Voir la source de Moteur Stirling

{{Voir homonymes|Stirling}}
Le '''moteur Stirling''' est un [[moteur à combustion externe]] et à fluide de travail en [[Système fermé|cycle fermé]]. Le fluide est un gaz soumis à un [[Cycle thermodynamique|cycle]] comprenant quatre phases : chauffage [[Processus isochore|isochore]] (à volume constant), détente [[Processus isotherme|isotherme]] (à température constante), refroidissement isochore, enfin compression isotherme.

[[Robert Stirling]] a inventé en 1816 le moteur à air chaud<ref name="haestirling1816engine">{{lien web|url=http://hotairengines.org/closed-cycle-engine/stirling-1816|titre=Le moteur à air chaud de Stirling de 1816|site=hotairengines.org}}</ref> et, pour améliorer son efficacité, l'a muni d'un [[régénérateur]], qui assure une fonction de stockage thermique et d'[[Échangeur de chaleur|échangeur]] interne. Cet élément singularise le moteur Stirling par rapport aux autres moteurs. Il a considérablement amélioré sa performance, lui donnant un réel développement en [[thermodynamique]].

Peu connu du grand public, ce [[moteur]] a cependant quelques avantages. Il était répandu au temps de la domination des [[machine à vapeur|machines à vapeur]] qui présentaient le grave risque d'exploser.
[[Fichier:Alpha Stirling.gif|thumb|Modèle de moteur de type alpha.<br>La source chaude est du côté rouge ; la source froide est du côté bleu, entourée d'[[ailette]]s ([[dissipateur thermique]]). Le régénérateur, généralement placé sur la conduite, est ici absent.]]
[[Fichier:Beta stirling animation.gif|thumb|upright=2.0|Moteur Stirling de type bêta. Le rôle du piston intermédiaire (non étanche, de plus petit diamètre), dit « déplaceur », est de faire passer alternativement le gaz de la source chaude (à gauche, représentée par des flammes) à la source froide (à droite, représentée par des ailettes de refroidissement). Le changement de couleur, du bleu au rouge et réciproquement, indique le changement de température. La roue est un [[volant d'inertie]]. Le piston moteur a un retard de [[Phase (onde)|phase]] de π/2 (un quart de tour) par rapport au piston déplaceur.]]
[[Fichier:Stirlingmotor 3.jpg|thumb|Maquette d'un moteur Stirling.]]
[[Fichier:PSM V18 D348 Sectional view of the rider compression engine.jpg|vignette|Coupe d'un moteur rider à compression, 1880.]]
[[File:Dejust1899.png|thumb|droite|Gravure de 1899 d'un [[Moteur Ericsson]] M1851 avec régénérateur type Stirling.]]

== Histoire ==
Au début du {{s-|XIX}}, les [[Machine à vapeur|chaudières à vapeur]] explosent assez souvent. Pour répondre à ce problème, [[Robert Stirling]] imagine un moteur dépourvu de chaudière soumise à de trop fortes pressions, où la chaleur est donc apportée de l’extérieur de la machine. Il découvre qu'il suffit de chauffer l’air ambiant par combustion pour alimenter ce moteur en énergie et c'est ainsi que Stirling dépose son brevet le {{date|27|septembre|1816}}. Il est aussi l'inventeur d’un [[régénérateur]] dans la tuyauterie du moteur qui permet d’éviter trop de pertes d’énergie et améliore son rendement. À proprement parler, ce régénérateur est ce qui distingue le moteur Stirling des autres machines à air chaud<ref>{{Lien web |langue=en |url=http://hotairengines.org |titre=The Hot Air Engine of the 19th Century |site=hotairengines.org |consulté le=29 janvier 2019}}.</ref>.

En {{Date|1843}}, son frère James « industrialise » ce moteur, pour une utilisation dans l'usine où il est ingénieur. Toutefois, en raison de différents bris et d’une [[puissance (physique)|puissance]] trop faible par rapport à la [[machine à vapeur]]{{Référence souhaitée}} et au [[moteur à combustion interne]], le moteur à air chaud de Stirling n’obtient pas le succès escompté. Le moteur Stirling n'est alors plus qu’un objet d’étude pour les [[physicien]]s, qui comprennent le fonctionnement du moteur Stirling, bien après son invention, avec l’avènement de la [[thermodynamique]].

En {{date|1871}}, les progrès de la thermodynamique accomplis au {{s-|XIX}} permettent à Gustav Schmidt de décrire mathématiquement le cycle de Stirling<ref name="Schmidt">{{en}} [http://www.sesusa.org/DrIz/isothermal/Schmidt.html The Schmidt Analysis], sur le site sesusa.org</ref>.

