Comment fonctionnent les moteurs Stirling

Photo avec l'aimable autorisation de l'American Stirling Company Ce moteur peut fonctionner en utilisant uniquement la chaleur de votre main. Voir les photos des moteurs.

Le moteur Stirling est un moteur thermique 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 dans les sous-marins ou les générateurs d'énergie auxiliaires pour les yachts, où un fonctionnement silencieux est important. Bien qu'il n'y ait pas eu d'application réussie pour le marché de masse du moteur Stirling, certains inventeurs très puissants y travaillent.

Un moteur Stirling utilise le cycle Stirling , contrairement aux 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 de Stirling utilise une source de chaleur externe, qui peut aller de l'essence à l'énergie solaire en passant par la chaleur produite par les plantes en décomposition. Aucune combustion n'a lieu à l'intérieur des cylindres du moteur.

Il existe des centaines de façons d'assembler un moteur Stirling. Dans cet article, nous allons découvrir le cycle de Stirling et voir comment fonctionnent deux configurations différentes de ce moteur.

Contenu

1. Le cycle de Stirling
2. Moteur Stirling de type plongeur
3. Moteur Stirling à deux pistons
4. Pourquoi les moteurs Stirling ne sont-ils pas plus courants ?

>Le cycle de Stirling

Le principe clé d'un moteur Stirling est que une quantité fixe de gaz est scellée à l'intérieur du moteur . Le cycle de Stirling implique une série d'événements qui modifient la pression du gaz à l'intérieur du moteur, le faisant fonctionner.

Plusieurs propriétés des gaz sont essentielles au fonctionnement des moteurs Stirling :

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

Passons en revue chaque partie du cycle Stirling tout en regardant un moteur Stirling simplifié. Notre moteur simplifié utilise deux cylindres. Un cylindre est chauffé par une source de chaleur externe (telle que le feu) et l'autre est refroidi par une source de refroidissement externe (telle que la glace). Les chambres à gaz des deux cylindres sont reliées et les pistons sont reliés mécaniquement entre eux par une tringlerie qui détermine comment ils se déplaceront l'un par rapport à l'autre.

Il y a quatre parties dans le cycle de Stirling. Les deux pistons de l'animation ci-dessus accomplissent toutes les parties du cycle :

1. De la chaleur est ajoutée au gaz à l'intérieur du cylindre chauffé (à gauche), provoquant une augmentation de la pression. Cela oblige le piston à descendre. C'est la partie du cycle de Stirling qui fait le travail.
2. Le piston gauche monte tandis que le piston droit descend. Cela pousse le gaz chaud dans le cylindre refroidi, qui refroidit rapidement le gaz à la température de la source de refroidissement, abaissant sa pression. Cela facilite la compression du gaz dans la partie suivante du cycle.
3. Le piston dans le cylindre refroidi (à droite) commence à comprimer le gaz. La chaleur générée par cette compression est évacuée par la source de refroidissement.
4. Le piston droit monte tandis que le piston gauche descend. Cela force le gaz dans le cylindre chauffé, où il chauffe rapidement, créant une pression, à quel point le cycle se répète.

Le moteur Stirling ne produit de la puissance que pendant la première partie du cycle. Il existe deux manières principales d'augmenter la puissance d'un cycle de Stirling :

• Augmenter la puissance de sortie lors de la première étape - Dans la première partie du cycle, la pression du gaz chauffé poussant contre le piston effectue un travail. L'augmentation de la pression pendant cette partie du cycle augmentera la puissance de sortie du moteur. Une façon d'augmenter la pression consiste à augmenter la température du gaz. Lorsque nous examinerons un moteur Stirling à deux pistons plus loin dans cet article, nous verrons comment un appareil appelé régénérateur peut améliorer la puissance du moteur en stockant temporairement la chaleur.
• Réduire la consommation d'énergie lors de la troisième étape - Dans la troisième partie du cycle, les pistons effectuent un travail sur le gaz, en utilisant une partie de la puissance produite dans la première partie. L'abaissement de la pression pendant cette partie du cycle peut diminuer la puissance utilisée pendant cette étape du cycle (augmentant ainsi la puissance de sortie du moteur). Une façon de diminuer la pression consiste à refroidir le gaz à une température plus basse.

Cette section décrit le cycle de Stirling idéal. Les moteurs de travail réels varient légèrement le cycle en raison des limitations physiques de leur conception. Dans les deux sections suivantes, nous examinerons différents types de moteurs Stirling. Le moteur de type plongeur est probablement le plus facile à comprendre, nous allons donc commencer par là.

Remerciements spéciaux

Remerciements particuliers à Brent Van Arsdell de l'American Stirling Company pour son aide dans cet article.

>Moteur Stirling de type plongeur

Au lieu d'avoir deux pistons, un moteur de type plongeur a un piston et un plongeur. Le plongeur sert à contrôler quand la chambre à gaz est chauffée et quand elle est refroidie. Ce type de moteur Stirling est parfois utilisé dans les 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 suffit à faire tourner le moteur.

