Le plongeur doit pouvoir coulisser librement dans la chambre de pression, tout en remplissant la plus grande partie de celle-ci. Il doit permettre la libre circulation de l'air, tout en limitant une partie du débit. L'idée est de minimiser les frictions et de maximiser l'efficacité. Ce thème est une constante tout au long de la construction du moteur.
La boîte à chaleur est simplement un support sur lequel repose le moteur. La source de chaleur est placée sous le moteur.
Cela semble être beaucoup de travail pour pas beaucoup de retour. Mais il y a un sentiment tangible lorsque vous avez terminé le moteur, dépanné les travaux pour le faire démarrer et le voir souffler tout seul. Pour Larsen, sa fascination a commencé il y a plus d'une demi-décennie, alors que la vôtre pourrait commencer dans quelques jours à peine.
VidéoPour regarder un moteur de canette de soda Stirling en action, regardez cette vidéo et plusieurs autres en ligne.
Sources
