Projet de tracteur à moteur Stirling (moteur à air chaud) 21 photos, 2 schémas. 26 avril 2003

Inventé au 19ème siècle par R. Stirling, ce moteur de conception simple et originale a été utilisé pour faire fonctionner des pompes agricoles, des scieries, des ventilateurs et divers engins de démonstration (dont le jouet ci-dessous). Dans les années 60 des réalisations très performantes ont prouvé son efficacité, comme les moteurs marins Philips ou le moteur de 170 chevaux monté sur une voiture par Ford. Il existe maintenant de nombreuses applications du Stirling, en particulier des générateurs de satellites, des groupes électrogènes, des pompes à chaleur et des appareils frigorifiques. Sa forme et sa conception ont évolué (plusieurs cylindres, embiellages complexes, dispositions linéaires, pressurisation à l'hélium...) et les constructeurs atteignent des puissances de 90 kw pour des modèles déjà commercialisés. Doté d'un haut rendement, fiable et très silencieux, le moteur Stirling semble prometteur et certains spécialistes pensent qu'il sera "le moteur du 21ème siècle" (voir le site de Daniel Lyonnet). Lire en bas de cette page l'article sur les recherches Philips...

Autres appellations: moteur à air chaud, moteur à gaz chaud (en anglais: Stirling engine ou "hog motor" pour hot gas motor).

Les modèles de démonstration présentés ici ne sont pas très performants mais leur fonctionnement est intéressant

Moteur à air chaud de démonstration (jouet du début 20ème)

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On trouve dans le commerce des moteurs Stirling de démonstration (www.conrad.fr). Celui que nous allons utiliser pour construire un tracteur en Meccano est d'un fonctionnement simple: une lampe à alcool chauffe l'extrémité d'un cylindre fermé, l'air se dilate et pousse un piston (piston moteur). Le piston transmet son mouvement à l'arbre du moteur, et tout en même temps un autre piston, appelé le déplaceur, chasse l'air de la partie chaude vers la partie froide du cylindre. L'air se rétracte et tire le piston. Le cycle se poursuit avec un nouveau déplacement de l'air tantôt vers la partie chaude, tantôt vers la partie froide.

Notre moteur:

de gauche à droite: volant, balancier, cylindre moteur, cylindre du déplaceur, déplaceur, lampe à alcool.	Le moteur à pleine vitesse
Détails de l'embiellage (remarquer le système de balancier qui rappelle celui des machines à vapeur Boulton-Watt). Le vilebrequin a été réusiné en forme de fer de hache pour diminuer les vibrations (meilleur équilibrage).
Décomposition du mouvement et des différentes phases du cycle: A/ mouvement du déplaceur
1/ Le déplaceur est à droite: l'air est chauffé par la flamme, il se dilate et pousse le piston moteur (pression).	2/ Le déplaceur est passé à gauche: l'air chaud est chassé vers la zone froide, il se rétracte et tire le piston (dépression).
B/ Mouvements de l'ensemble des pièces
1: l'air chauffé pousse le piston vers le haut. La bielle descend, le vilebrequin tourne vers la droite	2: le piston arrive en fin de course haute, le déplaceur est toujours à droite.
3: Le vilebrequin poursuit sa course et pousse le déplaceur vers la gauche: l'air est chassé vers la zone froide. Le piston commence à redescendre.	4: le piston est presque en fin de course basse, le déplaceur va bientôt revenir vers la droite pour chasser l'air vers la zone chaude: retour temps 1...etc.

Le projet

Pour la construction du tracteur, il faudra transmettre le mouvement du moteur aux roues en réduisant sa vitesse. On utilisera des poulies, des courroies et des roues dentées.

La difficulté sera de ne pas trop freiner le mouvemnt du moteur: les frottements seront réduits au minimum.

On estime que les roues du tracteur doivent tourner à 12 tours par minutes. La vitesse de rotation du moteur est d'environ 1000 tours par minute. 1000 : 12 = 83,3

Il faut une réduction d'environ 80 : 1 (80 tours de moteur pour 1 tour de roue). On utilise des poulies (réduction 5:1), des pignons de 15 dents et des roues dentées de 60 dents (réduction 4:1):

(Schéma de Jana)

Premières images des essais: (il faudra remplacer les roues motrices par d'autres de grand diamètre)

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Ce sera plus joli avec de grandes roues motrices, mais en attendant, ça marche !
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Terminé !