À partir de {{Date|1878}}, [[John Ericsson]] se tourne vers une solution utilisant un cycle de Stirling avec son moteur « à air chaud » ([[moteur Ericsson]]) avec un déplaceur et construit, en partenariat avec la DeLameter Iron Works puis la Rider-Ericsson Engine Company, un nouveau moteur. Ce moteur sera aussi un succès, il sera produit aux États-Unis jusqu'au début de la [[Première Guerre mondiale]]. Parmi tous les moteurs à cycle Stirling conçus, c'est la version la plus commune, bien que rare car centenaire ; il est possible d'en voir à la vente chez des brocanteurs spécialisés dans les moteurs anciens.

En {{Date|1889}}, la société américaine Rider-Ericsson Engine Company<ref>{{Lien web|langue = en | titre = Photographies, vidéos Rider-Ericsson Engine Company |url =hhttps://2bamboo.jimdo.com/conseils/moteur-stirling-stirling-engine/rider-ericsson-engine-company/|site  =2bamboo.jimdo.com|consulté le = 13 septembre 2017}}</ref> sort sa première [[Pompe oléohydraulique|pompe hydraulique]] « à air chaud » ; elle en produira jusqu'au début 1900 et en exportera partout à travers le monde.

[[Fichier:Philips.gif|vignette|Photographies du moteur Stirling [[Philips]] MP1002CA<ref>{{Lien web|langue = fr | titre = Documentaire vidéo sur les  moteurs Stirling et le Philips MP1002CA |url =https://www.youtube.com/watch?v=tKQtrd4bCgQ&t=4s |site =[[YouTube]] |consulté le = 13 septembre 2017}}</ref>.]]
Il faut toutefois attendre les recherches de la compagnie néerlandaise [[Philips]], dans les années 1930, pour que le moteur Stirling soit de nouveau étudié sérieusement et que son application dans toutes sortes de technologies soit testée. En 1938, un moteur Stirling de plus de {{unité|200|ch}}, avec un [[Efficacité énergétique (thermodynamique)|rendement]] supérieur à 30 % (comparable aux moteurs à essence actuels), y est conçu{{Référence souhaitée}}. Cependant, cette technologie n'a d'application qu’en [[cryogénie]].

En {{date|1953}}, [[Philips]] sort sa génératrice de {{unité|180 W}} : le MP1002CA<ref>{{Lien web |langue = fr |titre = Photographies, vidéos & notice d'utilisation du moteur Stirling Philips MP1002CA |url=https://2bamboo.jimdo.com/conseils/moteur-stirling-stirling-engine/moteur-philips-mp1002ca-stirling-engine/ |site=2bamboo.jimdo.com |consulté le = 13 septembre 2017}}.</ref>, conçu à partir d'un moteur Stirling.

Ce n’est que dans les dernières décennies que les développements du moteur commencent à intéresser à nouveau l'industrie, à cause du besoin croissant de sources d’énergie alternatives. De fait, le moteur Stirling peut fonctionner avec toute source d'énergie produisant de la chaleur : [[énergie solaire]], [[Géothermie|énergie géothermique]], [[énergie nucléaire]], chaleur rejetée par les usines{{etc}} Dans une perspective écologique, ceci est d'autant plus intéressant que le régénérateur, parce qu’il préchauffe et pré-refroidit le gaz, permet de « recycler » de l’énergie. Ainsi, les avancées en [[science des matériaux]] permettent-elles maintenant d'utiliser des matériaux qui supportent des écarts de [[température]] très importants et des [[Matériau composite|matériaux composites]] qui améliorent le transfert de chaleur au sein du régénérateur<ref>{{en}} [http://www.techbriefs.com/content/view/2113/ Composite-Matrix Regenerators for Stirling Engines], sur Techbriefs.</ref>.

[[Fichier:BetaStirlingTG4web.jpg|vignette|Coupe d'un moteur Stirling de type bêta.<br>Source chaude côté rose, source froide côté gris, piston de déplacement en vert, piston moteur en bleu (ce moteur est dit à « entraînement rhombique », c'est-à-dire en forme de losange déformable).]]

Les moteurs Stirling, couplés à des paraboles solaires géantes, utilisent ainsi l’énergie solaire avec un rendement supérieur aux [[Cellule photovoltaïque|cellules photovoltaïques]], mais à un prix élevé. En 2008, le record de conversion de l'énergie solaire est battu par un taux de conversion de 31,25 %, grâce à l'utilisation de [[Miroir concave|miroirs paraboliques]] comme concentrateurs solaires<ref>{{lien web |titre=Record d’efficacité pour du solaire à parabole-stirling |url=https://www.enerzine.com/record-defficacite-pour-du-solaire-a-parabole-stirling/5949-2008-02#:~:text=C'est%20par%20une%20belle,solaire%20%3A%2031%2C25%25. |site=enerzine.com |date=15 février 2008}}</ref>.

Aujourd'hui, le moteur Stirling fait l'objet de nombreuses expérimentations autant par les amateurs que par des entreprises spécialisées en [[énergie]] ou par la [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]] ([[Kilopower|projet KRUSTY]]).

