Moteur Stirling

Introduction, motivation.


Il y a quelques semaines, afin de vérifier si j'avais ou non perdu tous mes souvenirs de thermodynamique, j'ai tenté de retracer sur un bout de papier les quelques cycles "classiques" des moteurs que j'avais étudiés en prépa, et de refaire quelques calculs.
Je me suis souvenu du moteur Stirling, mais je ne me rappelais plus du mode de fonctionnement.

Apres une brève recherche sur mon moteur de recherche favori : google, avec les mots clefs "moteur stirling", je suis tombe sur une littérature plus qu'abondante, avec des descriptions du cycle thermodynamique, des principes de fonctionnement, mais surtout avec de nombreux exemples de réalisations d'amateurs.

Les bricolages en question allaient de modèles splendides, réalises par des bricoleurs très bien outillés, aux réalisations qui tenaient du bidouillage pur et simple, à base de pièces de récupérations, et d'objets de la vie courante.

Mais surtout ... tous ces moteurs semblaient fonctionner. Certains avec de petits réchauds à alcool, et d'autre, avec des sources de chaleur beaucoup plus faibles. Tasse à café chaud, radiateur, soleil...

En cours de thermodynamique, j'avais bien étudié les principes des moteurs classiques, et rêvé un instant être en mesure de me bricoler une petite machine à vapeur, ou un petit moteur quelconque. Mais les difficultés de réalisation me semblaient insurmontables. Que faire sans un tour, comment se faire un petit piston, un petit embiellage ?

Et la, sur de nombreux sites, on voit des moteurs qui tournent, avec des pièces qui semblent à la portée du premier bricoleur venu.

En deux heures, ma décision était prise, il fallait absolument que je me bricole un petit moteur stirling.
 

J'aimerais vous donner envie de réaliser vous aussi un petit moteur, et vous donner quelques indications sur ma façon de faire.
 
 

Quelques mots clefs, quelques conseils.


Vous n'aurez aucun mal à vous constituer une documentation en recherchant "moteur Stirling" ou "Stirling engine" sur internet.
Selon vos préoccupations et les questions que vous vous posez, vous trouverez des sites plus ou moins utiles.

Juste un exemple d’un site magnifique : http://perso.wanadoo.fr/hubert.roussel   Chapeau bas !!!

 

Cependant, voici quelques modestes indications et retours d'expérience:
 


Il peut être de différents ordres. Faire un moteur qui marche, qui est beau, performant, puissant....
Le genre de montage qui m'a attiré est un moteur qui fonctionne à basse température. Avec fonctionner=tourner. Autrement dit, mon but était de réaliser un moteur qui puisse dégager suffisamment de puissance pour vaincre ses frottements, et ce, avec une source de température faible.
Pour des moteurs capables de propulser un sous-marin, ou de fournir 100kW, mes conseils ne sont d'aucune utilité.
 


Votre moteur, une fois réalisé, fonctionne en transformant l'énergie thermique cédée d'une source chaude à une source froide en travail.
Plus le chaud est chaud et plus le froid est froid, mieux cela fonctionne. Par contre, si des pièces sont en plastique ou en polystyrène expansé, mieux vaut ne pas trop insister sur la source chaude... Le moteur que j’ai realisé est actuellement en phase de maintenance, après quelques essais sur la plaque chauffante un peu poussés pour voir à quel régime il pouvait monter.
Le but "ultime" que je m'étais fixe était de faire un moteur suffisamment performant pour qu'il tourne avec une source chaude comme un écran de télévision. A ce jour, il faut un peu plus que cela pour que le moteur tourne, mais une tasse d'eau chaude ou un radiateur suffit à le faire tourner.
 


Le moteur que j'ai réalise est de conception classique, les matériaux nécessaires sont assez faciles à trouver. Pourtant certaines pièces du moteur m'ont posé problème. J'ai du les faire un peu différemment de ce qui se fait habituellement. Parfois parce que je n'avais pas sous la main le matériel nécessaire, parfois parce que je ne pouvais pas faire de bruit (heure avancée, enfants qui dorment...)
 
 


Un des aspects les plus importants pour moi. Je ne me lance plus dans des bricolages qui nécessitent de la place, ou beaucoup de temps.
En fait les bricolages admissibles doivent satisfaire (au moins) la loi empirique :
 
    Espace * Temps * (1 + 10*Depenses_Necessaires) < Constante.

Espace : en litres (0.001 m3)
Temps  : en heures
Depenses_nécessaire en Neuros.

Cette constante est à déterminer chez vous et dépend de la taille de l'habitation, du nombre d'enfants ...
Pour le moteur Stirling, je donnerais comme ordre de grandeur :
    1m2 sur 5cm pour l'espace,
    une dizaine d'heure pour le temps
    une dizaine d'euros pour refaire le plein de forets, de tube alu ...
La contrainte est satisfaite. (Constante de 1000).
 


Elle est assez élevée, et dépend fortement de la différence de température. Si votre moteur peine à tourner à 10 degrés d'écarts, vous atteindrez des régimes insoupçonnés sur une plaque chauffante. (Attention aux éléments qui fondent !!! et aux autres qui se deforment dangeureusement.)
Il est possible de bricoler rapidement quelques pièces, juste pour voir le moteur tourner avant d'aller se coucher, et de reprendre ces pièces le lendemain soir, soigneusement, et de gagner quelques degrés.


