I. Présentation des moteurs :

 

          1.  L’Automobile

 

Tandis que monsieur Lavoisier démontre en 1789 qu’aucune combustion ne peut être faite sans oxygène, une « nouvelle ère  industrielle »commença. C’est à la suite de ce constat que la recherche autour des moteurs commence à prendre un réel essor.

En 1816, le pasteur Ecossais Robert Stirling invente un moteur à air chaud susceptible d'utiliser toutes les sources de chaleur. Plus tard, en 1859, Etienne Lenoir invente le premier moteur à combustion interne à 2 temps : un monocylindre à allumage commandé utilisant de l’air comprimé, ainsi que du gaz houille comme carburant. Ce moteur utilisera le cycle thermodynamique de « Lenoir ».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ensuite, Le cycle de « Beau de Rochas » ou cycle à quatre temps apparaît. C’est un cycle thermodynamique théorique. Son principal intérêt pratique réside dans le fait que les moteurs à combustion interne à allumage commandé, généralement des moteurs à essence tels que ceux utilisés dans les automobiles, ont un cycle thermodynamique pratique qui peut être représenté de manière approchée par le cycle de Beau de Rochas. Son principe a été défini par Beau de Rochas en 1862 puis mis en œuvre avec succès par Étienne Lenoir(1863).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le cycle est composé de quatre transformations successives :

 

• A à B : Compression adiabatique réversible

• B à C : Combustion isochore réversible

• C à D : Détente adiabatique réversible

• D à A : Refroidissement isochore réversible

 

Nikolaus Otto décrit initialement en 1876, la course du piston en un mouvement de haut en bas dans un cylindre. Le brevet d'Otto a été infirmé en 1886 après que l'on eut découvert que Alphonse Beau de Rochas avait déjà décrit en 1862 le principe du cycle à quatre temps dans une brochure à diffusion privée, mais dont, cependant, il avait déposé le brevet.

 

Tandis que le monocylindre ne cesse de se décliner et de s’améliorer, les constructeurs Panhard et Levassor décident de coupler 4 cylindres pour en faire un moteur polyvalent et robuste. À ce moment là, le secteur de l’automobile généralise ce type de moteur (multicylindres) à toute la gamme. Depuis ce jour, le moteur à 4 cylindres est très souvent rencontré (économique, fiable et performant) et a connu des variantes tels que le V4 de chez Peugeot ou encore le flat 4 de chez Subaru qui est un moteur à 180°. La méthode s’appliquant à 4 cylindres, on peut également augmenter le nombre de cylindres, leur taille, avec différentes architectures pour l’essence comme pour le diesel.

 

Au fil du temps, les architectures des moteurs se transformeront :

 

• les cylindres en V (avec 6, 8, 10, 12, 16 cylindres et différentes inclinaisons)

• moteurs en lignes (moteurs les plus connus)

• moteur rotatif (type Wankel, développé surtout par Mazda)

• moteur à plat (Porsche, Subaru, Citroën et sa 2cv)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Entre 1893 et 1897, Rudolf Diesel invente un nouveau moteur alimenté par du gasoil, carburant plus lourd que l’essence, et utilisant un procédé de combustion différent de celui de l’essence. En effet, grâce à un taux de compression plus élevé, le mélange air/carburant peut s’auto-enflammer et atteindre des températures de 600 à 700 degrés. Avec une architecture proche de celle de l’essence, le système d’injection/Inflammation du mélange est la seule différence notable entre ces deux moteurs (système de traitement des gaz d’échappement également différent).
Ce moteur est surtout exploité pour son aspect économique (faible consommation de carburant), car il propose des performances équivalentes voire supérieures que son concurrent, notamment dans le domaine du poids lourd (couple plus important que les moteurs essence à cylindrée équivalente). Malheureusement, la plage de régime d’utilisation étant plus faible et le coût de production plus élevé, il ne se place qu’en concurrent, et non remplaçant, du moteur essence.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le cycle est composé de quatre transformations successives :

• A à B : Compression adiabatique réversible

• B à C : Combustion isobare réversible

• C à D : Détente adiabatique réversible

• D à A : Refroidissement isochore réversible

 

 