Voici un autre moteur Sirling du commerce que nous utiliserons bientôt pour un nouveau projet. (modèle HB7 AL2 fabriqué par Bohm, Allemagne)

      

Document: article d'une revue scientifique paru en 1967:

  LE MOTEUR A GAZ Dans le début de l'année 1957, un violent raz de marée ravageait les côtes de Hollande. A l'occasion de cette catastrophe, on vit apparaître des chaloupes de sauvetage qui, inlassablement, assuraient la navette entre les lieux sinistrés et la terre ferme, et qui étaient dotées de curieux petits moteurs, ne tenant pas plus de place qu'une boîte à chaussures, alimentés non pas à l'essence, mais par les combustibles les plus divers. Pour sauver des vies en danger, la firme Philips n'avait pas hésité à mettre en service des moteurs expérimentaux, étudiés dans le plus grand secret, et qui, une fois l'action terminée, regagnèrent leur cachette. Le secret, depuis, a été levé, et l'on sait qu'il s'agissait de petites machines développant une quinzaine de chevaux et capables de convertir en travail de l'énergie thermique. De nouveaux prototypes ont vu le jour. Le plus récent d'entre eux, fabriqué dans les usines de Eindhoven, et fonctionnant également au gaz chaud, est un monocylindre donnant une puissance de 40 chevaux et présentant un rendement supérieur à celui des meilleurs moteurs à explosion. Parmi les nombreux avantages : la possibilité d'utiliser les combustibles les plus divers, solides, liquides ou gazeux (de l'huile de chauffage, par exemple), un fonctionnement silencieux, pratiquement sans vibrations, une usure à peu près nulle, puisque le moteur fonctionne en circuit fermé et qu'aucune substance corrosive ne vient l'attaquer. Le principe d'un tel moteur est connu depuis longtemps. Son cycle s'apparente à celui de tout moteur à combustion interne : on dispose d'une énergie convertible en travail par la détente d'un certain volume gazeux comprimé à basse température, puis dilaté par une rapide combustion. Conformément au principe de Carnot, le rendement d'un moteur thermique, quel qu'il soit, est d'autant plus élevé que se trouve importante la différence de température au moment de la détente et à la fin de la détente. La différence est que, dans le moteur à gaz chaud, la chaleur est apportée de l'extérieur au gaz contenu dans le cylindre, donc à travers la paroi. Une machine fonctionnant sur ce principe avait déjà été réalisée, il y a cent cinquante ans, par le révérend Robert Stirling. Le cycle thermique y était réalisé par l'intermédiaire d'un piston de balayage qui déplaçait successivement le fluide d'une enceinte à haute température, maintenue constante, à une autre enceinte, dont la température était conservée aussi basse que possible. Mais le rendement en était médiocre. L'un des monstres les plus remarquables dans ce domaine fut la machine qui actionnait, vers 1852, les roues à aubes de 10 m de diamètre du navire américain "Caloric". Chacun de ses 4 cylindres atteignait près de 5 m de diamètre. Le régime était de 9 tours/minute et la consommation de… 300 kg de charbon à l'heure! Sur les moteurs actuels, étudiés en Hollande, la source chaude atteint 700 °C et la température de refroidissement s'abaisse à 15 °C. L'obtention d'un excellent rendement est dûe à la récupération des calories perdues lors du passage du gaz de l'enceinte chaude à l'enceinte froide. L'emploi d'un régénérateur ayant demandé des années de mise au point et capable de se charger et de se décharger successivement des calories transportées a permis de porter le rendement global de 40 %, alors qu'il n'était que de 1 à 2 % sur la machine du "Caloric". Quant à l'emploi de ces machines qui utilisent indifféremment le bois, le gaz, l'huile, le charbon comme source d'énergie calorifique, il paraît devoir particulièrement s'imposer pour l'équipement de petites centrales électriques dans les régions déshéritées. Article paru dans la revue " Science-Club " n°36, Les moteurs, février 1967

 

 

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