Moteur à combustion externe

Sommaire

Principe

Source : Wikipédia.

Dans le monde de la cogénération, le moteur stirling est une technologie de moteur utilisée particulièrement pour les micros cogénérations domestiques. C’est un moteur à combustion externe de petite puissance. Le gaz interne (hélium par exemple) est soumis aux quatre phases reprises ci-dessous :

Comme pour le moteur à combustion interne, le cycle du stirling s’articule sur la composition des 4 phases séquentielles suivantes :

Chauffage externe du gaz à volume constant (isochore). C’est au point mort haut que le gaz s’échauffe et atteint une pression élevée. C’est l’exemple du brûleur qui assure le chauffage.
Détente du gaz à température constant (isotherme). Le piston se déplace vers le bas.
Refroidissement externe à volume constant (isochore) au point mort bas. En pratique, c’est à ce niveau que le circuit de chauffage récupère la chaleur du brûleur transmise au gaz tout en le refroidissant.
Compression du gaz à température constant (isotherme). Le piston remonte.

On se doute bien que la mise en œuvre pratique d’un tel système poserait des problèmes de contraintes thermiques importantes, de la gestion du chauffage et du refroidissement du système et ne donnerait pas des performances intéressantes.

Pour pallier à ce problème, l’ingéniosité des inventeurs de tous bords n’a pas de frontières. La présence d’un “déplaceur” permet de chauffer et de refroidir le système de manière continue comme le montre les figures suivantes :

Détente isotherme (à température constante). Le piston du moteur (en bleu) et le piston déplaceur se déplacent vers le bas en augmentant le volume du gaz dans le cylindre.
Combinaison de la fin de la détente isotherme et du début du refroidissement isochore (à volume constant). Le piston moteur continue à se déplacer vers le bas jusqu’au point mort bas tandis que le piston se déplace déjà vers le haut.
Compression isotherme. Le piston moteur remonte et le piston déplaceur se déplace vers le point mort haut.
Combinaison de la fin de compression isotherme et du chauffage isochore. Le piston moteur arrive au point mort haut et le piston déplaceur redescend.

Type de moteur stirling

Histoire grecque

La plupart des moteurs stirling sont à mouvement rotatif; c’est-à-dire qu’ils transforment le mouvement alternatif linéaire des pistons en mouvement rotatif via l’ensemble bielle/vilebrequin.

Différents types de moteur stirling existent sur le marché. Un autre moteur stirling assez didactique est repris dans la figure suivante :

Type alpha.

Stirling Bêta pour cogénérateur

Le type stirling bêta décrit ici est un moteur linéaire. Il remporte un franc succès auprès des constructeurs de micros cogénérateurs domestiques. Contrairement au stirling alpha, le bêta est composé d’un seul cylindre qui accueille les deux pistons. La chambre chaude se situe au niveau de la partie supérieure du cylindre tandis que la chambre froide, elle, à la base du cylindre. Sous le cylindre se situe le carter dans lequel se trouve l’alternateur. C’est un alternateur rectiligne ! La production électrique s’effectue par variation de flux lorsque la partie mobile de l’alternateur (on ne peut pas parler de rotor dans ce cas-ci) se déplace selon un mouvement rectiligne alternatif.

Le gaz de travail est froid et occupe un volume minimum. Le déplaceur descend et chasse le gaz de la partie basse du cylindre (froide) vers la partie haute (chaude) soumise à la chaleur du brûleur.
Le gaz chauffé au niveau du brûleur tend à occuper plus de place et pousse le déplaceur et le piston moteur vers le bas en bout de course. Le piston entraine dans sa course la bobine. Par variation de flux dans la bobine, il y a production d’électricité.
Le gaz est maintenant à son volume maximum. Le déplaceur remonte mécaniquement et fait passer le gaz de la partie haut (chaude) vers la partie basse (froide) où il est refroidi.
Le gaz en refroidissant dans la partie basse tend à occuper moins de place. Le piston moteur remonte et comprime le gaz. Le piston moteur entraine dans sa course la bobine vers le haut. Par variation de flux dans la bobine, il y a production d’électricité.