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RÉSUMÉ
Dans les moteurs à combustion externe, aucun apport de chaleur vers le fluide de travail n’est produit par combustion à l’intérieur du moteur. Les apports de chaleur produits par une combustion externe sont réalisés par échanges thermiques à travers les parois des cylindres ou par des échangeurs de chaleur. Ces moteurs à gaz chaud présentent l’avantage de pouvoir fonctionner avec toutes sortes de sources d’énergie et les technologies modernes permettent d’améliorer leurs performances. Cet article fait le point sur ces moteurs qui trouvent un regain d’intérêt en raison des impératifs d’énergie décarbonée, ainsi que dans les applications de récupération d’énergie fatale.
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Georges DESCOMBES : Professeur des universités, - Ingénieur scientifique en physique énergétique, - Ingénieur motoriste du Cnam, Paris, France
INTRODUCTION
Des idées originales de substitution à la cinématique usuelle de transformation du mouvement par bielle-manivelle d’un moteur à combustion sont régulièrement proposées. Certains concepts, imaginés dès les années 1900, émergent de nouveau en ce début de XXIe fin de siècle et la meilleure maîtrise des technologies peut constituer une aide à la réactivation de certains d’entre eux dans le cadre de la transition énergétique. On observe néanmoins qu’ils conduisent le plus souvent à des réalisations de technologie complexe dont le niveau de fiabilité se révèle contrasté.
Deux types de moteurs à apport de chaleur externe ont ainsi été inventés dès les années 1800. Le brevet du moteur Stirling a été déposé par Robert Stirling en 1816 et des réalisations ont été effectuées en particulier par la firme Philips aux Pays-Bas à partir des années 1830. Le moteur Ericsson dont le premier modèle date de 1833 a été produit dès la période 1889 à 1900.
Le concept de moteur à gaz chaud à combustion externe (Stirling, Ericsson, Rankine, Hirn et d’autres applications dérivées dans les machines à vapeur) connaît un regain d’intérêt au XXIe siècle dans le secteur des machines thermiques décarbonées de faible puissance et hybridées.
L’objectif de cet article est de rétablir le lien intrinsèque entre la genèse de ces machines à gaz chaud et leur réactivation actuellement très soutenue dans le contexte décarboné que l’on connaît. Une panoplie de production d’énergie combinée et de valorisation des énergies fatales de puissance modeste, mais bien réelle, fait ainsi son retour dans des secteurs aussi variés que l’habitat, la téléphonie portable, le solaire, les applications militaires et le domaine spatial.
On assiste de la même manière à un intérêt renouvelé pour les applications de micro-cogénération et la production d’électricité délocalisée en site isolé. La conversion d’énergie solaire et l’utilisation de la biomasse nécessitent quant à elles des récupérateurs de chaleur, qui facilitent un possible stockage complémentaire de chaleur. Enfin, l’utilisation de systèmes solaires hybrides à haut rendement devient elle aussi une réalité avec une fiabilité désormais de bon niveau, c’est-à-dire avec une durée de vie accrue et une maintenance réduite.
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4. Cinématique fonctionnelle
Le moteur Stirling fonctionne selon un cycle à 4 temps qui présente des particularités majeures par rapport au cycle des moteurs conventionnels. Le fluide actif circule en circuit fermé et son échauffement est réalisé au sein d’un réchauffeur porté à haute température. Il s’agit le plus souvent d’hélium ou d’hydrogène, qui présentent tous deux une excellente conductivité thermique. Le refroidissement du fluide actif au sein du refroidisseur pourrait être comparé par analogie au temps admission d’un moteur conventionnel.
-
Le moteur Stirling à simple effet est constitué d’un cylindre (figure 9) dans lequel 2 pistons distincts délimitent 2 capacités de volume variable
et
Un piston de déplacement D fait circuler le gaz de travail entre les parties froide et chaude, tandis que le piston moteur P comprime le gaz lorsque celui-ci est chaud et transmet l’énergie mécanique fournie par l’expansion du gaz réchauffé.
La figure 10 schématise les 4 temps d’un cycle idéal de Stirling décrit de la manière suivante :
-
le piston moteur comprime le gaz froid de l’évolution (de 1 à 2) ;
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lors de l’évolution (de 2 à...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SERRUYS (M.) - À propos des cycles d’Ericsson et de Stirling. - Revue générale de thermique, n° 143 (1973).
-
(2) - MEIJER (R.J.) - Le développement des moteurs Stirling en Suède. - Rapport interne Kockums (1996).
-
(3) - ALGER (D.L.) - Progress toward the evolution of a Stirling space engine. - SAE Paper, 880545 (1988).
-
(4) - UNDERWOOD (A.) - Les possibilités du moteur Stirling. - Revue de la SIA (1963).
-
(5) - STERLICHT (B.) - Le moteur Stirling. - La Recherche, n° 161 (1984).
-
(6) - ACHTEN (A.J.) - A review of free piston engine concepts. - SAE Paper, 941776 (1994).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Pompes à chaleur – Systèmes à compression de vapeur.
-
Moteurs non conventionnels – Moteurs thermiques à combustion interne.
-
Récupération et valorisation des énergies fatales dans les machines thermiques.
ANNEXES
Prévond, L. et al. Brevet international WO 02057612 publié le 25.07.2002.
François, P., Prévond, L., Descombes, G., 2002, Extension internationale n° PCT-FR02-00173 du 17.01.02 du brevet initial France IFB 00 CNA LIN du 14.11.2000, publiée sous le n° WO 02057612 en date du 25.07.2002 avec date de priorité actée le 17.01.2001, Groupe électrogène à mouvement linéaire alternatif à base de moteur Stirling et procédé de mise en œuvre, 2002.
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
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2.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
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