== Principe, avantages et inconvénients ==

=== Principe ===

Le fluide principal qui produit un [[Travail d'une force|travail]] est un [[gaz]] ([[air]], [[hydrogène]] ou [[hélium]]) soumis à un cycle comprenant quatre phases :  
# Chauffage [[Processus isochore|isochore]] (à volume constant) ;
# Détente [[Processus isotherme|isotherme]] (à température constante) : le gaz fournit du travail ;
# Refroidissement isochore ;
# Compression isotherme : le gaz reçoit du travail.

Le but est de produire de l’[[énergie mécanique]] à partir d’[[énergie thermique]]. Au début du cycle, le gaz à l’intérieur du moteur est placé dans la chambre chaude, chauffée par une certaine source d’énergie : sa [[température]] et sa [[pression]] augmentent, ce qui produit une dilatation du gaz (phase 1). Le piston de la chambre chaude étant en butée, le gaz se détend vers la chambre froide en repoussant le piston de celle-ci. L'énergie thermique est ainsi transformée en énergie mécanique qui est transmise à la roue (phase 2). Ce mouvement de la roue est transmis au piston de la chambre chaude qui repousse presque tout le gaz dans la chambre froide. Lorsque c'est fait, le gaz arrivé dans la chambre froide se refroidit (phase 3) et son volume diminue, entraînant le piston froid dans l'autre sens (phase 4). De nouveau, ce mouvement est transmis, via la roue, au piston de la chambre chaude qui recule alors vers sa butée. Presque tout le volume de gaz se retrouve alors aspiré vers la chambre chaude et le cycle recommence. On nomme ce cycle thermodynamique le cycle de Stirling (bien que ce ne soit pas Stirling qui l’ait décrit)<ref name="Robert">[http://www.moteurstirling.com/histoire.php Biographie de Robert Stirling], sur moteurstirling.com (consulté le 29 janvier 2019).</ref>.

La source chaude du moteur (le piston rouge ci-dessus) est alimentée par une source ''externe'' quelconque : [[moteur à combustion externe|combustion externe]] de dérivés du [[pétrole]], [[gaz naturel]], [[Houille|charbon]], mais aussi [[énergie renouvelable|énergies renouvelables]] comme l'[[énergie solaire]], le [[Bois énergie|bois]] ou l'[[Géothermie|énergie géothermique]].

==== Cycle de Stirling ====

[[Fichier:Stirling Cycle.png|thumb|left|[[Diagramme de Clapeyron]] du cycle de Stirling théorique. Dans les applications pratiques utilisant le cycle de Stirling, le cycle est quasi-elliptique]]
[[Fichier:CycleStirlingPVTS 2.svg|thumb|Inscription d'un cycle de Stirling réel dans un [[cycle de Carnot]]. Diagramme de Clapeyron et diagramme ''TS'' (Température-Entropie). Les cycles correspondant dans les deux diagrammes ont la même aire. Sur cet exemple, les rendements thermodynamiques sont <math>\scriptstyle\eta_{\text{Carnot}} = \frac{T_1-T_0}{T_1}\approx 0{,}37</math> et <math>\scriptstyle\eta_{\text{Stirling}} = \frac{\text{aire violette}}{\text{aire hachuree}}\approx 0{,}15</math>]]

Le cycle de Stirling est un cycle thermodynamique que décrivent les moteurs Stirling.

Le cycle est ''réversible'', ce qui signifie que si un travail mécanique est fourni, il peut fonctionner comme une [[pompe à chaleur]] et fournir de la chaleur ou du froid (y compris du froid [[Cryogénie|cryogénique]]).

Le cycle est ''fermé régénératif'', utilisant un fluide gazeux :
* un cycle fermé est caractérisé par un fluide de travail qui est en permanence contenu dans la machine thermodynamique. Ceci catégorise également un moteur à combustion externe ;
* un système régénératif comprend un échangeur de chaleur interne qui permet d’accroître le rendement thermique de l'appareil.

Le cycle est le même que la plupart des cycles thermiques et comprend quatre phases : 1. compression, 2. chauffage, 3. détente, 4. refroidissement (cf. [[diagramme de Clapeyron]] sur la gauche) :
* points 1 à 2 : détente isotherme. La zone de détente est chauffée par l'extérieur, ainsi le gaz suit une détente isotherme ;
* points 2 à 3 : refroidissement à volume constant ([[Processus isochore|isochore]]). Le gaz passe dans le [[régénérateur]], se refroidit en lui transférant sa chaleur qui sera utilisée pour le cycle suivant ;
* points 3 à 4 : compression isotherme. La zone de compression est refroidie, ainsi le gaz suit une compression isotherme ;
* points 4 à 1 : chauffage isochore. Le gaz circule dans le régénérateur et prélève de la chaleur.

