Moteur Stirling - Définition
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Autres évolutions du principe
De nombreuses déclinaisons ont été proposées :
- Des pièces élastiques remplaçant les pièces mécaniques solides : membrane, gaz ou liquide, ils permettent d'obtenir des moteurs à pistons libre, à déplaceurs libre, ou les deux. On peut noter aussi le cas d'une pompe à moteur Stirling appelé fluidyne dont les clapets sont les seuls pièces mécaniques en mouvement, voir aussi le moteur Infinia.
- Le montage de moteur Stirling en série permet à chaque pistons de jouer le double rôle déplaceur et moteur c'est le cas du moteur « double effet » par exemple.
- La transposition au moteur rotatifs (voir quasiturbine) du principe du moteur Stirling permet de combiner des cycles en séries dans un mouvement rotatif unique.
On trouve également comme évolution la mise en commun des fluides de travail, c'est le cas du Moteur Stirling-Vuilleumier, mais le cycle thermodynamique n'étant plus celui propre au moteur Stirling, on aborde alors une nouvelle catégorie de moteur à combustion externe.
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).
1. Le gaz de travail, chauffé au contact des parois du cylindre chaud (en rouge), a vu son volume augmenter. L'expansion du gaz a poussé le piston chaud au fond de sa course dans le cylindre (ici vers la gauche). L'expansion du gaz se poursuit alors vers le cylindre froid (en bleu), dont le cycle est en retard de 90° par rapport au cylindre chaud. | 
2. Le gaz est maintenant à son volume maximal. Le piston chaud (rouge) envoie la plus grande partie du gaz vers le cylindre froid (bleu), où s'amorce le refroidissement. | 
4. Le gaz est maintenant à son volume minimum, va se réchauffer de nouveau dans le cylindre chaud : son volume augmente, il repousse ainsi le piston chaud, et le cycle recommence. |
Stirling bêta
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 ; les inconvénients sont la perte thermique par conduction, et aussi l'impossibilité d'utiliser un régénérateur.
Il existe des moteurs Stirling à pistons coaxiaux, qualifiés également de moteur Beta, 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
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. 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.
