... tout, tout, tout sur les moteurs Stirling ...

       C'était dans les années 1995-1996. Je profitais d'un peu plus de temps laissé libre par l'activité archéologique et lorgnais sur la machine à vapeur. Cette machine mythique qui faisait "teuf-teuf" dans un grand panache de fumée, en arrivant en gare, ou bien le petit engin qui arrivait dans la cour de ferme sur deux roues et à l'aide de quelques bûches faisait tourner la batteuse (pour battre le blé). On met un peu d'eau dans la chaudière, on chauffe et la vapeur fait le reste dans un grand mouvement de bielles et de courroies.

       Pour les petites constructions des modélistes qui fonctionnent magnifiquement comme les grandes, le salon annuel de "La maquette et du modéle réduit" qui s'ouvre, tous les ans, à la Porte de Versailles à Paris (depuis 2007, au Bourget), est incontournable. En voulant y puiser des plans, des conseils, des données précieuses pour démarrer, je suis tombé sur un autre drôle de moteur. C'était Rudy Mémin, membre de l'association "La vapeur vive", qui présentait quelques-uns de ses modèles. Il en a réalisé plus d'une centaine. Étant également "meilleur ouvrier de France" il a été surnommé le pape français des moteurs Stirling - mais ils sont quelque-uns en France, pour ne citer que Pierre Gras, Daniel Lyonnet ... etc.).

       Pour un moment, peut-être, j'ai délaissé la vapeur pour me consacrer à ces drôles de machines : les moteurs "Stirling". Pour l'instant, je copie les plans de moteurs ... avant de me lancer dans ceux qui, dans la tête, attendent, impatients...
(Information plus récente : Pour des raisons ? financières, il n'existe plus de salon "maquettes et modèle réduit" depuis 2009 inclus ; espace qui était pourtant fabuleux : des avions, aux ballons dirigeables, en passant par le bassin des bateaux en tout genre, des multiples circuits de trains, des voitures télécommandées ... etc. etc. ...).

Petit aperçu :

               Historique

• Depuis 1712 , en Grande-Bretagne, l'eau au fond des mines de charbon était pompée par des machines à vapeur rudimentaires.

• Le pasteur Robert STIRLING déposa un brevet en 1816. Ce moteur n'avait pas le défaut des premières machines à vapeur haute pression qui explosaient par surpression (la connaissance des aciers était en retard par rapport aux développements de ces machines). C'est un moteur à air chaud en circuit fermé, à basse pression et sans chaudière. Sa première machine a été créée en 1815 et montée sur un bateau.

     Ce brevet comprenait de telles innovations, que l'année 1816 est considérée comme la date de naissance de ce type de moteurs.                                   

• Le deuxième brevet est déposé en 1827 avec son frère James, devenu ingénieur. Cette machine a un régénérateur constitué de plaques de verre et de fonte.

• Le troisième brevet est déposé en 1840 avec une machine dont le régénérateur est extérieur et l'air est pressurisé à 10 bars.

• En 1847, William Thomson, qui sera anobli et deviendra "Lord Kelvin of largs", fait une communication sur le rendement du moteur Stirling comme étant une machine idéale.
Vous avez appris la valeur du zéro absolu, c'est-à-dire de la température la plus basse qu'il puisse exister : -273,16° Celcius. Ce degré se nomme le degré "Kelvin" (0° K), car c'est au cours de cette étude que Lord Kelvin l'a calculé.

• Entre cette date et la première guerre mondiale, de grandes quantités de moteurs Stirling furent produits.

• Les inventions du moteur à gaz, ancêtre du moteur à essence, du moteur Diesel et l'absence de matériaux fiables pour le moteur Stirling, le firent tomber dans l'oubli. De 1937 à 1979, l'histoire du moteur Stirling fut donc étroitement liée aux efforts de la société Philips (les chercheurs du "Philips Research Laboratory" à Eindhoven).

• Aujourd'hui, les moteurs Stirling modernes ont des rendements supérieurs à 40%.

