Moteur Stirling

Un moteur Stirling est un moteur thermique qui fonctionne grâce à la dilatation et à la contraction cycliques de l'air ou d'un autre gaz (le fluide de travail ) en l'exposant à différentes températures, ce qui entraîne une conversion nette de l'énergie thermique en travail mécanique .

Plus précisément, le moteur Stirling est un moteur thermique régénératif à cycle fermé, avec un fluide de travail gazeux permanent . Dans ce contexte, le terme cycle fermé désigne un système thermodynamique dans lequel le fluide de travail est contenu en permanence dans le système. Le terme régénératif décrit l'utilisation d'un type spécifique d' échangeur de chaleur interne et de stockage thermique, appelé régénérateur . À proprement parler, l'inclusion du régénérateur est ce qui différencie un moteur Stirling des autres moteurs à air chaud à cycle fermé .

Dans le moteur Stirling, un fluide de travail (par exemple de l'air) est chauffé par l'énergie fournie par l'extérieur de l'espace intérieur du moteur (cylindre). Lorsque le fluide se dilate, un travail mécanique est extrait par un piston, qui est couplé à un déplaceur. Le déplaceur déplace le fluide de travail vers un autre emplacement dans le moteur, où il est refroidi, ce qui crée un vide partiel au niveau du cylindre de travail, et davantage de travail mécanique est extrait. Le déplaceur ramène le fluide refroidi vers la partie chaude du moteur, et le cycle continue.

Une caractéristique unique est le régénérateur, qui agit comme un réservoir de chaleur temporaire en retenant la chaleur à l'intérieur de la machine plutôt qu'en la déversant dans le dissipateur thermique, augmentant ainsi son efficacité.

La chaleur est fournie par l'extérieur, de sorte que la zone chaude du moteur peut être réchauffée par n'importe quelle source de chaleur externe. De même, la partie la plus froide du moteur peut être maintenue à l'aide d'un dissipateur thermique externe, tel que de l'eau courante ou un flux d'air. Le gaz est retenu en permanence dans le moteur, ce qui permet d'utiliser un gaz aux propriétés les plus adaptées, comme l'hélium ou l'hydrogène. Il n'y a pas de flux d'admission et d'échappement de gaz, de sorte que la machine est pratiquement silencieuse.

La machine est réversible, de sorte que si l'arbre est tourné par une source d'énergie externe, une différence de température se développera à travers la machine ; de cette façon, elle agit comme une pompe à chaleur .

Le moteur Stirling a été inventé par l'Écossais Robert Stirling moteur principal industriel pour rivaliser avec la machine à vapeur , et son utilisation pratique s'est limitée en grande partie aux applications domestiques de faible puissance pendant plus d'un siècle.

Les investissements contemporains dans les énergies renouvelables , en particulier l’énergie solaire , ont donné lieu à son application dans le domaine de l’énergie solaire concentrée et comme pompe à chaleur.

Robert Stirling est considéré comme l'un des pères des moteurs à air chaud, aux côtés d'innovateurs antérieurs tels que Guillaume Amontons , qui a construit le premier moteur à air chaud fonctionnel en 1699.

Amontons fut plus tard suivi par Sir George Cayley . Ce type de moteur était de ceux dans lesquels le feu est enfermé et alimenté par de l'air pompé sous la grille en quantité suffisante pour maintenir la combustion, tandis que de loin la plus grande partie de l'air entre au-dessus du feu, pour être chauffé et dilaté ; le tout, ainsi que les produits de la combustion, agit ensuite sur le piston et passe à travers le cylindre de travail ; et l'opération étant une simple opération de mélange uniquement, aucune surface chauffante en métal n'est nécessaire, l'air à chauffer étant mis en contact immédiat avec le feu.

Stirling a inventé le premier moteur à air en 1816. Le principe du moteur à air Stirling diffère de celui de Sir George Cayley (1807), dans lequel l'air est forcé à travers le four et évacué, alors que dans le moteur de Stirling, l'air fonctionne en circuit fermé. L'inventeur a consacré la majeure partie de son attention à cela.

Un moteur de 2 chevaux (1,5 kW), construit en 1818 pour pomper l'eau dans une carrière de l'Ayrshire, a continué à fonctionner pendant un certain temps jusqu'à ce qu'un employé négligent laisse le réchauffeur surchauffer. Cette expérience a prouvé à l'inventeur qu'en raison de la faible pression de travail obtenue, le moteur ne pouvait être adapté qu'à une faible puissance pour laquelle il n'y avait, à l'époque, aucune demande.

Le brevet Stirling 1816 concernait également un « économiseur », qui est le prédécesseur du régénérateur. Dans ce brevet (n° 4081), il décrit la technologie de l'« économiseur » et plusieurs applications où cette technologie peut être utilisée. Il en est résulté un nouvel agencement pour un moteur à air chaud.

Avec son frère James, Stirling a breveté un deuxième moteur à air chaud en 1827. Ils ont inversé la conception de sorte que les extrémités chaudes des déplaceurs se trouvent sous la machinerie, et ils ont ajouté une pompe à air comprimé pour que l'air à l'intérieur puisse être augmenté en pression jusqu'à environ 20 atmosphères standard (2 000 kPa).

Les frères Stirling furent suivis peu après (1828) par Parkinson & Crossley et Arnott en 1829.

Ces précurseurs, dont Ericsson, ont apporté au monde la technologie du moteur à air chaud et ses énormes avantages par rapport au moteur à vapeur. Chacun est venu avec sa propre technologie spécifique, et bien que le moteur Stirling et les moteurs Parkinson & Crossley soient assez similaires, Robert Stirling s'est distingué en inventant le régénérateur.

Parkinson et Crossley ont introduit le principe d'utiliser de l'air d'une densité supérieure à celle de l'atmosphère et ont ainsi obtenu un moteur de plus grande puissance dans la même boussole. James Stirling a suivi cette même idée lorsqu'il a construit le célèbre moteur Dundee.

Le brevet Stirling de 1827 a servi de base au troisième brevet Stirling de 1840. Les modifications par rapport au brevet de 1827 étaient mineures mais essentielles, et ce troisième brevet a conduit au moteur Dundee.

James Stirling présenta son moteur à l'Institution of Civil Engineers en 1845, le premier moteur de ce type qui, après diverses modifications, fut efficacement construit et chauffé, avait un cylindre de 30 centimètres (12 pouces) de diamètre, avec une longueur de course de 60 centimètres (2 pieds), et faisait 40 coups ou révolutions par minute (40 tr/min). Ce moteur déplaçait toutes les machines des usines de la Dundee Foundry Company pendant huit ou dix mois, et était auparavant capable de soulever 320 000 kg (700 000 livres) à 60 cm (2 pieds) en une minute, une puissance d'environ 16 kilowatts (21 chevaux-vapeur). Trouvant cette puissance insuffisante pour leurs travaux, la Dundee Foundry Company érigea le deuxième moteur avec un cylindre de 40 centimètres (16 pouces) de diamètre, une course de 1,2 mètre (4 pieds) et faisant 28 coups par minute. Lorsque ce moteur a fonctionné en continu pendant plus de deux ans, il a non seulement effectué le travail de fonderie de la manière la plus satisfaisante, mais a également été testé (par un frein à friction sur un troisième moteur) au point de soulever près de 687 tonnes (1 500 000 livres ), soit environ 34 kilowatts (45 chevaux).