=== Avantages ===

Dans la mesure où il produit peu de vibrations grâce à l'absence d'explosion, de valves qui s'ouvrent et se ferment et de gaz qui s'échappent, le moteur Stirling est silencieux et peu soumis aux contraintes mécaniques, ce qui le rend utile où l'on dispose de chaleur, de froid et où les vibrations sont indésirables, par exemple dans un [[sous-marin nucléaire]].

L'absence d’échange de gaz avec le milieu extérieur le rend utile dans les milieux pollués ou qu'il faut éviter de [[Contamination|contaminer]].

Il est d'un entretien facile du fait de son absence d'échange de matière avec son environnement et de [[réaction chimique]] interne. Pour les mêmes raisons, il se détériore moins qu'un [[moteur à combustion interne]].

Il présente un bon [[Rendement (physique)|rendement]], pouvant avoisiner les 40 %<ref>{{en}} [http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/kiriki/begin/general.html « General discussions of the Stirling engine »], Moteur Stirling conçu par des étudiants de l'université de Saitama, sur le site bekkoame</ref>{{refins}}, tandis que le [[rendement d'un moteur à explosion]] pour usage automobile atteint 35 % pour l'essence et 42 % pour le diesel. Les [[Machine électrique|moteurs électriques]], dont le rendement peut atteindre 99 %, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie dont la qualité n'est pas comparable à celles thermiques ou chimiques utilisées pour les moteurs Stirling ou à explosion (voir la notion d'[[exergie]]). Par ailleurs, l'électricité est difficile à stocker et à transporter avec un rendement proche de 100 %, ce qui est une limite forte pour certaines applications. On peut également discuter du niveau de comparabilité des sources d'énergies utilisées entre moteur Stirling et moteur à explosion, et surtout des écarts de température entre source froide et source chaude pour lesquels sont annoncés les pics de rendement, relativement au pic de [[Cycle de Carnot|rendement de Carnot]].

Le moteur est inversible : un moteur Stirling entraîné par un autre moteur devient une [[pompe à chaleur]] capable de refroidir à {{unité|-200|°C}} ou de chauffer à plus de {{unité|700|°C}}, selon le sens d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz spéciaux avec des propriétés spécifiques, lesquelles leur confèrent des inconvénients pratiques ou chimiques (comme le fréon des machines frigorifiques d'anciennes générations, destructeur de la [[couche d'ozone]]). En pratique, d'ailleurs, c'est la fonction de pompe à chaleur efficace qui permet à quelques machines d'exister.

Il est multi-source. Du fait de son mode d'alimentation en chaleur, ce moteur peut fonctionner à partir de n'importe quelle source de chaleur (combustion d'un carburant quelconque, solaire, nucléaire, voire chaleur humaine).

Il présente une pollution potentiellement plus faible que les moteurs thermiques : la chaleur venant de l'extérieur, il est possible, grâce aux énergies non fossiles, de la fournir de façon moins polluante que dans bien des moteurs thermiques dans lesquels la combustion est imparfaite.

=== Inconvénients ===

Au rang des inconvénients, l'étanchéité des pistons doit être plus importante que dans un [[moteur à combustion interne]] mais cela est plus difficile à réaliser à cause des très fortes variations de température et de la nécessité d'utiliser un gaz le moins visqueux possible, afin de minimiser les pertes par frottement (en particulier dans le régénérateur). L'utilisation d'un gaz très faiblement visqueux, par exemple l'hydrogène, pose souvent des problèmes d'étanchéité. 

Il est de conception délicate ; alors que les moteurs à combustion interne produisent la chaleur directement au sein du fluide, très vite et de façon très homogène, un système Stirling repose sur des [[transfert thermique|transferts thermiques]] entre le gaz et les échangeurs (les deux sources, le récupérateur), alors que les gaz sont des [[isolant thermique|isolants thermiques]] où les  échanges sont très lents. De plus, il faut minimiser le volume « mort » (contenant du fluide qui n'accomplit pas le cycle et donc ne contribue pas au rendement). Tout cela pose des problèmes de [[dynamique des fluides]], problèmes difficiles à résoudre, au niveau des échangeurs, du récupérateur, des tuyaux ou du piston qui permettent le déplacement du gaz au cours du cycle (problèmes de diamètre, de longueur, de turbulences à créer ou éviter{{Etc.}}). 