Aujourd’hui,  nous arrivons à un croisement des objectifs recherchés en terme d’innovation : consommation, pollution, performances. Alors que des solution alternatives comme l’électrique ou encore l’hybride ne cessent de se développer, Toyota, leader mondial de l’hybride s’est chargé d’utiliser le cycle thermodynamique d’Atkinson avec son véhicule hybride : la prius. Avec un cycle de détente plus long que la compression, ce cycle permet de récupérer le plus d’énergie mécanique possible.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mais depuis 2000, une société en partenariat étroit avec l’état et PSA développe le moteur MCE 5. 
Le MCE-5 est un type de moteur à compression variable VCR (Variable Compression Ratio). Il s'agit d'un moteur fonctionnant sur le principe d'un moteur à allumage commandé dont le volume de la chambre de combustion varie continûment en fonction de la charge du moteur. Pour cela, le moteur utilise un mécanisme classique bielle-manivelle associé à des engrenages à longue durée de vie, réalisant un piston à la cinématique parfaitement verticale, débarrassée des contraintes radiales, principale source de frottements. Ce qui en fait un moteur incroyablement performant, économique et peu polluant : probablement l’avenir des MCI.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          2 .  L’Aviation

 

Avant les frères Wright, bien d'autres ingénieurs avaient essayé mais sans succès, car leurs moteurs, généralement des moteurs à vapeur, étaient bien trop lourds et pas assez puissants. Parmi ceux-là on peut citer les Français Félix du Temple et Clément Ader, dont on oublie souvent qu'ils ont surtout travaille, à la fin du XIXème siècle à réduire le poids du moteur à vapeur qu'ils voulaient monter sur leurs appareils.

Rapidement, les premiers pionniers comprirent que le moteur était essentiel pour parvenir à leurs fins. Souvent, ils élaborèrent leurs projets autour des propulseurs déjà existants. Le plus souvent utilisé fut au début le moteur "Antoinette" car au moment où il apparut, il répondait à l'attente des inventeurs.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le Rolls-Royce Merlin

Dérivé du moteur Rolls-Royce R, réalisé à la fin des années trente, le Merlin fut construit à plus de 150 000 exemplaires et équipa les avions anglais les plus prestigieux de la seconde guerre mondiale du Hawker Hurricane au Avro Lancaster, en passant par le Spitfire ou encore le Mosquito. C'était un moteur à douze cylindres en V, refroidi par liquide et suralimenté. Les premières versions annonçaient une puissance de 990 ch, mais les dernières versions dépassaient 2 000 ch.Le Merlin fut vraiment le moteur de la victoire pour la Royal Air Force.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Après de loyaux services, l’aviation intégrera un nouveaux type de moteurs, plus puissants, plus vifs, avec une architecture et un principe de fonctionnement totalement différent : la turbine. Pour cela nous prendrons pour exemple le turboréacteur à double flux.

 

Tous ces moteurs, dérivés des moteurs automobiles, fonctionnent de la même manière que leurs cousines à 4 roues. À ceci près que les réglages des plages d’utilisation, ainsi que les puissances sont relativement différentes. Si l’on revient sur les architectures existantes sur les aéronefs, on retrouve :

• Les moteurs en ligne

• Les moteurs en étoile

• Les moteurs à plat

• Les moteurs en V

 

Le turboréacteur à double-flux :

 

Le turboréacteur à double flux (voir ci-dessus) n'est pas toujours à double corps. Les anciennes générations possédaient un seul arbre pour entraîner la turbine BP et HP. Aujourd'hui, les réacteurs à double flux possèdent généralement deux, voire trois corps, afin de permettre des vitesses de rotation différentes pour les aubes du flux secondaires, le compresseur BP et le compresseur HP.

 

Ce type de moteur (appelé aussi couramment turbofan) associe un turboréacteur « pur » à travers lequel circule le flux primaire, flux chaud, et une roue à aubes qui entraîne le flux concentrique secondaire, flux froid. Le rapport entre flux chaud et flux froid est appelé taux de dilution. Dans un turbofan à haut taux de dilution, à pleine puissance (au décollage), la soufflante produit environ 80 % de la poussée.

Le rendement de propulsion maximum de 70 % est obtenu vers Mach 0,8. Il est proportionnel au taux de dilution. Lorsqu'un avion vole à Mach 0,8, l'air ne circule pas à la même vitesse sur l'ensemble de la structure et des phénomènes transsoniques peuvent se produire. Les vitesses de l'ordre de Mach 0,8 - 0,9 sont donc devenues la norme pour la quasi-totalité des avions de transport civil, ce qui explique le grand développement de ce type de propulseur.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          3 .  Autres

 

Hors mis les moteurs à combustion interne et externe alliant des carburants fossiles, on retrouve à l’époque des locomotives le légendaire moteur à vapeur.