Le moteur Stirling (ou moteur à air de Stirling comme on l'appelait à l'époque) a été inventé et breveté en 1816. Il faisait suite à des tentatives antérieures de fabrication d'un moteur à air , mais fut probablement le premier à être mis en pratique lorsqu'en 1818, un moteur construit par Stirling fut utilisé pour pomper de l'eau dans une carrière . Le sujet principal du brevet original de Stirling était un échangeur de chaleur, qu'il appelait un « économiseur » pour son amélioration de l'économie de carburant dans une variété d'applications. Le brevet décrivait également en détail l'utilisation d'une forme de l'économiseur dans sa conception unique de moteur à air à cycle fermé dans laquelle il est maintenant généralement connu sous le nom de « régénérateur ». Le développement ultérieur de Robert Stirling et de son frère James , un ingénieur, a abouti à des brevets pour diverses configurations améliorées du moteur d'origine, y compris la pressurisation, qui en 1843, avait suffisamment augmenté la puissance de sortie pour entraîner toutes les machines d'une fonderie de fer de Dundee .

Dans un article présenté en juin 1845 à l' Institution of Civil Engineers, James Stirling affirmait que ses objectifs n'étaient pas seulement d'économiser du carburant, mais aussi de créer une alternative plus sûre aux machines à vapeur de l'époque, dont les chaudières explosaient fréquemment, causant de nombreuses blessures et décès. Cette affirmation a cependant été contestée.

La nécessité pour les moteurs Stirling de fonctionner à des températures très élevées pour maximiser la puissance et l'efficacité a mis en évidence les limites des matériaux de l'époque, et les quelques moteurs construits au cours de ces premières années ont connu des pannes d'une fréquence inacceptable (bien que les conséquences soient bien moins désastreuses que les explosions de chaudières). Par exemple, le moteur de la fonderie de Dundee a été remplacé par une machine à vapeur après trois pannes de cylindres chauds en quatre ans.

Après le remplacement du moteur de fonderie de Dundee, il n'existe aucune trace d'implication ultérieure des frères Stirling dans le développement des moteurs à air comprimé, et le moteur Stirling n'a plus jamais concurrencé la vapeur comme source d'énergie à l'échelle industrielle. (Les chaudières à vapeur devenaient plus sûres, par exemple la chaudière à vapeur Hartford et les moteurs à vapeur plus efficaces, ce qui représentait moins une cible pour les moteurs principaux concurrents). Cependant, à partir de 1860 environ, des moteurs plus petits du type Stirling/air chaud ont été produits en nombre substantiel pour des applications dans lesquelles des sources fiables de faible à moyenne puissance étaient nécessaires, comme le pompage d'air pour les orgues d'église ou le levage d'eau. Ces moteurs plus petits fonctionnaient généralement à des températures plus basses afin de ne pas taxer les matériaux disponibles, et étaient donc relativement inefficaces. Leur argument de vente était que, contrairement aux moteurs à vapeur, ils pouvaient être utilisés en toute sécurité par toute personne capable de gérer un incendie. Le catalogue Rider-Ericsson Engine Co. de 1906 affirmait que « tout jardinier ou domestique ordinaire peut faire fonctionner ces moteurs et aucun ingénieur agréé ou expérimenté n'est requis ». Plusieurs types sont restés en production au-delà de la fin du siècle, mais à part quelques améliorations mécaniques mineures, la conception du moteur Stirling en général a stagné pendant cette période.

Au début du XXe siècle, le rôle du moteur Stirling en tant que « moteur domestique » a été progressivement remplacé par des moteurs électriques et de petits moteurs à combustion interne . À la fin des années 1930, il était largement oublié, produit uniquement pour les jouets et quelques petits ventilateurs.

À cette époque, Philips cherchait à étendre les ventes de ses radios dans des régions du monde où l'électricité et les batteries n'étaient pas toujours disponibles. La direction de Philips a décidé que l'offre d'un générateur portable à faible puissance faciliterait ces ventes et a demandé à un groupe d'ingénieurs du laboratoire de recherche de l'entreprise à Eindhoven d'évaluer d'autres moyens d'atteindre cet objectif. Après une comparaison systématique de divers moteurs principaux , l'équipe a décidé d'aller de l'avant avec le moteur Stirling, citant son fonctionnement silencieux (à la fois audible et en termes d'interférences radio) et sa capacité à fonctionner avec une variété de sources de chaleur (l'huile de lampe courante - « bon marché et disponible partout » - était privilégiée). Ils étaient également conscients que, contrairement aux moteurs à vapeur et à combustion interne, pratiquement aucun travail de développement sérieux n'avait été effectué sur le moteur Stirling depuis de nombreuses années et ont affirmé que les matériaux et le savoir-faire modernes devraient permettre de grandes améliorations.

En 1951, le groupe électrogène de 180/200 W désigné MP1002CA (connu sous le nom de « groupe Bungalow ») était prêt pour la production et un premier lot de 250 était prévu, mais il devint bientôt évident qu'ils ne pourraient pas être fabriqués à un prix compétitif. De plus, l'avènement des radios à transistors et leurs besoins en énergie beaucoup plus faibles signifiaient que la raison d'être initiale de ce groupe disparaissait. Environ 150 de ces groupes furent finalement produits. Certains ont trouvé leur chemin dans les départements d'ingénierie des universités et des collèges du monde entier, offrant à des générations d'étudiants une précieuse introduction au moteur Stirling ; une lettre datée de mars 1961 de Research and Control Instruments Ltd. London WC1 au North Devon Technical College, offrant « les stocks restants... à des institutions comme la vôtre... à un prix spécial de 75 £ net ».

Parallèlement à l'ensemble Bungalow, Philips a développé des moteurs Stirling expérimentaux pour une grande variété d'applications et a continué à travailler dans ce domaine jusqu'à la fin des années 1970, mais n'a obtenu de succès commercial qu'avec le cryoréfrigérateur « moteur Stirling inversé » . Ils ont déposé un grand nombre de brevets et accumulé une richesse d'informations qu'ils ont concédées sous licence à d'autres entreprises et qui ont constitué la base d'une grande partie du travail de développement de l'ère moderne.

En 1996, la marine suédoise a mis en service trois sous-marins de classe Gotland . En surface, ces bateaux sont propulsés par des moteurs diesel marins ; cependant, lorsqu'ils sont immergés, ils utilisent un générateur à entraînement Stirling développé par le constructeur naval suédois Kockums pour recharger les batteries et fournir l'énergie électrique nécessaire à la propulsion. Une réserve d'oxygène liquide est transportée pour soutenir la combustion du carburant diesel pour alimenter le moteur. Les moteurs Stirling sont également installés sur les sous-marins suédois de classe Södermanland , les sous-marins de classe Archer en service à Singapour et les sous-marins japonais de classe Sōryū , les moteurs étant construits sous licence par Kawasaki Heavy Industries . Dans une application sous-marine, le moteur Stirling offre l'avantage d'être exceptionnellement silencieux lorsqu'il fonctionne.

Au tournant du 21e siècle, les moteurs Stirling étaient utilisés dans la version parabolique des systèmes d'énergie solaire concentrée . Une parabole en miroir semblable à une très grande parabole satellite dirige et concentre la lumière du soleil sur un récepteur thermique, qui absorbe et collecte la chaleur et, à l'aide d'un fluide, la transfère dans le moteur Stirling. La puissance mécanique qui en résulte est ensuite utilisée pour faire fonctionner un générateur ou un alternateur afin de produire de l'électricité.

Le composant principal des micro-unités de cogénération peut être constitué par un moteur à cycle Stirling, car il est plus efficace et plus sûr qu'un moteur à vapeur comparable. En 2003, les unités de cogénération étaient installées commercialement dans des applications domestiques, telles que des générateurs électriques domestiques.

En 2013, un article a été publié sur les lois d'échelle des moteurs Stirling à piston libre basées sur six groupes sans dimension caractéristiques .