{{Travail inédit|Le paragraphe suivant semble contenir|date=septembre 2016}}
Il est difficile à commander. L'un de ses inconvénients est le manque de réactivité. Pour faire varier la puissance du moteur on fait en général varier la puissance de chauffe. Or à cause de la grande [[inertie thermique]] des échangeurs, l'augmentation de puissance est beaucoup plus lente que celle des moteurs à combustion interne courants. La variation de régime de ce moteur est difficile à réaliser, car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail ou en augmentant la chaleur de la source chaude, ou en diminuant celle de la source froide. Cet inconvénient peut se corriger, à l'aide de procédés tels qu'une [[boîte de vitesses]] dans le cas de l'entraînement d'un arbre de transmission vers des roues, ou de changement de pas dans celui de l'entraînement d'une hélice. C'est pourquoi le moteur Stirling est considéré comme ayant une très mauvaise aptitude à produire une puissance et un couple variables, inconvénient considéré comme très important pour la propulsion automobile, notamment, alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cependant cet inconvénient pourrait se réduire dans le cas d'un « système hybride » (le moteur marche alors à régime constant, la modulation de puissance étant prise en charge par le système électrique), mais ils sont encore rares. Sur un bateau ou un avion à [[hélice]] à pas variable, ceci n'est cependant pas un inconvénient. On pourrait également imaginer un robinet placé sur le tuyau séparant les deux pistons, qui pourrait au besoin diminuer le rendement, donc la vitesse, en étant plus ou moins fermé. Cette idée présente par contre le défaut de gaspiller de l'énergie thermique, puisque c'est le rendement qui diminue et qu'autant de combustible est consommé. Il faudrait donc pour les grandes périodes de ralenti coupler ce robinet à un réglage du débit de combustible de façon à progressivement diminuer la quantité de combustible et rouvrir le robinet de rendement jusqu'à une valeur relativement élevée (mais pas maximum, afin de garantir de la reprise lors d'une augmentation de puissance). Ainsi, lors d'une accélération, on pourrait avoir immédiatement un meilleur rendement, donc plus de vitesse, et peu après récupérer en plus l'énergie fournie par l'augmentation de carburant.

Il est enfin d'un prix élevé : n'ayant aujourd'hui que peu d'applications en grande série (voir générateurs Whispergen), contrairement au moteur à combustion interne, il est bien plus cher ; de plus, pour la même raison, les industriels ne lui accordent pas le même intérêt en matière de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible). Cette situation pourrait évoluer favorablement avec le développement des recherches sur la production d'énergie et particulièrement sur celles concernant les énergies renouvelables.

== Utilisation ==

[[Fichier:EuroDishSBP front.jpg|vignette|En Espagne, à la [[Plataforma Solar de Almería]], moteur Stirling installé au [[Foyer (optique)|foyer]] d'un miroir parabolique.]]
Le moteur Stirling a des applications de niches, dans des situations où le coût initial du système n'est pas un inconvénient grave par rapport aux avantages (applications militaires, de recherche, de pointe).

* La principale application commerciale du moteur Stirling est dans le domaine de la [[réfrigération]] industrielle et militaire. Il sert de machine pour la [[liquéfaction]] des gaz et comme refroidisseur pour les systèmes de guidage militaire infrarouge.
* Il est utilisé comme [[Générateur électrique|générateur d'électricité]] en [[Islande]], au [[Japon]] et dans les milieux extrêmes tels que les déserts [[australie]]ns et [[arctique]]s par de nombreuses missions scientifiques et militaires.
* Il est utilisé en association avec une parabole sphérique pour générer de l'électricité à partir de l'[[énergie solaire]]. Ce système est couramment appelé [[Moteur solaire#Moteur solaire à air chaud et à parabole sphérique ou Stirling Dish|« ''{{lang|en|stirling dish}}'' »]].
* Il est utilisé par les marines suédoises ([[sous-marin]]s de [[Classe Gotland]]), australiennes et bientôt les [[sous-marin]]s d'attaque américains{{Référence nécessaire||date=octobre 2019}} en tant qu'ensemble propulseur principal, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la bien plus faible production de gaz imbrûlés nécessaire à l'apport d'un gradient thermique (une différence de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin en plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les comprimant à une pression au moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (et donc gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.
* Ce moteur équipe aussi certaines classes de [[frégate (navire)|frégates]] américaines, le système de refroidissement du [[réacteur nucléaire]] de nombreux sous-marins et [[porte-avions]] ainsi que des [[drone]]s à grande autonomie.
* En raison de sa capacité polycarburant il a été testé avec succès par l'URSS sur quelques prototype de chars lourds dont l'{{lnobr|object 167}} avant d'être abandonné pour des raisons d'ordre politique autant qu'économique, lors du passage à l'[[économie de marché]] à la chute du bloc soviétique.
* La [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]] compte l'utiliser pour fournir de l'énergie aux [[satellite artificiel|satellites]] et [[sonde spatiale|sondes spatiales]], en test dans le [[Kilopower|projet KRUSTY]].
* Le constructeur de cartes mères d'[[ordinateur personnel]] MSI a présenté début 2008 un système de refroidissement dont le ventilateur est actionné par un moteur Stirling utilisant comme source de chaleur l'énergie dégagée par la puce à refroidir<ref>{{en}} [https://gizmodo.com/362646/msi-motherboard-fan-powered-without-electricity Ventilateur Stirling de MSI]</ref>.
* La plupart des grands constructeurs de chaudières proposent en 2009 une centrale de [[microcogénération|micro-cogénération]] utilisant un moteur Stirling. Ce type de chaudière de la taille d'un chauffe-eau permet non seulement de [[Chauffage de l'eau|chauffer de l'eau]] à utilisation domestique (chauffage, [[eau chaude sanitaire]]) mais également de produire de l'électricité localement<ref>[http://lamaisonecologique.com/ Revue La Maison écologique], numéro de février-mars 2009 {{ISSN| 1634-5460}}</ref>.
* Nombre d'exemplaires sont utilisés à des fins pédagogiques en classe de physique pour démontrer les principes de la [[thermodynamique]]. Certains fonctionnant grâce à la chaleur du Soleil concentrée par une parabole à l'instar des modèles utilisés dans certaines [[Centrale solaire thermodynamique|centrales solaires]] produisant de l'électricité, d'autres ne nécessitant que la chaleur d'une tasse à café ou celle de la paume d'une main pour fonctionner<ref>[http://www.sunmachine.fr/prod_solar.htm chez Sunmachine]. [https://www.youtube.com/watch?v=nq6iCO9KLKA Vidéo]</ref>{{,}}<ref>[http://www.cleanergyindustries.com Cleanergy]</ref>.

