Le moteur de Stirling est un moteur à combustion externe dont le fluide est un gaz soumis à un cycle de Stirling. Il est aussi connu sous le nom de moteur à air chaud.
Principe :
Le fluide qui produit le travail est un gaz qui décrit un cycle à 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore et compression isotherme.
Avantages :
Comme la combustion est externe, on peut utiliser des combustibles les plus divers et optimiser celle-ci.
C'est un moteur silencieux. (pas d'explosions, pas de soupapes, pas de bruits d'échappement).
Rendement élevé pour les réalisations industrielles (voisin de 40 % à comparer aux 35 % des meilleurs moteurs à explosion).
C'est un système reversible. Quand il est entraîné par un moteur auxiliaire il se comporte en pompe à chaleur ou en réfrigérateur.
Inconvénients :
C'est un moteur difficile à commander. Il est difficile de faire varier sa vitesse de rotation car il faut agir sur le taux de compression. Pour modifier le couple il faut utiliser un coupleur externe. Ce moteur est donc très mal adapté pour les systèmes de propulsion.
C'est un moteur difficile à fabriquer. L'étanchéité des pistons est difficile à résoudre à cause des fortes variations de températures. Il faut optimiser la circulation de fluide et les échanges de chaleur.
C'est donc moteur onéreux.
Ce moteur a été utilisé pour la propulsion de quelques sous-marins et navires militaires mais son utilisation se limite actuellement à des liquéfacteurs.
Le moteur de Stirling de type a.
C'est un moteur à deux pistons moteurs séparés : un "piston chaud" (horizontal sur l'animation avec une bielle jaune) et un "piston froid" (vertical avec une bielle verte).
Un volant d'inertie (en gris) couple les bielles reliées aux pistons.
Le piston chaud est entouré par l'échangeur de la source chaude (en rouge). Le piston froid est entouré par le radiateur de la source froide (en bleu).
Etape 1 : Le piston chaud se déplace vers la gauche et le piston froid descend. Le gaz est chauffé par la source chaude et son volume augmente. En même temps le gaz froid remonte poussé par le piston froid : la majorité du gaz est en contact avec la source chaude.
Etape 2 : Comme le piston chaud arrive en bout de course, l'expansion du gaz se fait vers la source froide. La remontée du piston froid (par l'intermédiaire du volant et des bielles continue à pousser le piston chaud vers la droite. Le piston chaud pousse tout le gaz vers la source froide : la température du gaz diminue et il se contracte.
Etape 3 : Le gaz continue à se refroidir dans le cylindre froid et sa pression est minimale. Le piston froid entraîné par le volant commence sa descente et comprime le gaz dont la pression augmente.
Etape 4 : Toujours grace à l'inertie du volant le gaz est chassé vers le cylindre chaud et voit sa température augmenter à nouveau.
Moteur de Stirling didactique.
La source chaude est un tube en pyrex chauffé par un petit réchaud à alcool.
Un second un tube en pyrex, coaxial avec le premier est relié au piston chaud.
Le volant (en altuglass) sert aussi de poulie d'entraînement quand on fait fonctionner le moteur en pompe à chaleur.