Robert Stirling a breveté le premier exemple pratique d'un moteur à air chaud à cycle fermé en 1816, et Fleeming Jenkin a suggéré dès 1884 que tous ces moteurs devraient donc être appelés génériquement moteurs Stirling. Cette proposition de nom n'a pas été accueillie favorablement, et les différents types sur le marché ont continué à être connus sous le nom de leurs concepteurs ou fabricants individuels, par exemple, le moteur à air (chaud) de Rider, de Robinson ou de Heinrici. Dans les années 1940, la société Philips cherchait un nom approprié pour sa propre version du « moteur à air », qui à cette époque avait été testé avec des fluides de travail autres que l'air, et a choisi le « moteur Stirling » en avril 1945. Cependant, près de trente ans plus tard, Graham Walker avait encore des raisons de déplorer le fait que des termes tels que moteur à air chaud restaient interchangeables avec moteur Stirling , qui était lui-même appliqué largement et sans discrimination, une situation qui perdure.

Comme la machine à vapeur, le moteur Stirling est traditionnellement classé comme un moteur à combustion externe , car tous les transferts de chaleur vers et depuis le fluide de travail se font à travers une limite solide (échangeur de chaleur), isolant ainsi le processus de combustion et tous les contaminants qu'il peut produire des pièces de travail du moteur. Cela contraste avec un moteur à combustion interne , où l'apport de chaleur se fait par la combustion d'un carburant dans le corps du fluide de travail. La plupart des nombreuses implémentations possibles du moteur Stirling entrent dans la catégorie des moteurs à pistons alternatifs .

Le cycle de Stirling idéalisé se compose de quatre processus thermodynamiques agissant sur le fluide de travail :

1. Détente isotherme . L'espace de détente et l'échangeur de chaleur associé sont maintenus à une température élevée constante et le gaz subit une détente quasi isotherme en absorbant la chaleur de la source chaude.
2. Élimination de la chaleur à volume constant (appelée isovolumétrique ou isochore ). Le gaz passe par le régénérateur , où il se refroidit, transférant la chaleur au régénérateur pour l'utiliser dans le cycle suivant.
3. Compression isotherme . L'espace de compression et l'échangeur de chaleur associé sont maintenus à une température basse constante, de sorte que le gaz subit une compression quasi isotherme, rejetant la chaleur vers le dissipateur froid.
4. Ajout de chaleur à volume constant (appelé isovolumétrique ou isochore ). Le gaz repasse par le régénérateur où il récupère une grande partie de la chaleur transférée au cours du processus 2, se réchauffant sur son chemin vers l'espace d'expansion.

Avec le moteur Stirling idéal, à rendement maximal, pour les réservoirs thermiques, le rapport entre la chaleur entrante et la chaleur sortante est l'efficacité du cycle de Carnot idéal. Il s'agit de l'efficacité de Carnot, qui est le rapport des températures Kelvin du réservoir froid et du réservoir chaud. Avec le cycle de Carnot idéal, à rendement maximal, les isochores (volume constant) sont remplacés par des adiabatiques (pas de transfert de chaleur net car pas de transfert de chaleur). Pour le cycle de Stirling idéal, toute la chaleur entrant pendant la phase isochore où la température augmente est totalement libérée pendant la phase isochore où la température diminue (pas de transfert de chaleur net).

Le moteur est conçu de telle sorte que le gaz de travail soit généralement comprimé dans la partie la plus froide du moteur et détendu dans la partie la plus chaude, ce qui entraîne une conversion nette de chaleur en travail . échangeur de chaleur régénératif interne augmente l'efficacité thermique du moteur Stirling par rapport aux moteurs à air chaud plus simples dépourvus de cette fonctionnalité.

Le moteur Stirling utilise la différence de température entre son extrémité chaude et son extrémité froide pour établir un cycle d'une masse fixe de gaz, chauffée et dilatée, refroidie et comprimée, convertissant ainsi l'énergie thermique en énergie mécanique. Plus la différence de température entre les sources chaude et froide est grande, plus le rendement thermique est élevé. Le rendement théorique maximal est équivalent à celui du cycle de Carnot , mais le rendement des moteurs réels est inférieur à cette valeur en raison des frottements et d'autres pertes.

Le moteur Stirling étant un cycle fermé, il contient une masse fixe de gaz appelée « fluide de travail », le plus souvent de l'air , de l'hydrogène ou de l'hélium . En fonctionnement normal, le moteur est scellé et aucun gaz n'entre ou ne sort ; aucune soupape n'est nécessaire, contrairement à d'autres types de moteurs à piston. Le moteur Stirling, comme la plupart des moteurs thermiques, passe par quatre processus principaux : le refroidissement, la compression, le chauffage et la détente. Cela est accompli en déplaçant le gaz d'avant en arrière entre des échangeurs de chaleur chauds et froids , souvent avec un régénérateur entre le réchauffeur et le refroidisseur. L'échangeur de chaleur chaud est en contact thermique avec une source de chaleur externe, comme un brûleur à combustible, et l'échangeur de chaleur froid est en contact thermique avec un dissipateur de chaleur externe, comme des ailettes d'air. Un changement de température du gaz entraîne un changement correspondant de la pression du gaz, tandis que le mouvement du piston fait alterner le gaz entre se dilater et se comprimer.

Le gaz suit le comportement décrit par les lois des gaz qui décrivent la relation entre la pression , la température et le volume d'un gaz . Lorsque le gaz est chauffé, la pression augmente (car il se trouve dans une chambre étanche) et cette pression agit ensuite sur le piston de puissance pour produire une course de puissance. Lorsque le gaz est refroidi, la pression chute et cette chute signifie que le piston doit faire moins de travail pour comprimer le gaz lors de la course de retour. La différence de travail entre les courses produit une puissance nette positive.

Lorsque l'un des côtés du piston est ouvert à l'atmosphère, le fonctionnement est légèrement différent. Lorsque le volume scellé de gaz de travail entre en contact avec le côté chaud, il se dilate, exerçant un travail à la fois sur le piston et sur l'atmosphère. Lorsque le gaz de travail entre en contact avec le côté froid, sa pression chute en dessous de la pression atmosphérique et l'atmosphère pousse sur le piston et exerce un travail sur le gaz.

En raison du fonctionnement en cycle fermé, la chaleur qui entraîne un moteur Stirling doit être transmise d'une source de chaleur au fluide de travail par des échangeurs de chaleur et enfin à un dissipateur de chaleur . Un système de moteur Stirling comporte au moins une source de chaleur, un dissipateur de chaleur et jusqu'à cinq échangeurs de chaleur. Certains types peuvent combiner ou se passer de certains de ces éléments.

La source de chaleur peut être fournie par la combustion d'un carburant et, comme les produits de combustion ne se mélangent pas au fluide de travail et n'entrent donc pas en contact avec les pièces internes du moteur, un moteur Stirling peut fonctionner avec des carburants qui endommageraient les pièces internes d'autres types de moteurs, comme le gaz d'enfouissement , qui peut contenir du siloxane susceptible de déposer du dioxyde de silicium abrasif dans les moteurs conventionnels.

D'autres sources de chaleur appropriées comprennent l'énergie solaire concentrée , l'énergie géothermique , l'énergie nucléaire , la chaleur résiduelle et la bioénergie . Si l'énergie solaire est utilisée comme source de chaleur, des miroirs solaires ordinaires et des paraboles solaires peuvent être utilisés. L'utilisation de lentilles et de miroirs de Fresnel a également été préconisée, par exemple dans l'exploration de la surface planétaire. Les moteurs Stirling alimentés par l'énergie solaire sont de plus en plus populaires car ils offrent une option écologique pour produire de l'énergie tandis que certains modèles sont économiquement intéressants dans les projets de développement.