== Types de moteur Stirling ==

=== Stirling alpha ===

Un '''Stirling alpha''' contient deux pistons de puissance séparés, un piston « chaud », et un piston « froid ». Le piston chaud est situé près de l'échangeur avec la plus haute température, et le piston froid est situé près du point d'échange de température la plus basse.

Ce type de moteur a un ratio puissance-volume très élevé, mais a des problèmes techniques, liés (fréquemment) aux températures trop élevées du piston chaud pour ses joints.

Ci-dessous un schéma de moteur Stirling alpha (explications pour une rotation dans le sens horaire). Un [[Régénérateur|récupérateur]] de chaleur est présent dans le tuyau, mais n'est pas représenté.
<gallery perrow="4" widths="150">
Image:Alpha Stirling frame 12.svg|1. Le gaz de travail, chauffé au contact des parois du {{rouge|cylindre chaud}}, tend à occuper plus de place et repousse le {{rouge|piston chaud}} au fond de sa course (vers la gauche). Lorsqu'il est arrivé en butée, l'expansion du gaz se poursuit en direction du {{bleu|cylindre froid}} et repousse le {{bleu|piston froid}} (vers le haut). Ces mouvements sont transmis à la roue.

Image:Alpha Stirling frame 16.svg|2. Le gaz est maintenant à son volume maximal. La roue transmet son mouvement au {{rouge|piston chaud}} (vers la droite), ce qui envoie la plus grande partie du gaz vers le {{bleu|cylindre froid}}, où il va se refroidir.

Image:Alpha Stirling frame 4.svg|3. Presque tout le gaz est maintenant dans le {{bleu|cylindre froid}} et le refroidissement du gaz continue. La pression du gaz est à son minimum. Il se contracte et le {{bleu|piston froid}} redescend.

Image:Alpha Stirling frame 8.svg|4. Le gaz est maintenant à son volume minimum et le {{rouge|piston chaud}} est tiré vers la gauche par la roue et les transmissions. Le gaz est ainsi aspiré dans le {{rouge|cylindre chaud}}. Comme il se réchauffe, son volume augmente et le cycle recommence.
</gallery>

=== Stirling bêta ===

[[File:Animrhombor.gif|thumb|200px| Principe du moteur Stirling bêta à entraînement rhombique. Cet appareil est muni d'un ''régénérateur''.]]

Un '''Stirling bêta''' utilise également un volume de gaz délimité entre deux pistons.
Ces deux pistons combinent :
* un mouvement relatif lors du changement de volume du gaz ;
* un mouvement commun qui déplace ce volume de la partie chaude vers la partie froide, et vice-versa.

Les volumes situés de l'autre côté des pistons ne sont pas fonctionnels. Sur l'illustration du haut de page, on aperçoit d'ailleurs l'orifice de communication de l'un de ces volumes avec l'extérieur. Les pistons sont donc tous les deux étanches. Le principe du moteur beta s'approche en réalité de celui du moteur gamma, à la différence que les deux zones chaude et froide sont situées dans le même cylindre. Les avantages sont la compacité et l'absence de perte aérodynamique {{Référence nécessaire|date=9 mars 2016}} ; l'inconvénient principal provient des pertes thermiques par conduction.

Il existe des moteurs Stirling à pistons coaxiaux, qualifiés également de moteur bêta, dont l'un des deux pistons n'est pas étanche : il joue alors le rôle de déplaceur, et le volume situé au-dessus du déplaceur est fonctionnel. Ces moteurs s'apparentent donc aux moteurs gamma décrits ci-après, mais sans [[volume mort]].