 

Réalisation:

Les plateaux haut et bas m'ont pose quelques problèmes.
Il faut des disques métalliques (échangeurs de chaleur), de bonne taille (de l'ordre de 10 à 15cm).
L'idéal est sans doute de trouver des plaques de cuivre et de découper deux disques.

Pour une trentaine de francs, j'ai trouvé deux disques de meuleuse d'angle, qui seraient parfaits s’il n'y avait ce trou au centre.

Ne pas oublier les perles de verre, (1 euro), qui vont servir à réaliser les roulements et les joints d'étanchéité. Il faut aussi du fil de fer, (des trombones font l'affaire, mais il faut qu'ils se déplient dans laisser de marques).
Quelques boulons de 3mm ou 4mm des rondelles et éventuellement une tige filetée de 4. Un gant en latex.
Enfin, de la colle.
 


 

Le cylindre a été fait dans une boite en plastique de bonbons. Il faut une bande assez longue. Des bandes découpées dans une bouteille en plastique style coca devraient également faire l'affaire.

Le déplaceur (qui est sans doute trop petit en diamètre dans mon cas) est à découper dans du polystyrène, ou alors dans un bloc isolant très léger.
Une difficulté intervient ici quand il faut attacher le déplaceur à un fil de fer. Le montage doit être assez rigide pour que le déplaceur se déplace bien dans le cylindre.
Je pense que les lumières faites dans le déplaceur, pour le passage du bout de tige filetée est un peu gros. A refaire également. Il suffit que ça ne touche pas.
Les entretoises sont faites dans du tube alu, découpe au coupe-tube. Des entretoises en plastique, et des rondelles en plastique seraient sans doute plus appropriées pour éviter des échanges thermiques entre le disque chaud et le disque froid.

La petite pièce en bas à gauche sur l'image est faite dans une baguette d'aluminium, et va servir à tenir l'embiellage.
 
 


 
 

Les gros morceaux: Ceux qui m'ont fait douter de la faisabilité du moteur.
Le passage de la bielle du déplaceur.
J'ai fait ça dans un bout de recharge de stylo, colle à la superglue à deux petits bouts de touillette de machine à café, en haut et en bas.
Le tout, colle à une grosse rondelle en plastique. J'aurais du coller deux petites perles de verre, cela aurait sans doute été plus étanche.

Le cylindre du piston de travail est fait dans une boite de photo. Le piston est fait dans un gant en latex. Et comme je n'avais pas de joints toriques, j'ai enroule un bout de gant pour en faire un tube, et fait un horrible noeud autour de l'écrou.
C'est étanche !!!.
Je pense qu’il est possible de faire plus sérieux en cherchant des « vrais » joints toriques, au rayon « arrosage automatique » de votre magasin de bricolage préféré. Il y a de nombreuses petites pièces de plastique dont des joints qui peuvent convenir.
 
 


 
 

La aussi, des problèmes.
Comment fixer le classique CD-ROM à l'axe. J'ai récupère une petite roue dentée, et fixé le tout à la superglue. Mais c'est pas fameux.

Pour le vilebrequin, du fil de fer, et pour les "roulements", un tube de stylo avec des touillettes à chaque bout, percées, pour les paliers.

Les bielles sont magnifiquement ouvragées comme on le voit. Et très pratiques pour régler finement le déplacement des pistons.

N'oubliez pas qu'à ce stade, je me demandais encore si tout cela était sérieux et si ça allait fonctionner !
 
 
 
 


 
 

Et voila le résultat. Le lendemain du premier essai.

A noter, j'y suis allé un peu fort sur le mastic (rubson)...
Pour l'essai, j'ai attendu juste un petit peu que le mastic sèche, j'ai place le moteur au-dessus d'une plaque chauffante, et après quelques minutes, le temps que le disque inférieur chauffe, j'ai lance le CD et ça à tourné.

Ca, c'est du bon bonheur... J'y croyais pas trop deux ou trois heures avant.
 
 
 
 


 
 

Encouragé par les essais de la veille, j'ai replanché un peu, et j'ai remplacé l'axe du vilebrequin par un roulement à bille d'imprimante. Il se trouve que j'avais une roue de meccano qui collait pile poil avec l'axe du dit roulement.
Je me suis aperçu également que la superglue colle très très bien le métal sur métal. J'ai donc refait le vilebrequin en collant des bouts de fil de fer sur une rondelle (cote piston de travail) et sur la roue de meccano (cote déplaceur).

Le problème ... c'est que l'inertie était très faible et le moteur ne tournait vraiment pas rond. Pour réaliser un semblant d'équilibrage, j'ai place de petites aimants sur le disque en fer du meccano, et améliore grandement le comportement.

Depuis, j'ai essayé d'alourdir le volant, et vérifié que ce paramètre est très important.
 

Le moteur tourne environ à 300trs/min sur un bol d'eau bouillante. Et ce pendant près d'une heure. Sur un radiateur ventilé, le régime reste stable aux alentours de 100Trs/min. Le tout sans bruit.
 
 
 
 
 

Les optimisations en cours sont :
 

Je vous tiens au courant.
 

Question… si l’un d’entre vous sait ou on peut se procurer de quoi se bricoler un piston en graphite (cela semble être le must), qu’il n’hésite pas à me contacter.

(mise à jour du 10/03/03).