La conception des échangeurs de chaleur des moteurs Stirling est un équilibre entre un transfert de chaleur élevé avec de faibles pertes par pompage visqueux et un faible espace mort (volume interne non balayé). Les moteurs qui fonctionnent à des puissances et des pressions élevées nécessitent que les échangeurs de chaleur du côté chaud soient constitués d'alliages qui conservent une résistance considérable à des températures élevées et qui ne se corrodent pas et ne fluent pas .

Dans les petits moteurs de faible puissance, les échangeurs de chaleur peuvent être simplement constitués des parois des chambres chaudes et froides respectives, mais lorsque des puissances plus importantes sont requises, une plus grande surface est nécessaire pour transférer suffisamment de chaleur. Les implémentations typiques sont des ailettes internes et externes ou plusieurs tubes de petit diamètre pour le côté chaud, et un refroidisseur utilisant un liquide (comme de l'eau) pour le côté froid.

Dans un moteur Stirling, le régénérateur est un échangeur de chaleur interne et un réservoir de chaleur temporaire placé entre les espaces chaud et froid de telle sorte que le fluide de travail le traverse d'abord dans un sens puis dans l'autre, prenant la chaleur du fluide dans un sens et la restituant dans l'autre. Il peut être aussi simple qu'un treillis métallique ou de la mousse, et bénéficie d'une grande surface, d'une capacité thermique élevée, d'une faible conductivité et d'un faible frottement d'écoulement. Sa fonction est de conserver dans le système la chaleur qui serait autrement échangée avec l'environnement à des températures intermédiaires entre les températures maximales et minimales du cycle, permettant ainsi à l'efficacité thermique du cycle (mais pas de n'importe quel moteur pratique ) d'approcher l' efficacité limite de Carnot .

L'effet principal de la régénération dans un moteur Stirling est d'augmenter l'efficacité thermique en « recyclant » la chaleur interne qui, autrement, traverserait le moteur de manière irréversible . En tant qu'effet secondaire, l'augmentation de l'efficacité thermique produit une puissance de sortie plus élevée à partir d'un ensemble donné d'échangeurs de chaleur à extrémité chaude et à extrémité froide. Ceux-ci limitent généralement le débit de chaleur du moteur. Dans la pratique, cette puissance supplémentaire peut ne pas être pleinement exploitée car l'« espace mort » supplémentaire (volume non balayé) et la perte de pompage inhérents aux régénérateurs pratiques réduisent les gains d'efficacité potentiels de la régénération.

Le défi de conception d'un régénérateur de moteur Stirling est de fournir une capacité de transfert de chaleur suffisante sans introduire trop de volume interne supplémentaire (« espace mort ») ou de résistance à l'écoulement. Ces conflits de conception inhérents sont l'un des nombreux facteurs qui limitent l'efficacité des moteurs Stirling pratiques. Une conception typique est un empilement de mailles métalliques fines , à faible porosité pour réduire l'espace mort, et avec les axes des fils perpendiculaires au flux de gaz pour réduire la conduction dans cette direction et maximiser le transfert de chaleur par convection.

Le régénérateur est le composant clé inventé par Robert Stirling , et sa présence distingue un véritable moteur Stirling de tout autre moteur à air chaud à cycle fermé . De nombreux petits moteurs Stirling « jouets », en particulier les types à faible différence de température (LTD), n'ont pas de composant régénérateur distinct et peuvent être considérés comme des moteurs à air chaud ; cependant, une petite quantité de régénération est fournie par la surface du déplaceur lui-même et la paroi du cylindre à proximité, ou de manière similaire le passage reliant les cylindres chaud et froid d'un moteur à configuration alpha.

Plus la différence de température entre les sections chaudes et froides d'un moteur Stirling est importante, plus le rendement du moteur est élevé. Le dissipateur thermique est généralement l'environnement dans lequel le moteur fonctionne, à température ambiante. Dans le cas des moteurs de moyenne à haute puissance, un radiateur est nécessaire pour transférer la chaleur du moteur à l'air ambiant. Les moteurs marins ont l'avantage d'utiliser l'eau de mer, de lac ou de rivière ambiante, qui est généralement plus froide que l'air ambiant. Dans le cas des systèmes de cogénération, l'eau de refroidissement du moteur est utilisée directement ou indirectement à des fins de chauffage, ce qui augmente l'efficacité.

Alternativement, la chaleur peut être fournie à température ambiante et le dissipateur thermique maintenu à une température plus basse par des moyens tels qu'un fluide cryogénique (voir Économie de l'azote liquide ) ou de l'eau glacée.

Le piston plongeur est un piston à usage spécifique , utilisé dans les moteurs Stirling de type Beta et Gamma, pour déplacer le gaz de travail d'avant en arrière entre les échangeurs de chaleur chauds et froids. Selon le type de conception du moteur, le piston plongeur peut ou non être scellé au cylindre ; c'est-à-dire qu'il peut être ajusté de manière lâche dans le cylindre, permettant au gaz de travail de passer autour de lui pendant qu'il se déplace pour occuper la partie du cylindre au-delà. Le moteur de type Alpha a une contrainte élevée du côté chaud, c'est pourquoi si peu d'inventeurs ont commencé à utiliser un piston hybride pour ce côté. Le piston hybride a une partie scellée comme un moteur de type Alpha normal, mais il a une partie plongeur connectée avec un diamètre plus petit que le cylindre autour de celui-ci. Le taux de compression est un peu plus petit que dans les moteurs de type Alpha d'origine, mais le facteur de contrainte est assez faible sur les pièces scellées.

Les trois principaux types de moteurs Stirling se distinguent par la manière dont ils déplacent l'air entre les zones chaudes et froides :

1. La configuration alpha comporte deux pistons de puissance, un dans un cylindre chaud, un dans un cylindre froid, et le gaz est entraîné entre les deux par les pistons ; il s'agit généralement d'une formation en V avec les pistons joints au même point sur un vilebrequin.
2. La configuration bêta comporte un seul cylindre avec une extrémité chaude et une extrémité froide, contenant un piston de puissance et un « déplaceur » qui entraîne le gaz entre les extrémités chaude et froide. Elle est généralement utilisée avec un entraînement rhombique pour obtenir la différence de phase entre le déplaceur et les pistons de puissance, mais ils peuvent être joints à 90 degrés de déphasage sur un vilebrequin.
3. La configuration gamma comporte deux cylindres : l'un contenant un déplaceur, avec une extrémité chaude et une extrémité froide, et l'autre pour le piston de puissance ; ils sont joints pour former un seul espace, de sorte que les cylindres ont une pression égale ; les pistons sont généralement en parallèle et joints à 90 degrés de déphasage sur un vilebrequin.

Un moteur Stirling alpha contient deux pistons de puissance dans des cylindres séparés, l'un chaud et l'autre froid. Le cylindre chaud est situé à l'intérieur de l' échangeur de chaleur à haute température et le cylindre froid est situé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur à basse température. Ce type de moteur a un rapport puissance/volume élevé mais présente des problèmes techniques en raison de la température généralement élevée du piston chaud et de la durabilité de ses joints. En pratique, ce piston porte généralement une grande tête isolante pour éloigner les joints de la zone chaude au détriment d'un espace mort supplémentaire. L'angle du vilebrequin a un effet majeur sur l'efficacité et le meilleur angle doit souvent être trouvé expérimentalement. Un angle de 90° se bloque fréquemment.