=== Stirling gamma ===

[[Fichier:MM-7 Stirling Engine.jpg|thumb|left|200px|Moteur Stirling de type ''gamma'' fonctionnant grâce à la différence de température entre l'air ambiant et la paume de la main<ref>[http://www.animatedengines.com/ltdstirling.html Animation montrant le principe de ce type de moteur (légende en anglais)].</ref>.]]

Un '''Stirling gamma''' est un moteur stirling doté d'un piston de puissance et d'un piston jouant à lui seul le rôle de déplaceur. Seul le piston moteur dispose d'un système d'étanchéité.

Le déplaceur occupe successivement la zone chaude et la zone froide, chassant à chaque fois le gaz vers la zone opposée. Les variations de température que le gaz subit alors engendrent des variations de pression qui mettent en mouvement le piston moteur.

Le volume balayé par le déplaceur ne pouvant nécessairement pas être balayé par le piston de puissance, il constitue un volume mort. Pour cette raison, le moteur Gamma ne peut pas atteindre des rapports de compression élevés, ce qui limite les possibilités de rendement. Il peut cependant fonctionner à de faibles différence de température, comme l'a démontré {{lien|Ivo Kolin}}. En revanche, sa simplicité mécanique en fait un système largement utilisé, également sur les moteurs à plusieurs cylindres.

Certains moteurs Gamma ont un déplaceur étanche : le gaz emprunte donc un circuit externe pour passer d'une zone à l'autre ; il est alors possible de placer un régénérateur sur ce circuit extérieur, augmentant le rendement.

== Autres évolutions du principe ==

[[Fichier:Animation TDC 01 jeff.gif|vignette|Générateur Stirling-Juillet à piston libre entraînant un alternateur linéaire.]]

De nombreuses déclinaisons ont été proposées<ref>[http://www.moteurstirling.com/autres.php Autres moteurs], sur moteurstirling.com</ref> :
* un moteur à piston libre et à alternateur linéaire a été inventé par le thermodynamicien Hubert Juillet et breveté à l'INPI le {{date-|4|septembre|1967}} sous le {{n°|P.V.190063}}{{refnec|date=mars 2019}}. Ce moteur a été modifié par la suite en y ajoutant des pièces élastiques en remplacement de pièces mécaniques et opérant sous un cycle Stirling (dessin de la NASA{{refnec|date=mars 2019}}). En 2015, ce générateur Stirling-Juillet est produit industriellement, par la société Microgen Engine Corporation limited, et commercialisé pour la [[microcogénération]] par la société [[Viessmann]]<ref>{{Lien web |url=http://www.viessmann.ch/fr/habitations/produits/mikro-kwk.html |titre=Micro cogénération gaz à moteur Stirling |site=[[Viessmann]].ch |consulté le=21 janvier 2015}}.</ref> et la société [[De Dietrich]]<ref>{{Lien web |langue=fr |titre=De Dietrich Hybris Power chaudière condensation écogénérateur gaz |url=https://www.picbleu.fr/page/de-dietrich-hybris-power-chaudiere-ecogenerateur-au-gaz |site=Picbleu |date=27/11/2018 |consulté le=2019-03-19}}.</ref> ;
{{Voir aussi|Moteur à pistons libres}}
* la fluidyne est une pompe à moteur Stirling dont les clapets sont les seules pièces mécaniques en mouvement<ref>{{en}} [http://www.infiniacorp.com/howitworks.html How a Stirling engine works], sur infiniacorp.com (consulté le 18 avril 2012).</ref> ;
* le montage de moteurs Stirling en série permet à chaque piston de jouer le double rôle de déplaceur et de moteur : par exemple, le moteur Franchot comporte deux pistons à double effet et le moteur Siemens quatre<ref>Thierry Raballand, ''[http://www.moteurstirling.com/pdf/franchot.pdf Étude de faisabilité d’un concept d’étanchéité pour machines volumétriques à pistons oscillants]'' {{pdf}}, rapport de stage, 2007, page 6.</ref>{{refins|date=mai 2023}} ;
* la transposition au moteur rotatif (voir [[quasiturbine]]) du principe du moteur Stirling permet de combiner des cycles en séries dans un mouvement rotatif unique ;
* le [[moteur Stirling-Vuilleumier]] utilise des fluides de travail mis en commun, mais son cycle thermodynamique n'est plus celui du moteur Stirling et aborde une autre catégorie de moteurs à combustion externe ;
* [[Fichier:FilmEN.gif|alt=|vignette|Moteur Stirling à double tours]]le moteur Stirling à double tour, conçu en 2020 et non encore expérimenté, repose sur le transfert de chambre en chambre d'un volume de gaz pour lui faire subir les quatre phases du cycle de Stirling. Chaque phase se déroule sur un demi-tour de moteur. Un échangeur à contre courant, travaillant aussi sur un demi-tour de moteur, remplace le régénérateur et permet de transférer la chaleur durant les phases de réchauffement et de refroidissement. Comme les quatre phases du cycle de Stirling ont lieu simultanément, le transfert de chaleur est immédiat. Les sources chaudes et froides sont distinctes, sauf pour l'échangeur puisque sa paroi interne permet le transfert de chaleur. En isolant complètement ce moteur, il ne permet pas  la [[cogénération]] <ref>{{Lien web |langue=fr |auteur=Pierre Lecanu |titre=Moteur Stirling à double tours |url=http://www.cyberquebec.ca/normandajc/indexfr.html |site=cyberquebec.ca |date=15/08/2020 |consulté le=02/11/2020 }}.</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Pierre normandajc |nom1=Lecanu |prénom2=Joël |nom2=Bréard |prénom3=Jean-Michel |nom3=Reboul |prénom4=Jérôme |nom4=Thiebot |titre=Innovative new type of Stirling engine |périodique=(prépublication) |date=2021-02 |lire en ligne=https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02977390/document |résumé=https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02977390 |consulté le=2020-11-02 |format=pdf}} sur [[Hyper Articles en Ligne]].</ref>{{source secondaire nécessaire|date=novembre 2020}}.