               Avantages :

• Il n'y a ni explosion ni combustion interne :

(Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe continue et complète [pollution réduite], donc plus facile à contrôler que dans un moteur à combustion interne.) - Les rejets de gaz polluants peuvent être considérablement réduits.

• Pas de soupape ni de système d'injection (bruit réduit).

• Le fonctionnement est extrêmement silencieux.

• Le couple produit est très régulier et les pièces mécaniques sont moins sollicitées.

• Le moteur a une grande durée de vie (grande fiabilité).

• Le lubrifiant n'est pas contaminé par les résidus de combustion. Aucune nécessité de procéder à des vidanges périodiques.

• Il accepte tout type de source de chaleur :

  •            - Combustion de composants solide, liquide, biomasse … de la paille, du bois, des déchets, du charbon, … etc.
  •            - L'énergie solaire.
  •            - L'énergie nucléaire.
  •            - La chaleur géothermique …

• Il est réversible.

• Il a un très bon rendement ( les moteurs SOLO ou STM (Stirling Thermal Motors) qui travaillent à des pressions de 150 à 200 bars, ont des puissances au cm3 supérieures aux moteurs à combustion interne).

• L'encombrement n'est plus un problème : la société Philips a pu loger un moteur de 15 ch dans une boîte carrée de 30 cm de côté.

           La puissance de 5000 ch a pu être atteinte avec un encombrement et un poids égaux à ceux du moteur Diesel.

               Technique :

Je reste sobre sur la théorie de fonctionnement du Stirling, car avec ses apparences de sainte-ni-touche, il est quelque peu complexe.

• Le moteur Stirling est aussi appelé moteur à air chaud.

• Un moteur Stirling comporte classiquement un piston "moteur" et un piston "déplaceur" aux mouvements synchronisés.

• Le moteur Stirling est un moteur thermique à chauffage externe muni d'un régénérateur dont le fluide de travail (air, He, H2 ) reste réellement en circuit fermé. Le rôle du régénérateur est d'absorber la chaleur lors du passage du gaz de la partie chaude à la partie froide et de la restituer au gaz dans la phase inverse.

• Le moteur Stirling est un moteur à bas régime pouvant convenir aux bateaux, pompes, générateur électrique à énergie solaire..

        Dans le domaine de la traction automobile, les moteurs à combustion interne présentent, par rapport aux moteurs Stirling, deux avantages déterminants :

• Accélération rapide, mise en marche immédiate.

L'accélération d'une voiture mue par un moteur Stirling n'est correcte que si l'on utilise des dispositifs lourds et onéreux. Pour mettre en marche un moteur Stirling, il faut d'abord chauffer le réchauffeur, ce qui empêche la voiture de circuler immédiatement.

Mais l'application des moteurs Stirling dans les véhicules hybrides présente toujours de l'intérêt.

On connaît actuellement 12 types de moteurs Stirling.

               Réalisations :

           • Philips l'avait redécouvert à la fin des années 30 pour charger ses batteries et l'avait modernisé.   

           • Plusieurs sous-marins tant civils que militaires. Pour les sous-marins, le moteur Stirling offre un avantage sur les moteurs à combustion interne. La chaleur est fournie par la combustion continue de fuel et d'oxygène sous pression. La chambre à combustion étant pressurisée, les gaz de combustion peuvent être directement rejetés dans l'eau de mer sans devoir être comprimés au préalable, ce qui accroît considérablement l'autonomie en plongée (passé de 24 h à une semaine).

           • La production d'électricité à partir d'énergie solaire. Très développé aux USA. Les moteurs ont une puissance unitaire de 5 à 50 Kw.
Autre exemple : Le Maroc dispose d’un important gisement solaire. 30 % du territoire reçoit annuellement plus de 2000 kWh par m2. Avec un rendement du système Stirling de 25 % et la mobilisation de 1 % de la surface, cela permettrait de produire environ 210 TWh par an, ce qui représente plus de 15 fois la demande nationale en l’an 2000. De la firme SOLO (Allemagne), trois installations solaires de la Plataforma Solar de Almeria en Espagne ont commencé à fonctionner en 1992. Depuis 1997, six systèmes fonctionnent également avec la version solaire du Stirling 161, elle cumulent avec les trois anciennes installations environ 40 000 heures de fonctionnement. Des installations utilisant le nouveau type de système sont également utilisées aux Etats-Unis et en Turquie.