Voici une description en quatre étapes du processus :

1. La majeure partie du gaz de travail se trouve dans le cylindre chaud et est davantage en contact avec les parois du cylindre chaud. Cela entraîne un réchauffement global du gaz. Sa pression augmente et le gaz se dilate. Comme le cylindre chaud est à son volume maximal et que le cylindre froid est à mi-course (volume partiel), le volume du système est augmenté par expansion dans le cylindre froid.
2. Le système est à son volume maximum et davantage de gaz entre en contact avec le cylindre froid. Cela refroidit le gaz, ce qui abaisse sa pression. En raison de l'impulsion du volant d'inertie ou d'autres paires de pistons sur le même arbre, le cylindre chaud commence une course ascendante réduisant le volume du système.
3. Presque tout le gaz se trouve maintenant dans le cylindre froid et le refroidissement continue. Cela continue à réduire la pression du gaz et à provoquer une contraction. Comme le cylindre chaud est à son volume minimum et le cylindre froid à son volume maximum, le volume du système est encore réduit par la compression du cylindre froid vers l'intérieur.
4. Le système est à son volume minimum et le gaz a un contact plus important avec le cylindre chaud. Le volume du système augmente par dilatation du cylindre chaud.

Un Stirling bêta possède un piston de puissance unique disposé dans le même cylindre sur le même arbre qu'un piston de déplacement. Le piston de déplacement est un ajustement lâche et n'extrait aucune puissance du gaz en expansion mais sert uniquement à transporter le gaz de travail entre les échangeurs de chaleur chauds et froids. Lorsque le gaz de travail est poussé vers l'extrémité chaude du cylindre, il se dilate et pousse le piston de puissance. Lorsqu'il est poussé vers l'extrémité froide du cylindre, il se contracte et l'élan de la machine, généralement renforcé par un volant d'inertie , pousse le piston de puissance dans l'autre sens pour comprimer le gaz. Contrairement au type alpha, le type bêta évite les problèmes techniques des joints chauds en mouvement, car le piston de puissance n'est pas en contact avec le gaz chaud.

1. Le piston de puissance (gris foncé) a comprimé le gaz, le piston déplaceur (gris clair) s'est déplacé de sorte que la majeure partie du gaz soit adjacente à l'échangeur de chaleur chaud.
2. Le gaz chauffé augmente en pression et pousse le piston de puissance jusqu'à la limite la plus éloignée de la course de puissance.
3. Le piston déplaceur se déplace alors, dérivant le gaz vers l'extrémité froide du cylindre.
4. Le gaz refroidi est alors comprimé par l'impulsion du volant d'inertie. Cela nécessite moins d'énergie, car sa pression chute lorsqu'il est refroidi.

D'autres configurations de Stirling continuent d'intéresser les ingénieurs et les inventeurs.

• Le moteur rotatif Stirling cherche à convertir la puissance du cycle Stirling directement en couple, de manière similaire au moteur à combustion rotatif . Aucun moteur pratique n'a encore été construit, mais un certain nombre de concepts, de modèles et de brevets ont été produits, comme le moteur Quasiturbine .
• Un moteur à double effet est un hybride entre la configuration à piston et la configuration rotative. Cette conception fait tourner les déplaceurs de chaque côté du piston de puissance. En plus d'offrir une grande variabilité de conception dans la zone de transfert de chaleur, cette disposition élimine tous les joints externes sauf un sur l'arbre de sortie et un joint interne sur le piston. De plus, les deux côtés peuvent être fortement pressurisés car ils s'équilibrent l'un par rapport à l'autre.
• Une autre alternative est le moteur Fluidyne (ou pompe à chaleur Fluidyne), qui utilise des pistons hydrauliques pour mettre en œuvre le cycle Stirling . Le travail produit par un moteur Fluidyne sert à pomper le liquide. Dans sa forme la plus simple, le moteur contient un gaz de travail, un liquide et deux clapets anti-retour.
• Le concept du moteur Ringbom publié en 1907 ne comporte aucun mécanisme rotatif ni liaison pour le piston. Celui-ci est plutôt entraîné par un petit piston auxiliaire, généralement une tige de piston épaisse, dont le mouvement est limité par des butées.
• L'ingénieur Andy Ross a inventé un moteur Stirling à deux cylindres (positionné à 0° et non à 90°) reliés à l'aide d'un joug spécial.
• Le moteur Franchot est un moteur à double effet inventé par Charles-Louis-Félix Franchot au XIXe siècle. Dans un moteur à double effet, la pression du fluide de travail agit des deux côtés du piston. L'une des formes les plus simples d'une machine à double effet, le moteur Franchot se compose de deux pistons et de deux cylindres, et agit comme deux machines alpha distinctes. Dans le moteur Franchot, chaque piston agit dans deux phases gazeuses, ce qui permet une utilisation plus efficace des composants mécaniques qu'une machine alpha à simple effet. Cependant, un inconvénient de cette machine est qu'une bielle doit avoir un joint coulissant du côté chaud du moteur, ce qui est difficile à gérer lorsque les pressions et les températures sont élevées.

Les moteurs Stirling à piston libre comprennent ceux à pistons liquides et ceux à diaphragmes comme pistons. Dans un dispositif à piston libre, l'énergie peut être ajoutée ou retirée par un alternateur linéaire électrique , une pompe ou un autre dispositif coaxial. Cela évite le recours à une liaison et réduit le nombre de pièces mobiles. Dans certaines conceptions, la friction et l'usure sont presque éliminées par l'utilisation de paliers à gaz sans contact ou d'une suspension très précise par des ressorts plans .

Les quatre étapes de base du cycle d'un moteur Stirling à piston libre sont les suivantes :

1. Le piston de puissance est poussé vers l'extérieur par le gaz en expansion, ce qui lui permet d'effectuer un travail. La gravité ne joue aucun rôle dans le cycle.
2. Le volume de gaz dans le moteur augmente et donc la pression diminue, ce qui provoque une différence de pression au niveau de la tige du piston qui force le piston vers l'extrémité chaude. Lorsque le piston se déplace, le piston est presque immobile et donc le volume de gaz est presque constant. Cette étape entraîne le processus de refroidissement à volume constant, ce qui réduit la pression du gaz.
3. La pression réduite arrête alors le mouvement vers l'extérieur du piston et il commence à accélérer à nouveau vers l'extrémité chaude et, par sa propre inertie, comprime le gaz désormais froid, qui se trouve principalement dans l'espace froid.
4. Lorsque la pression augmente, un point est atteint où la différence de pression à travers la tige de déplacement devient suffisamment importante pour commencer à pousser la tige de déplacement (et donc aussi le déplacement) vers le piston, provoquant ainsi l'effondrement de l'espace froid et le transfert du gaz comprimé froid vers le côté chaud dans un processus à volume presque constant. Lorsque le gaz arrive du côté chaud, la pression augmente et commence à déplacer le piston vers l'extérieur pour initier l'étape d'expansion comme expliqué dans (1).

Au début des années 1960, William T. Beale de l'Université de l'Ohio située à Athens, dans l'Ohio, a inventé une version à piston libre du moteur Stirling pour surmonter la difficulté de lubrification du mécanisme à manivelle. Bien que l'invention du moteur Stirling à piston libre de base soit généralement attribuée à Beale, des inventions indépendantes de types similaires de moteurs ont été réalisées par EH Cooke-Yarborough et C. West aux laboratoires Harwell de l' AERE au Royaume-Uni . GM Benson a également apporté d'importantes contributions précoces et breveté de nombreuses configurations de piston libre innovantes.

La première mention connue d'une machine à cycle Stirling utilisant des composants en mouvement libre est une divulgation de brevet britannique en 1876. Cette machine était envisagée comme un réfrigérateur (c'est-à-dire le cycle Stirling inversé ). Le premier produit de consommation à utiliser un dispositif Stirling à piston libre était un réfrigérateur portable fabriqué par Twinbird Corporation du Japon et proposé aux États-Unis par Coleman en 2004.