La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du 20ÈME siècle. C'est un moteur à combustion externe qui transforme l'énergie thermique de la vapeur d'eau (produite par une ou des chaudières) en énergie mécanique.

Comme première source d'énergie mécanique maîtrisée par l'Homme (contrairement à l'énergie de l'eau, des marées ou du vent, qui nécessitent des sites spéciaux et que l'on ne peut actionner facilement à la demande), elle a eu une importance majeure lors de la Révolution industrielle. Mais au 20eme siècle, la machine à vapeur a été supplantée par la turbine à vapeur, le moteur électrique et le moteur à combustion interne pour fournir de l'énergie mécanique.

Du volant repart une biellette commandant le tiroir d'admission et d'échappement. Quand le piston arrive au bout du cylindre, la biellette repousse le tiroir :

 

• Dans le cas du cylindre simple effet, le tiroir referme la lumière d'entrée de la vapeur et du même côté ouvre une autre lumière pour laisser s'échapper la vapeur contenue dans le cylindre. Le volant, par l'énergie cinétique accumulée, continue de tourner, repoussant ainsi le piston au point de départ.

 

• Dans un cylindre à double effet, le tiroir ouvre, en plus, une lumière d'admission pour la vapeur de l'autre côté, elle repousse le piston qui continue sa poussée sur le volant.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Alors que le contexte écologique actuel impose des normes toujours plus dures envers les constructeurs, il est important de pallier aux soucis de pollutions des moteurs essences et diesel, en réfléchissant à des solutions alternatives : hybrides, électriques, hydrogène.

Tandis que d’autres acteurs du secteur souhaitent améliorer les systèmes actuels, afin d’aboutir à un nouveau moteur (diesoto ou encore MCE-5), certains laboratoires revisitent les innovations du passé avec les moyens d’aujourd’hui : c’est le cas du moteur Stirling.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Le Moteur STIRLING

 

    1. Présentation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Toutefois le moteur n’eut pas le succès espéré, car le moteur à explosion fit son apparition et s’imposa largement, et la découverte de Stirling fut oubliée. Il fallut attendre 1938 pour que la société Philips investisse dans le projet, qui prit ensuite le nom de : « moteur de Stirling ». À cette époque, une application majeure fut développée dans l’automobile, avec un moteur de 200 cv et un rendement supérieur à 30 %. Mais pour des raisons de compétitivité, la période est révolue.

Etant donné les avantages de ce moteur, en particulier son fonctionnement écologique, un retour éventuel peut désormais être envisagé pour diverses applications.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          a. Les développements du moteur Stirling au cours de l’histoire

 

• La première phase de développement

 

La première phase de développement du moteur Stirling débuta en 1816 suite à l’invention par Robert Stirling du premier moteur à combustion externe à cycle régénéré. Plus sûr que les machines à vapeur grâce à l’absence de chaudière fortement pressurisée, ce moteur connut un réel succès jusqu’au début du XXème siècle.

James Stirling, le frère de l’inventeur, fut le premier à industrialiser ce moteur en 1843 dans l’usine où il était ingénieur. En 1853, John Ericsson construisit un moteur Stirling quatre cylindres, avec un alésage de 4,2 m et une course de 1,5 m, pour une application maritime [16]. La puissance de ce moteur était de 220 kW à 9 tr/min.

Jusqu’au début du XXème siècle, le moteur Stirling était très utilisé dans l’industrie et dans les campagnes où il servait de pompe ou de moteur d’entrainement pour les machines. Au début des années 1920, l’arrivée des moteurs à combustion interne, puis des moteurs électriques (ne souffrant pas des mêmes freins technologiques tels que les résistances des matériaux aux hautes températures, ou le manque de flexibilité du régime), stoppa l’essor du moteur Stirling.

 

 

• La deuxième phase de développement

 

À la fin des années 1930, la société hollandaise Philips lança un important programme de recherche sur le moteur Stirling. L’apparition de nouveaux matériaux, tels que les aciers inoxydables, et les progrès scientifiques en thermique et mécanique des fluides ont permis d’initier une phase de développement de haute technologie du moteur Stirling.