          • La production d'électricité à partir d'énergie solaire pour application spatiale, très étudiée au USA et au Japon. La conversion de l'énergie solaire en électricité par les cellules voltaïques a un rendement inférieur à 10 %. D'où augmentation des dimensions des panneaux, difficulté d'un pointage précis vers le soleil et augmentation de la traînée en atmosphère résiduelle.

           • La cogénération dans le secteur tertiaire ; soutien important des pouvoirs publics au Japon. Objectif du programme : concevoir une installation Stirling pour fournir de l'éléctricité à partir de la chaleur rejetée par le chauffage domestique et la production d'eau chaude domestique; Idem en Allemagne. La société SOLO Kleinmotoren GmbH de Sindelfingen se consacre depuis 1990 à la technologie Stirling. La société travaille depuis 1993 à un nouveau modèle, le Stirling 161, qui doit être produit en série à partir de 2002. Son prédécesseur a été entièrement repensé. Les nouvelles machines construites depuis 1996 sont soumises à des tests in situ afin d’amener la technique prometteuse du moteur Stirling à maturité et de lui conférer une fiabilité maximale. Au sein d’un projet soutenu par la « Deutsche Bundesstiftung Umwelt » (Fondation allemande pour l’environnement), ce sont au total 20 modules Stirling au gaz naturel qui fonctionnent dans des conditions réelles sur différents sites allemands. Ces tests prendront fin en 2001.

           • Des moteurs de voitures ou de camions tel que Ford, GM, MAN etc..

  • 4 cylindres pour autobus DAF : 147 kW - 1500 t/min (Philips)
  • un V8 par General Motors (brevet Philips) 268 kW.
  • un moteur 4 cylindres 75 kW -1500 t/min pour MAN.
  • un moteur 4 cylindres 125 kW -4000 t/min par FORD. …  …  … etc.
           • Le moteur 4275 développé par la société United Stirling AB (USAB) de Malmö (Suéde). C'est un moteur Stirling cinématique développant une puissance de 50 KW avec un rendement global de 42% à 1500 tr/mn. Cette même société créée en 1968, avec les brevets de Philips, fabrique des moteurs pour bateaux, groupes électrogènes, automobiles … - en 1976 elle installe sur un camion un moteur 8 cylindres en V double actions ; température chaude 750° C, froide 70° C, rendement 37%, 150 KW, démarrage en 15 secondes par - 35°C, poids 650 Kg. Un de ses moteurs (SAGA) équipe un sous-marin appartenant à l'Ifremer et basé à Marseille.

           • STM 4-120 : une application industrielle. Faible nombre de composants et compacité caractérisent ce moteur qui peut brûler gaz ou fuel. Quatre pistons à double action transfèrent un gaz (hélium ou hydrogène) et récupèrent l'énergie. Leur disposition axiale autorise un faible encombrement et une bonne compacité de l'ensemble. Ce moteur peut délivrer 30Kw, et a une durée de vie sans entretien de ... 60000 heures (7 ans sans interruption). La vitesse de rotation en sortie est de 1800 t/mn, et le rendement atteint 40%. Une version destinée à l'automobile (90Kw / 6000 t/mn) est en cours de développement.

           • Des moteurs fluidyne sont produits en Inde et permettent de pomper 2500 litres d'eau à une hauteur de 3 m.

           • Il a des applications biomédicales comme le coeur artificiel.

           • Il sert à la production d'électricité comme moteur de groupes électrogènes dans des endroits peu accessibles avec la chaleur le soleil ou la biomasse pour source de chaleur.

 

ASAP (As Simple As Possible = aussi simple que possible) : 
Selon plans de Daniel LYONNET (voir plus bas)

         On prend une canette de bière (de la bonne, de préférence pour la boire avant d'ouvrir la boîte), puis un ballon d'enfant et du bois, des vis, du fil de fer (de préférence de la corde à piano). Et on fait un moteur Stirling, un vrai de vrai, qui fonctionne parfaitement.