La conception du moteur Stirling plat à double effet résout le problème de l'entraînement d'un piston à déplacement grâce au fait que les zones des pistons chauds et froids du piston à déplacement sont différentes.

L'entraînement se fait sans aucune transmission mécanique. L'utilisation de diaphragmes élimine les frottements et le besoin de lubrifiants.

Lorsque le déplaceur est en mouvement, le générateur maintient le piston de travail dans la position limite, ce qui rapproche le cycle de travail du moteur d'un cycle Stirling idéal. Le rapport entre la surface des échangeurs de chaleur et le volume de la machine augmente grâce à la mise en œuvre d'une conception plate.

La conception plate du cylindre de travail rapproche le processus thermique de la dilatation et de la compression de celui isotherme.

L'inconvénient est la grande surface d'isolation thermique entre l'espace chaud et l'espace froid.

Les dispositifs thermoacoustiques sont très différents des dispositifs Stirling, bien que le chemin individuel parcouru par chaque molécule de gaz en fonctionnement suive un véritable cycle de Stirling . Ces dispositifs comprennent le moteur thermoacoustique et le réfrigérateur thermoacoustique . Les ondes stationnaires acoustiques de grande amplitude provoquent une compression et une expansion analogues à celles d'un piston Stirling, tandis que les ondes acoustiques progressives déphasées provoquent un déplacement le long d'un gradient de température , analogue à celui d'un piston déplaceur Stirling. Ainsi, un dispositif thermoacoustique n'a généralement pas de déplaceur, comme on en trouve dans un Stirling bêta ou gamma.

La NASA a envisagé d'utiliser des moteurs Stirling chauffés par désintégration nucléaire pour des missions prolongées dans le système solaire externe. En 2018, la NASA et le ministère de l'Énergie des États-Unis ont annoncé avoir testé avec succès un nouveau type de réacteur nucléaire appelé KRUSTY , qui signifie « Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY », et qui est conçu pour pouvoir alimenter des véhicules et des sondes dans l'espace lointain ainsi que des campements exoplanétaires.

Lors de l'exposition Cable-Tec 2012 organisée par la Society of Cable Telecommunications Engineers, Dean Kamen est monté sur scène avec Mike LaJoie, directeur technique de Time Warner Cable, pour annoncer une nouvelle initiative entre sa société Deka Research et la SCTE. Kamen l'appelle un moteur Stirling.

Des moteurs de très faible puissance ont été construits qui fonctionnent avec une différence de température aussi faible que 0,5 K. Un moteur Stirling de type à piston plongeur possède un piston et un piston plongeur. Une différence de température est nécessaire entre le haut et le bas du grand cylindre pour faire fonctionner le moteur. Dans le cas du moteur Stirling à faible différence de température (LTD), la différence de température entre la main et l'air ambiant peut être suffisante pour faire fonctionner le moteur. Le piston de puissance du moteur Stirling de type à piston plongeur est hermétiquement scellé et est contrôlé pour se déplacer de haut en bas lorsque le gaz à l'intérieur se dilate. Le piston plongeur, en revanche, est très lâchement ajusté de sorte que l'air peut se déplacer librement entre les sections chaudes et froides du moteur lorsque le piston monte et descend. Le piston plongeur se déplace de haut en bas pour provoquer le chauffage ou le refroidissement de la majeure partie du gaz dans le cylindre du piston plongeur.

Les moteurs Stirling, en particulier ceux qui fonctionnent avec de faibles différences de température, sont assez grands pour la quantité d'énergie qu'ils produisent (c'est-à-dire qu'ils ont une faible puissance spécifique ). Cela est principalement dû au coefficient de transfert de chaleur de la convection gazeuse, qui limite le flux de chaleur qui peut être atteint dans un échangeur de chaleur froid typique à environ 500 W/(m ² ·K), et dans un échangeur de chaleur chaud à environ 500–5000 W/(m ² ·K). Par rapport aux moteurs à combustion interne, cela rend plus difficile pour le concepteur du moteur de transférer la chaleur dans et hors du gaz de travail. En raison de l' efficacité thermique, le transfert de chaleur requis augmente avec une différence de température plus faible, et la surface de l'échangeur de chaleur (et le coût) pour une sortie de 1 kW augmente avec (1/ΔT) ² . Par conséquent, le coût spécifique des moteurs à très faible différence de température est très élevé. L'augmentation du différentiel de température et/ou de pression permet aux moteurs Stirling de produire plus de puissance, en supposant que les échangeurs de chaleur sont conçus pour la charge thermique accrue et peuvent fournir le flux de chaleur convecté nécessaire.

Un moteur Stirling ne peut pas démarrer instantanément ; il doit littéralement « chauffer ». Cela est vrai pour tous les moteurs à combustion externe, mais le temps de chauffe peut être plus long pour les Stirling que pour d'autres moteurs de ce type, comme les moteurs à vapeur . Les moteurs Stirling sont mieux utilisés comme moteurs à vitesse constante.

La puissance de sortie d'un moteur Stirling a tendance à être constante et son réglage peut parfois nécessiter une conception minutieuse et des mécanismes supplémentaires. En règle générale, les changements de puissance sont obtenus en faisant varier la cylindrée du moteur (souvent grâce à l'utilisation d'un vilebrequin à plateau oscillant ), en modifiant la quantité de fluide de travail, en modifiant l'angle de phase piston/déplaceur ou, dans certains cas, simplement en modifiant la charge du moteur. Cette propriété est moins un inconvénient dans la propulsion électrique hybride ou la production d'énergie électrique « de base », où une puissance de sortie constante est réellement souhaitable.

Le gaz utilisé doit avoir une faible capacité thermique , de sorte qu'une quantité donnée de chaleur transférée entraîne une forte augmentation de la pression. Compte tenu de ce problème, l'hélium serait le meilleur gaz en raison de sa très faible capacité thermique. L'air est un fluide de travail viable, mais l'oxygène dans un moteur à air comprimé à haute pression peut provoquer des accidents mortels causés par des explosions d'huile de lubrification. À la suite d'un tel accident, Philips a été le pionnier de l'utilisation d'autres gaz pour éviter ce risque d'explosion.

• La faible viscosité de l'hydrogène et sa conductivité thermique élevée en font le gaz de travail le plus puissant, principalement parce que le moteur peut tourner plus vite qu'avec d'autres gaz. Cependant, en raison de l'absorption d'hydrogène et du taux de diffusion élevé associé à ce gaz de faible poids moléculaire , en particulier à haute température, H2 _fuit à travers le métal solide du réchauffeur. La diffusion à travers l'acier au carbone est trop élevée pour être pratique, mais peut être acceptablement faible pour des métaux tels que l'aluminium , ou même l'acier inoxydable . Certaines céramiques réduisent également considérablement la diffusion. Des joints hermétiques du récipient sous pression sont nécessaires pour maintenir la pression à l'intérieur du moteur sans remplacement du gaz perdu. Pour les moteurs à différentiel de température élevé (HTD), des systèmes auxiliaires peuvent être nécessaires pour maintenir le fluide de travail à haute pression. Ces systèmes peuvent être une bouteille de stockage de gaz ou un générateur de gaz. L'hydrogène peut être généré par électrolyse de l'eau, par l'action de la vapeur sur un carburant à base de carbone chauffé au rouge, par gazéification de carburant hydrocarboné ou par la réaction d' un acide sur un métal. L'hydrogène peut également provoquer la fragilisation des métaux. L'hydrogène est un gaz inflammable, ce qui constitue un problème de sécurité s'il est libéré du moteur.
• La plupart des moteurs Stirling techniquement avancés, comme ceux développés pour les laboratoires du gouvernement américain, utilisent l'hélium comme gaz de travail, car il fonctionne à proximité de l'efficacité et de la densité de puissance de l'hydrogène avec moins de problèmes de confinement des matériaux. L'hélium est inerte et donc non inflammable. L'hélium est relativement cher et doit être fourni sous forme de gaz en bouteille. Un test a montré que l'hydrogène était 5 % (absolu) plus efficace que l'hélium (24 % relativement) dans le moteur Stirling GPU-3. Le chercheur Allan Organ a démontré qu'un moteur à air bien conçu est théoriquement aussi efficace qu'un moteur à hélium ou à hydrogène, mais que les moteurs à hélium et à hydrogène sont plusieurs fois plus puissants par unité de volume .
• Certains moteurs utilisent de l'air ou de l'azote comme fluide de travail. Ces gaz ont une densité de puissance beaucoup plus faible (ce qui augmente les coûts du moteur), mais ils sont plus pratiques à utiliser et minimisent les problèmes de confinement et d'approvisionnement en gaz (ce qui diminue les coûts). L'utilisation d' air comprimé en contact avec des matériaux ou des substances inflammables telles que l'huile de lubrification présente un risque d'explosion, car l'air comprimé contient une pression partielle élevée d' oxygène . Cependant, l'oxygène peut être éliminé de l'air par une réaction d'oxydation ou de l'azote en bouteille peut être utilisé, qui est presque inerte et très sûr.
• D’autres gaz plus légers que l’air sont possibles, notamment le méthane et l’ammoniac .