Dans la figure de cette page, vous pouvez voir deux pistons :

1. Le piston de puissance - C'est le plus petit piston en haut du moteur. Il s'agit d'un piston hermétiquement fermé qui monte lorsque le gaz à l'intérieur du moteur se dilate.
2. Le déplaceur - C'est le gros piston du dessin. 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 plongeur monte et descend pour contrôler si le gaz dans le moteur est chauffé ou refroidi. Il y a deux positions :

• Lorsque le plongeur est près du haut 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 monte à l'intérieur du moteur, forçant le piston de puissance vers le haut.
• Lorsque le plongeur est près du bas du grand cylindre, la plupart des gaz à l'intérieur du moteur se refroidissent et se contractent. Cela fait chuter la pression, ce qui permet au piston de puissance de descendre plus facilement et de comprimer le gaz.

Le moteur chauffe et refroidit le gaz à plusieurs reprises, extrayant l'énergie de l'expansion et de la contraction du gaz.

Ensuite, nous allons jeter un œil à 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 par air et comporte des ailettes pour faciliter le processus de refroidissement. Une tige issue de chaque piston est reliée à un petit disque, lui-même relié à un volant plus grand. Cela maintient les pistons en mouvement lorsqu'aucune puissance n'est générée par le moteur.

La flamme chauffe continuellement le cylindre inférieur.

1. Dans la première partie du cycle, la pression s'accumule, forçant le piston à se déplacer vers la gauche, en faisant le travail. Le piston refroidi reste approximativement immobile car il se trouve au point de sa révolution où il change de direction.
2. À l'étape suivante, les deux pistons bougent. Le piston chauffé se déplace vers la droite et le piston refroidi monte. Cela déplace la majeure partie du gaz à travers le régénérateur et dans le piston refroidi. Le régénérateur est un appareil qui peut temporairement stocker de la chaleur - il peut s'agir d'un treillis de fil à travers lequel les gaz chauffés passent. La grande surface du treillis métallique absorbe rapidement la majeure partie de la chaleur. Cela laisse moins de chaleur à évacuer par les ailettes de refroidissement.
3. Ensuite, le piston dans le cylindre refroidi commence à comprimer le gaz. La chaleur générée par cette compression est évacuée par les ailettes de refroidissement.
4. Dans la dernière phase du cycle, les deux pistons se déplacent :le piston refroidi descend tandis que le piston chauffé se déplace vers la gauche. Cela force le gaz à travers le régénérateur (où il récupère la chaleur qui y était stockée lors du cycle précédent) et dans le cylindre chauffé. À ce stade, le cycle recommence.

Vous vous demandez peut-être pourquoi il n'y a pas encore d'applications grand public des moteurs Stirling. Dans la section suivante, nous examinerons certaines des raisons à cela.

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

Il existe quelques caractéristiques clés qui rendent les moteurs Stirling impraticables pour une utilisation dans de nombreuses applications, y compris dans la plupart des voitures et des camions.

Parce que 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 de la puissance utile.
• Le moteur ne peut pas modifier rapidement sa puissance de sortie.

Ces lacunes garantissent pratiquement qu'il ne remplacera pas le moteur à combustion interne des voitures. Cependant, une voiture hybride à moteur Stirling pourrait être envisageable.

Pour plus d'informations sur les moteurs Stirling et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.

Publié à l'origine :4 mai 2001

Foire aux questions sur le moteur Stirling

À quoi sert un moteur Stirling ?

Il existe des centaines de façons d'utiliser un moteur Stirling. Actuellement, les moteurs Stirling ne sont utilisés que dans des applications spécialisées, comme dans les sous-marins ou les générateurs de puissance auxiliaires pour les yachts.

Pourquoi les moteurs Stirling ne sont-ils pas utilisés ?

Il n'y a pas encore eu d'application réussie sur le marché de masse pour le moteur Stirling.

Que pouvez-vous alimenter avec un moteur Stirling ?

Les moteurs Stirling peuvent être utilisés de plusieurs façons. Bien qu'ils se trouvent généralement dans les sous-marins et les yachts, ils peuvent également être utilisés pour les jouets, les poêles à bois, les systèmes de climatisation et de chauffage, etc.

Quel type de moteur est un moteur Stirling ?

Un moteur Stirling utilise le cycle Stirling, qui est différent des cycles utilisés dans les moteurs à combustion interne. Le cycle de Stirling utilise une source de chaleur externe, qui peut aller de l'essence à l'énergie solaire en passant par la chaleur produite par les plantes en décomposition. Aucune combustion n'a lieu à l'intérieur des cylindres du moteur.

Combien de temps un moteur Stirling peut-il fonctionner ?

Les moteurs Stirling peuvent fonctionner pendant de nombreuses années.

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Plus de liens intéressants

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• Société des moteurs Stirling aux États-Unis
• Plans du moteur Stirling en boîte de conserve
• Page d'accueil du moteur Stirling
• AirSport – Moteur Stirling :le groupe motopropulseur de l'avion du futur
• Le moteur Stirling de l'Idaho