Celui-ci est le bien nommé ASAP : l'acronyme de "aussi simple que possible" en anglais.

         Comment cela fonctionne-t-il ? À l'intérieur de la boîte de bière, j'ai un piston très léger en bois de balsa. Ce piston a la particularité de ne pas assurer l'étanchéité dans ce cylindre. Il y a 1 mm de jeu de chaque côté. Ce piston (le piston déplaceur) ne fait que déplacer l'air à l'intérieur de la canette de bière.

         Lorsque je chauffe sous la boîte de bière, l'air contenu à l'intérieur va se chauffer et se dilater. Or nous sommes en circuit fermé. Donc en se dilatant, il va forcément faire augmenter la pression à l'intérieur du circuit. En conséquence, la pression va se propager dans le tuyau en silicone pour gagner l'autre piston qui est ici, une membrane de ballon d'enfant. C'est le piston moteur. Il va être poussé par cette pression.

Cette poussée va faire tourner le volant en bois par l'intermédiaire du vilebrequin en fil de fer.

         

          Le refroidissement de l'air dans le piston moteur provoque une chute de pression à l'intérieur du circuit. Cette diminution de la pression va avoir comme conséquence de faire rentrer la membrane du ballon d'enfant entraînant le piston et donc en tirant sur le vilebrequin du volant. En tournant, le volant va faire se soulever le piston déplaceur en balsa et permettre à l'air de revenir dans l'espace chauffé.

         Ainsi, nous sommes passés de la masse d'air chaude et d'une montée de la pression à l'intérieur du circuit, à une chute de la température et de la pression. En même temps que nous avons fait 3/4 de tour de moteur. Durant ce court laps de temps, le fond de la boîte de bière continue de chauffer et la bielle soulevant le piston déplaceur va faire en sorte que l'air froid du circuit va de nouveau être aspiré au fond de la boîte et au contact de la paroi se réchauffer et augmenter la pression du circuit. Nous sommes reparti pour un tour... et ainsi de suite.

 

Gamma Ross :                                                                                 
Selon plans de Rudy MÉMIN (voir plus bas)

          La technique se modifie, pour assurer une certaine élégance. Le cylindre du déplaceur avec son piston sont en verre pyrex (des tubes à essai de chimie). L'avantage est de voir le piston déplaceur tout en supportant les chauffes importantes d'une lampe à alcool. Le bâti en duralumin, dans lequel circule l'air pour atteindre le piston moteur inférieur, fait office de refroidisseur.

         Le piston moteur est lui aussi bien visible, car c'est une seringue en pyrex. Seringues difficiles à se procurer, car elles sont maintenant jetables et en matière plastique. La seringue en pyrex a l'avantage de présenter une parfaite étanchéité avec un frottement minimal du piston.

         La distribution particulière (ce triangle que vous apercevez) est un mouvement inventé par Andy Ross. Ce mouvement permet au moteur d'être plus proche du cycle théorique que le classique système bielle-manivelle.

         En fait, son mouvement est très agréable et assure une bonne vitesse approchant les 1700 T/mn. Plus le moteur sera de faible dimension, plus la vitesse tendra vers les 2000 t/mn.

         Les données techniques :

    • volume du déplaceur : 6,9 cc      course : 19,2 mm
    • volume moteur : 3,1 cc      course : 19,2 mm
    • rapport de compression   2,2
    • Pression moyenne   177 gr/cm2 - 17,7 kPa
    • vitesse   1700 t/mn  -  28,3 Hz
    • Température chaude 620° K
    • Température froide 320° K

En mode un peu ralenti, pour mieux percevoir le mouvement.

LTD (Low Temperature Differential) :                                             
Selon plans de Rudy MÉMIN (voir plus bas)

      Comme le moteur précédent, l'avantage est de bien voir le mouvement du piston déplaceur; le cylindre étant un plexiglass de 150 mm de diamètre. Le piston est en mousse de polystyrène, très léger. Il supporte facilement une chaleur de fonctionnement qui est celle du soleil venant chauffer le plateau supérieur en duralumin. Le plateau inférieur étant à l'ombre, il assure la fonction de surface froide.