Dans la plupart des moteurs Stirling de grande puissance, la pression minimale et la pression moyenne du fluide de travail sont toutes deux supérieures à la pression atmosphérique. Cette pressurisation initiale du moteur peut être réalisée par une pompe, ou en remplissant le moteur à partir d'un réservoir de gaz comprimé, ou même simplement en scellant le moteur lorsque la température moyenne est inférieure à la température moyenne de fonctionnement . Toutes ces méthodes augmentent la masse du fluide de travail dans le cycle thermodynamique. Tous les échangeurs de chaleur doivent être dimensionnés de manière appropriée pour fournir les taux de transfert de chaleur nécessaires. Si les échangeurs de chaleur sont bien conçus et peuvent fournir le flux de chaleur nécessaire au transfert de chaleur par convection , alors le moteur, en première approximation, produit de la puissance proportionnellement à la pression moyenne, comme le prédisent le nombre de West et le nombre de Beale . En pratique, la pression maximale est également limitée à la pression de sécurité du récipient sous pression . Comme la plupart des aspects de la conception du moteur Stirling, l'optimisation est multivariée et présente souvent des exigences contradictoires. Une difficulté de la pressurisation est que, bien qu'elle améliore la puissance, la chaleur requise augmente proportionnellement à la puissance accrue. Ce transfert de chaleur est rendu de plus en plus difficile par la pressurisation, car l'augmentation de la pression exige également des épaisseurs plus importantes des parois du moteur, ce qui, à son tour, augmente la résistance au transfert de chaleur.

À des températures et des pressions élevées, l'oxygène contenu dans les carters sous pression d'air ou dans le gaz de travail des moteurs à air chaud peut se combiner à l'huile de lubrification du moteur et exploser. Au moins une personne est décédée dans une telle explosion. Les lubrifiants peuvent également obstruer les échangeurs de chaleur, en particulier le régénérateur. Pour ces raisons, les concepteurs préfèrent des matériaux non lubrifiés à faible coefficient de frottement (tels que le rulon ou le graphite ), avec de faibles forces normales sur les pièces mobiles, en particulier pour les joints coulissants. Certaines conceptions évitent complètement les surfaces de glissement en utilisant des diaphragmes pour les pistons scellés. Ce sont quelques-uns des facteurs qui permettent aux moteurs Stirling d'avoir des besoins de maintenance moindres et une durée de vie plus longue que les moteurs à combustion interne.

Le rendement thermique théorique est égal à celui du cycle de Carnot idéal , c'est-à-dire le rendement le plus élevé que puisse atteindre un moteur thermique. Cependant, bien qu'il soit utile pour illustrer des principes généraux, les moteurs Stirling pratiques s'écartent considérablement de l'idéal. Il a été avancé que son utilisation indiscriminée dans de nombreux ouvrages de référence sur la thermodynamique de l'ingénierie a rendu un mauvais service à l'étude des moteurs Stirling en général.

Les moteurs Stirling ne peuvent pas atteindre les rendements totaux typiques d'un moteur à combustion interne , la principale contrainte étant le rendement thermique. Lors de la combustion interne, les températures atteignent environ 1 500 à 1 600 °C pendant une courte période, ce qui entraîne une température moyenne d'apport de chaleur plus élevée que celle que pourrait atteindre n'importe quel moteur Stirling. Il n'est pas possible de fournir de la chaleur à des températures aussi élevées par conduction, comme c'est le cas dans les moteurs Stirling, car aucun matériau ne pourrait conduire la chaleur de la combustion à cette température élevée sans d'énormes pertes de chaleur et des problèmes liés à la déformation thermique des matériaux.

Les moteurs Stirling sont capables de fonctionner silencieusement et peuvent utiliser presque n'importe quelle source de chaleur. La source d'énergie thermique est générée à l'extérieur du moteur Stirling plutôt que par combustion interne comme dans le cas des moteurs à cycle Otto ou à cycle Diesel . Ce type de moteur suscite actuellement l'intérêt en tant que composant principal des micro-unités de cogénération (CHP), dans lesquelles il est plus efficace et plus sûr qu'un moteur à vapeur comparable. Cependant, il présente un faible rapport puissance/poids , ce qui le rend plus adapté à une utilisation dans des installations statiques où l'espace et le poids ne sont pas un facteur déterminant.

D'autres problèmes du monde réel réduisent l'efficacité des moteurs réels, en raison des limites du transfert de chaleur par convection et de l'écoulement visqueux (frottement). Il existe également des considérations pratiques et mécaniques : par exemple, une liaison cinématique simple peut être préférée à un mécanisme plus complexe nécessaire pour reproduire le cycle idéal, et des limitations imposées par les matériaux disponibles telles que les propriétés non idéales du gaz de travail, la conductivité thermique , la résistance à la traction , le fluage , la résistance à la rupture et le point de fusion . Une question qui se pose souvent est de savoir si le cycle idéal avec expansion et compression isothermes est en fait le cycle idéal correct à appliquer au moteur Stirling. Le professeur CJ Rallis a souligné qu'il est très difficile d'imaginer une condition dans laquelle les espaces d'expansion et de compression peuvent approcher un comportement isotherme et qu'il est beaucoup plus réaliste d'imaginer ces espaces comme adiabatiques . Une analyse idéale où les espaces d'expansion et de compression sont considérés comme adiabatiques avec des échangeurs de chaleur isothermes et une régénération parfaite a été analysée par Rallis et présentée comme un meilleur critère idéal pour les machines Stirling. Il a appelé ce cycle le « pseudo-cycle de Stirling » ou « cycle de Stirling adiabatique idéal ». Une conséquence importante de ce cycle idéal est qu'il ne prédit pas l'efficacité de Carnot. Une autre conclusion de ce cycle idéal est que les rendements maximaux se trouvent à des taux de compression plus faibles, une caractéristique observée dans les machines réelles. Dans un travail indépendant, T. Finkelstein a également supposé des espaces d'expansion et de compression adiabatiques dans son analyse des machines Stirling

Le cycle Stirling idéal est inatteignable dans le monde réel, comme pour tout moteur thermique. L'efficacité des machines Stirling est également liée à la température ambiante : une meilleure efficacité est obtenue lorsque le temps est plus frais, ce qui rend ce type de moteur moins intéressant dans les endroits au climat plus chaud. Comme pour les autres moteurs à combustion externe, les moteurs Stirling peuvent utiliser d'autres sources de chaleur que la combustion de carburants. Par exemple, diverses conceptions de moteurs Stirling alimentés par l'énergie solaire ont été développées.