Dans un premier temps, l’objectif de Philips était de développer un petit groupe électrogène permettant d’améliorer la portabilité des premiers postes de radio.

Pour ce type d’application, le faible bruit et le régime stationnaire des moteurs

Stirling étaient des points forts. Cependant le développement des transistors permit d’alimenter les postes de radio grâce à des piles ou des batteries et le marché ciblé par Philips disparut. L’entreprise hollandaise réorienta alors ses recherches sur des moteurs de puissance plus élevée ainsi que sur une autre utilisation du cycle Stirling : l’utilisation en machine frigorifique ou pompe à chaleur.

C’est ainsi que dans les années 1940, des machines frigorifiques fonctionnant sur un cycle de Stirling inverse descendant à -200°C furent développées. Parallèlement, des contrats avec Général Motors, puis dans les années 1970 avec Ford Motor Company, permirent de développer un moteur automobile de 127 kW, testé sur une Ford Gran Torino. Malheureusement, le manque de réactivité du moteur handicape fortement ce type de motorisation. Le dernier système basé sur le cycle Stirling conçu par la société Philips fut une pompe à chaleur en 1979. Les technologies développées durant ces 40 années de recherches ont été reprises par un groupe d’anciens salariés de chez Philips, ainsi que d’autres sociétés ayant collaboré au programme.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Parallèlement au programme de Philips, la NASA s’intéressa aussi au moteur

Stirling. Son champ de recherche concernait tout d’abord la génération d’énergie électrique dans l’espace, pour remplacer les cellules photovoltaïques encombrantes et ayant un faible rendement. Elle a également étudié l’application du moteur Stirling pour la propulsion de véhicules terrestres.

Le moteur Stirling possède de nombreux avantages par rapport aux autres convertisseurs d’énergie actuellement utilisés : grande flexibilité pour la source d’énergie alimentant le moteur (de la chaleur), silence d’utilisation, rendement élevé. Ses défauts (temps de réponse important aux changements de régime ou de charge, difficulté d’étanchéité, difficulté d’isolation thermique des différentes parties) sont certainement à l’origine de sa difficulté à percer. Cependant les conditions écologiques et économiques actuelles, ainsi que les progrès techniques notamment dans le domaine des matériaux, relancent l’intérêt de ce type de système.

 

 

          b. L’état actuel du développement du moteur Stirling

 

La prise de conscience actuelle de l’épuisement des ressources énergétiquestraditionnelles, telles que les énergies fossiles, et du réchauffement climatique dynamise la recherche d’énergies alternatives ou de convertisseurs à haut rendement. C’est dans ce contexte que le moteur Stirling pourrait enfin exploiter tout son potentiel.

De nombreux chercheurs ont étudié l’utilisation du moteur Stirling comme source d’énergie portable ou pour des lieux isolés. Ainsi Trayser et Eibling ont étudié la faisabilité d’un générateur d’électricité de 50 W utilisant un moteur Stirling solaire. Podesser quant à lui a étudié la possibilité d’utiliser des déchets agricoles pour actionner un moteur Stirling de quelques kilowatts. Des recherches sont également menées, notamment à Odeillo en France, sur les moteurs Stirling solaires, la source chaude est alors produite par une parabole solaire.

Après 200 ans de développement discontinu, certaines applications concrètes du moteur Stirling ont vu le jour. Sa principale application industrielle est la cogénération domestique. Par exemple Whispergen et Sunmachine ont développé des modules utilisant des moteurs Stirling permettant la production d’électricité et d’eau chaude, initialement développés pour des habitations isolées ou des bateaux. Ces modules peuvent être utilisés dans le résidentiel en remplacement du Moteur Stirling solaire étudié par le CNRS, dans le cadre du programme "EuroDish" à Odeillo d’une chaudière à gaz classique.

Une autre application développée est la propulsion de sous-marins. La société Kockums a développé dans les années 1980 un moteur Stirling, qui, après avoir fait ses preuves sur le sous-marin SAGA, équipe actuellement trois sous-marin suédois de classe Gotland ainsi que les sous-marins japonais Soryu. C’est cependant en fonctionnement inverse, en cycle frigorifique, que le cycle Stirling est le plus utilisé, notamment pour refroidir les caméras infrarouges.