    Il présente plusieurs particularités :

  • Son piston moteur est en dessous et à l'abri de la poussière.
  • Il tourne avec une différence de température qui peut approcher les 2 à 5°C entre la partie chaude supérieure et la partie froide inférieure.
  • Il tourne dans le sens horaire, en le plaçant sous une source chaude (soleil ou ampoule électrique). Il tourne dans le sens inverse si on pose des glaçons sur la partie supérieure ; car à ce moment, la partie inférieure (à la température ambiante) devient la partie chaude. Le moteur tournera dans ce sens, tant que la glace ne sera pas complètement fondue ... et même un peu après.
  • Grâce à un jeu longitudinal de commande de la tige de la bielle du déplaceur (on l'aperçoit un peu sur le haut de la photo de droite), le déplaceur a une cinétique discontinue proche de la théorie.

     

         

Oscillant :                                                                                          
Selon plans de Rudy MÉMIN (voir plus bas)

          La technique de ce moteur est un système classique de bielle et manivelle. Avec la particularité d'avoir les cylindres déplaceur et moteur, flottants. Ce qui lui confère une cinétique très agréable, mais ne présente aucun avantage mécanique. Pour améliorer la vision de la cinétique, tous les montants et supports sont en plexiglass. La liaison de pression du circuit intéreur, se fait par un tube souple en silicone. Le chauffage s'effectue également sur le cylindre déplaceur par une lampe à alcool.

  • le calage entre moteur et déplaceur est de 90°
  • volume déplaceur   8,7 cm3     volume moteur   3,3 cm3
  • vitesse 1080 T/mn - 18 Hz
  • pression   170 g/cm2 - 17 kPa

  

Fluidyne :                                                                                          
Selon plans de Rudy MÉMIN (voir plus bas)

        Ceci est bien un moteur Stirling, mais sa particularité est que les parties mécaniques sont remplacées par des colonnes d'eau. Le piston moteur est remplacé par une pompe à clapets. Il a été inventé par Coli D.West en 1970. Lorsque la température est suffisante pour assurer le déséquilibre dans les colonnes d'eau, celles-ci prennent un mouvement oscillant et mettent en jeu les deux clapets d'aspiration et de refoulement de l'eau. Les clapets sont ici des billes en acier inoxydable que l'on voit sur la colonne en verre plongeant dans le réservoir et se terminant en haut par un col de cygne (ce sont les deux parties noires qui sont composées de la bille et de son embase en laiton).

        Les modèles industriels de fluidyne pompent 4,5 litres à la minute, à une hauteur de 2,50 m.

       Sur ce modèle réduit on peut dire que le bac inférieur représente la nappe d'eau souterraine et que la lampe à alcool (ici une bouteille d'encre Watermann) remplace le chauffage solaire. L'eau est pompée du bac inférieur vers le réservoir (bac supérieur).

     

SwashPlate:                                                                                     
Selon plans de Rudy MÉMIN (voir plus bas)

        A quelque chose près, le swashPlate est de même technique que le moteur "Gamma Ross". C'est un moteur gamma à ceci de différent que le refroidissement est assuré par des ailettes au niveau du fond du cylindre déplaceur, mais surtout que le cylindre moteur se situe à 90° par rapport à lui.

        Ceci oblige le mécanisme à faire une transformation de mouvement indirect. Pour ce faire, la formule "swashplate" a été retenue (de l'anglais : to swash = pagailler). C'est donc un plateau qui est fixé sur l'axe de rotation, avec un certain angle (ici, 12°,5). Cet axe en tournant va donner au plateau incliné un mouvement de pagaiement qui commandera le piston du déplaceur en va-et-vient. Un tel système équipe les moteurs des torpilles marines, entre autre.