== Notes et références ==
{{Références}}
{{Traduction/Référence|en|Stirling cycle|285689891}}

== Annexes ==
{{Autres projets
| commons = Category:Stirling_engines
| wikiversity = Machines_thermiques/Cycles_thermodynamiques#Cycle_de_Stirling
| wikiversity titre = Cycle de Stirling
| wiktionary = moteur Stirling
}}

=== Articles connexes ===
{{colonne|taille=20|
* [[Énergie solaire thermique]]
* [[Froid Stirling]]
* [[Générateur Stirling à radioisotope]]
* [[Microcogénération]]
* {{Page h|Moteur à air chaud}}
* [[Moteur à pistons libres]]
* [[Moteur à vide]]
* [[Moteur Ericsson]]
* [[Moteur Stirling-Vuilleumier]]
* [[Poêle de masse rocket]]
* [[Propulsion alternative]]
* [[Thermodynamique]]
}}

=== Bibliographie ===
* Bonnet, S. (2005). ''[http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/11/01/17/PDF/These.pdf Moteurs thermiques à apport de chaleur externe: étude d'un moteur STIRLING et d'un moteur ERICSSON]'' (Doctoral dissertation, Université de Pau et des Pays de l'Adour), PDF, 178 pp.
* Lemrani H(1995), ''Modélisation énergétique des moteurs Stirling'', Thèse de doctorat, école des mines de Nantes ([http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=174530 résumé Inist/CNRS])
* Martaj, N. (2008) ''Modélisation énergétique et exergétique, simulation et optimisation des moteurs Stirling à faible différence de températures: confrontations avec l'expérience'' ; Doctoral dissertation, Université Paris Ouest Nanterre La défense ([http://www.theses.fr/2008PA100184 résumé])
* Nepve, F, Ferrière A, Daumas-Bataille F, Verdier I & Lefevre P (2007), [http://gsite.univ-provence.fr/gsite/Local/sft/dir/user-3775/documents/actes/Congres_2007/communications/331.pdf ''Modélisation énergétique du système Parabole/Stirling EURODISH de production d’électricité''] ; Congrès Français de Thermique, SFT 2007, Île des Embiez, {{date-|29 mai}}-{{date-|1 juin 2007}}

=== Liens externes ===
* {{Autorité}}
* {{Dictionnaires}}
* [http://leakystirling.free.fr Introduction au principe du moteur Stirling], sur leakystirling.free.fr
* [http://www.moteurstirling.com/biblio.php Bibliographie moteur Stirling], sur moteurstirling.com
* [http://www.blooo.fr/ Site et forum de passionnés - constructeurs de moteurs Stirling], sur blooo.fr
* [http://cogeneration.discutforum.com/t35-stirlingpedia-comprendre-le-moteur-stirling Forum sur la micro-cogénération à moteur Stirling en France !], sur cogeneration.discutforum.com
* [http://www.picbleu.fr/page/microcogeneration-a-gaz-ecogenerateurs-et-moteur-stirling microcogénération et moteur stirling], sur picbleu.fr
* Thierry Raballand, ''[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/Bibliographie_moteur_STIRLING.pdf Bibliographie sur les machines thermiques à cycle de Stirling]'' {{pdf}}, 2023

{{Palette Cycles thermodynamiques}}
{{Portail|génie mécanique|histoire des sciences|énergie|industrie}}

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[[Catégorie:Cycle thermodynamique]]
[[Catégorie:Moteur à combustion externe]]
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