Contrairement aux moteurs à combustion interne, les moteurs Stirling ont la capacité d'utiliser plus facilement des sources de chaleur renouvelables , et d'être plus silencieux et plus fiables avec moins d'entretien. Ils sont préférés pour les applications qui valorisent ces avantages uniques, en particulier si le coût par unité d'énergie produite est plus important que le coût en capital par unité d'énergie. Sur cette base, les moteurs Stirling sont compétitifs en termes de coûts jusqu'à environ 100 kW.

Comparés à un moteur à combustion interne de même puissance, les moteurs Stirling ont actuellement un coût d'investissement plus élevé et sont généralement plus gros et plus lourds. Cependant, ils sont plus efficaces que la plupart des moteurs à combustion interne. Leurs besoins de maintenance plus faibles rendent le coût énergétique global comparable. Le rendement thermique est également comparable (pour les petits moteurs), allant de 15 % à 30 %. Pour des applications telles que la micro-cogénération , un moteur Stirling est souvent préférable à un moteur à combustion interne. D'autres applications incluent le pompage de l'eau , l'astronautique et la production d'électricité à partir de sources d'énergie abondantes qui sont incompatibles avec le moteur à combustion interne, comme l'énergie solaire, et la biomasse comme les déchets agricoles et autres déchets tels que les ordures ménagères. Cependant, les moteurs Stirling ne sont généralement pas compétitifs en termes de prix en tant que moteur automobile, en raison du coût élevé par unité de puissance et de la faible densité de puissance .

L'analyse de base est basée sur l'analyse de Schmidt en forme fermée.

Les avantages des moteurs Stirling par rapport aux moteurs à combustion interne incluent :

• Les moteurs Stirling peuvent fonctionner directement avec n'importe quelle source de chaleur disponible, et pas seulement avec une source de chaleur produite par combustion. Ils peuvent donc fonctionner avec la chaleur provenant de sources solaires, géothermiques, biologiques, nucléaires ou de la chaleur résiduelle des processus industriels.
• Un processus de combustion continu peut être utilisé pour fournir de la chaleur, ce qui permet de réduire les émissions associées aux processus de combustion intermittents d'un moteur à combustion interne alternatif.
• Certains types de moteurs Stirling ont les roulements et les joints du côté froid du moteur, où ils nécessitent moins de lubrifiant et durent plus longtemps que leurs équivalents sur d'autres types de moteurs alternatifs.
• Les mécanismes du moteur sont à certains égards plus simples que ceux des autres types de moteurs à piston. Aucune soupape n'est nécessaire et le système de brûleur peut être relativement simple. Des moteurs Stirling rudimentaires peuvent être fabriqués à partir de matériaux ménagers courants.
• Un moteur Stirling utilise un fluide de travail monophasé qui maintient une pression interne proche de la pression de conception, et donc pour un système bien conçu, le risque d'explosion est faible. En comparaison, un moteur à vapeur utilise un fluide de travail biphasé gaz/liquide, donc une soupape de surpression défectueuse peut provoquer une explosion.
• Dans certains cas, la faible pression de fonctionnement permet l’utilisation de vérins légers.
• Ils peuvent être construits pour fonctionner silencieusement et sans alimentation en air, pour une utilisation de propulsion indépendante de l'air dans les sous-marins.
• Ils démarrent facilement (quoique lentement, après réchauffement) et fonctionnent plus efficacement par temps froid, contrairement à la combustion interne, qui démarre rapidement par temps chaud, mais pas par temps froid.
• Un moteur Stirling utilisé pour pomper de l'eau peut être configuré de manière à ce que l'eau refroidisse l'espace de compression. Cela augmente l'efficacité lors du pompage de l'eau froide.
• Elles sont extrêmement flexibles. Elles peuvent être utilisées comme cogénération ( chaleur et électricité combinées ) en hiver et comme refroidisseurs en été.
• La chaleur perdue est facilement récupérée (par rapport à la chaleur perdue d'un moteur à combustion interne), ce qui rend les moteurs Stirling utiles pour les systèmes de chauffage et d'électricité à double sortie.
• En 1986, la NASA a construit un moteur automobile Stirling et l'a installé dans une Chevrolet Celebrity . L'économie de carburant a été améliorée de 45 % et les émissions ont été considérablement réduites. L'accélération (réponse en puissance) était équivalente à celle du moteur à combustion interne standard. Ce moteur, appelé Mod II, annule également les arguments selon lesquels les moteurs Stirling sont lourds, coûteux, peu fiables et présentent de faibles performances. Un convertisseur catalytique, un silencieux et des changements d'huile fréquents ne sont pas nécessaires.

Les inconvénients des moteurs Stirling par rapport aux moteurs à combustion interne comprennent :

• Les conceptions de moteurs Stirling nécessitent des échangeurs de chaleur pour l'entrée et la sortie de chaleur, et ceux-ci doivent contenir la pression du fluide de travail, où la pression est proportionnelle à la puissance de sortie du moteur. De plus, l'échangeur de chaleur côté dilatation est souvent à très haute température, de sorte que les matériaux doivent résister aux effets corrosifs de la source de chaleur et avoir un faible fluage . En général, ces exigences matérielles augmentent considérablement le coût du moteur. Les coûts des matériaux et de l'assemblage d'un échangeur de chaleur à haute température représentent généralement 40 % du coût total du moteur.
• Tous les cycles thermodynamiques nécessitent des différences de température importantes pour fonctionner efficacement. Dans un moteur à combustion externe, la température du réchauffeur est toujours égale ou supérieure à la température de dilatation. Cela signifie que les exigences métallurgiques pour le matériau du réchauffeur sont très strictes. Cela est similaire à une turbine à gaz , mais est en contraste avec un moteur Otto ou un moteur Diesel , où la température de dilatation peut dépasser de loin la limite métallurgique des matériaux du moteur, car la source de chaleur d'entrée n'est pas conduite à travers le moteur, de sorte que les matériaux du moteur fonctionnent plus près de la température moyenne du gaz de travail.
• Le cycle de Stirling n'est pas réellement réalisable ; le cycle réel des machines Stirling est moins efficace que le cycle théorique de Stirling. L'efficacité du cycle de Stirling est plus faible lorsque les températures ambiantes sont douces, alors qu'il donnerait ses meilleurs résultats dans un environnement frais, comme les hivers des pays nordiques.
• La dissipation de la chaleur perdue est particulièrement compliquée car la température du liquide de refroidissement est maintenue aussi basse que possible pour maximiser l'efficacité thermique. Cela augmente la taille des radiateurs, ce qui peut rendre le conditionnement difficile. Avec le coût des matériaux, cela a été l'un des facteurs limitant l'adoption des moteurs Stirling comme moteurs principaux automobiles. Pour d'autres applications telles que la propulsion des navires et les systèmes de microgénération stationnaires utilisant la cogénération (CHP), une densité de puissance élevée n'est pas nécessaire.

Les applications du moteur Stirling vont du chauffage et du refroidissement aux systèmes d'alimentation sous-marins. Un moteur Stirling peut fonctionner en sens inverse comme une pompe à chaleur pour le chauffage ou le refroidissement. D'autres utilisations incluent la production combinée de chaleur et d'électricité, la production d'énergie solaire, les cryoréfrigérateurs Stirling, les pompes à chaleur, les moteurs marins, les moteurs d'avions à faible puissance et les moteurs à faible différence de température.