  • volume déplaceur   12,1 cm3
  • volume moteur   7 cm3
  • pression 180 gr/ cm2    18 kP
  • vitesse  830 t/mn - 13,8 Hz

  

Beta :                                                                                                  
D'après plans de Rudy MÉMIN (voir plus bas)

        Le moteur Béta est le moteur le plus puissant des moteurs Stirling avec un très bon rendement. Sa particularité réside dans le fait qu'il ne comporte qu'un seul cylindre. Son mode de chauffage est le butane et son refroidissement est l'eau, de préférence en circuit avec pompe. Ici, pour de courtes démonstrations, il fonctionne en thermosiphon simple.

        Le fait qu'il n'ait qu'un seul cylindre oblige la commande du déplaceur à traverser le cylindre moteur. Sa fabrication est de ce fait un peu plus délicate. De plus, elle nécessite un circuit d'eau assez performant, car la tête du cylindre peut être portée au rouge par le chauffage de la flamme du butane (vous voyez sa tête de cylindre qui est bleuie par la température).

        Ce moteur peut être monté en carter fermé et pressurisé. Car plus la pression est importante dans le cylindre, plus la puissance est élevée.

  • volume déplaceur   18,3 cm3
  • volume moteur   11,3 cm3
  • vitesse 1500 T/mn - 25Hz

 

        Il est prévu que j'en refasse un second avec une séparation thermique du cylindre (joint thermique) pour éviter la propagation de la chaleur dans la partie froide. J'en profiterai pour fermer la partie mécanique par un carter étanche, si possible transparent.

Un thermo-acoustique simple :                                                                                    

      Nous rentrons dans des drôles de moteurs. En fait, il s'agit ici, de mettre en œuvre l'effet thermoacoustique connu des physiciens.
La chaleur se transforme, non pas en énergie mécanique, mais en énergie acoustique. C'est-à-dire un train de pressions (les ondes), dans un gaz donné. Ce phénomène est réversible. D'où l'utilisation dans des montages réfrigérants, et avec la vision "Stirling", dans un montage à effet thermoacoustique moteur.

      Celui-ci est le plus simple proposé. Il ne développe pas des chevaux de puissance, juste mettre le phénomène moteur en évidence.
Plusieurs auteurs en proposent sur le Net. De ces plans affichés avec les dimensions, j'en ai fait un "mâtiné cochon d'Inde".

 

 

Lamina flow :                                                                                    
Selon plans de Rudy MÉMIN (voir plus bas)

C'est le même montage que le précédent, mais avec l'avantage d'être plus compact et d'un bien meilleur rendement. Ce moteur n'est pas un Stirling conventionnel, car il n'a pas de déphasage à 90°. D'ailleurs il a un rendement inférieur. N'ayant pas de déphasage, il tourne dans le sens du lancement initial.
Ce système a été inventé par un américain en 1984 dans le cadre d'une recherche de pompe à chaleur. Sur ce principe, un moteur a été réalisé par un anglais (Bob Sier), et amélioré par un néo-zélandais (Ted Warbrook). ... ils sont fous !!!

      Sur la photo de droite (celle de face), on voit un tube qui passe au milieu du tube d'essai (ici, il fait office de régénérateur avec du fil de cuivre très fin - j'ai préféré le cuivre à la laine de fer, pour une oxydation moins rapide -). C'est par ce tube que se produit l'oscillation thermique.

      Un mise à l'ai libre (visble sur le côté gauche), permet d"équilibrer la position du piston avec la pression ambiante. Pour un bon fonctionnement, il doit partir en étant, environ, à mi-course.

  • volume régénérateur  35 cm3
  • volume moteur   11,9 cm3
  • vitesse 840 T/mn

 

Ringbom:                                                                                          

      EN COURS DE RÉALISATION ... c'est un vrai Stirling, auquel le russe Ringbom (en 1907) a tout simplement soutiré une bielle. Et il fonctionne très bien !

Livres:

        Les livres procurant ces plans :
                          • "Manuel des moteurs Stirling pour le modélisme" de Daniel LYONNET
                          • "Les moteurs Stirling" de Rudy MÉMIN
                          • "Des étranges machines à air chaud" de Rudy MÉMIN

 

Lien: 

      Une vidéo récente du Web sur E=M6