A cette époque, il arrivait fréquemment que des
chaudières à vapeur explosent et fassent des victimes. Les problèmes de
conception, la qualité encore médiocre des matériaux, une quasi-absence de
règles d'utilisation et de maintenance sont à l'origine de ces sinistres.
Ceci a probablement motivé Robert Stirling à
imaginer un moteur sans chaudière soumise à de trop fortes pressions.
Le principe de fonctionnment est relativement simple : la combustion
est externe, le fluide principal est de l'air à une modeste pression et est
soumis à 4 cycles : chauffage, détente, refroidissement puis compression.
Robert Stirling eut également l'idée d'un régénérateur de chaleur permettant d'améliorer le rendement global de l'installation. En bon écossais, il appelait cet appareil un "économiseur".
Son frère James "industrialisa" ce moteur en 1843
pour une utilisation dans l'usine où il était ingénieur.
Cette invention eut
d'autres applications dans le monde agricole et dans l'industrie jusqu'en 1922
pour pomper de l'eau ou entraîner des générateurs de courant électrique.
Cependant, elle ne connut pas tout l'essor que Robert Stirling et son frère
James auraient pu souhaiter, probablement pour des raisons de compétitivité. La
machine à vapeur, pourtant plus dangereuse à cette époque, prit les devants.
Puis, à la fin du dix-neuvième siècle , le moteur à combustion interne commença
à s'imposer. Ensuite, on vit les premières applications industrielles de la
motorisation électrique.
Il a fallu attendre 1938 pour que la société Philips investisse dans le moteur à air chaud, désormais appelé "moteur Stirling". Des applications furent développées dans le domaine automobile. Un moteur compact de plus de 200 chevaux, avec un rendement supérieur à 30% vit le jour. Malheureusement, pour des raisons de compétitivité, cette application ne rencontra pas le succès escompté.
Robert Stirling n'a pas la renommée qu'il mérite.
Il est probable que le vingt-et-unième siècle, avec ses soucis en matière
d'énergie et d'écologie, verra la réparation de cette injustice. Robert Stirling
a longtemps attendu son heure, celle-ci arrivera, sans aucun doute, plus de deux
siècles après sa naissance.
La caractéristique principale de ce moteur est que,
contrairement aux autres, il forme un système fermé: comme dans un
réfrigérateur, le fluide , de l'air par exemple, est contenu dans une enceinte
fermée et chauffée par une source thermique extérieur.La combustion est donc
externe, ce qui autorise tous les types de combustibles, notamment les déchets
forestiers,animaux et industriels.On comprend, dès lors , l'engouement actuel
pour ce moteur écologique qui fai l'objet de recherches actives depuis une
quinzaine d'années.
La réalisation,
elle, est plus complexe : la transmission du mouvement à l'extérieur tout en
préservant l'étanchéité parfaite du système pose des problèmes techniques assez
ardus, si bien que le moteur Stirling a été rapidement abandonné au début de ce
siècle au profit du moteur à explosion.
Le principe est relativement simple: le fluide principal qui produit le travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium). Il est soumis à des pressions moyennes de l'ordre de 150 bars pour les moteurs performants actuels puis à un cycle de Carnot à 4 temps : chauffage, détente, déplacement vers la source froide et refroidissement, compression et retour vers la source chaude.
Ce convertisseur thermodynamique n'est pas dépendant de sa nature de source d'énergie thermique, il est polycarburant. La source chaude du moteur peut être alimentée par une source quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, le gaz naturel, le charbon, l'énergie nucléaire, etc. mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.
Le moteur Stirling est un moteur qui, suivant les configurations, s'adapte à des régimes de rotations variés qui peuvent aller de moins de 1 cycle par seconde à plus de 3000 tours par minutes. Il est utilisé sur des bateaux, pompes, générateurs électriques à énergie solaire ...
C'est un moteur à forte densité énergétique pour le volume de gaz déplacé. Pour donner une comparaison automobile il fournit des puissance de plus de 80 chevaux par litre de cylindrée.Le moteur alpha dissocie de façon nette la source chaude de la source froide.
En effet, un cylindre réchauffe le gaz, un autre le refroidit La cinématique est
telle qu'on fait passer le gaz d'un cylindre à l'autre. Voir ci-dessous l'étude
succinte de ce type de moteur.
· Un Stirling bêta a un simple piston de puissance placé coaxialement avec un piston de « déplacement ». Le piston de déplacement sert uniquement à propulser le gaz de l'échangeur de température chaud, vers l'échangeur de température froid. Sur un cycle complet, ce piston ne consomme pas d'énergie. Ce moteur ne requiert pas de « joint » mobile dans la partie chaude du moteur, et peut atteindre des rendements élevés de compression, grâce aux pistons qui sont capables de se chevaucher pendant leur déplacement.
Le moteur gamma est un peu le compromis entre le moteur type alpha et le moteur type bêta. Dans un cylindre le déplaceur joue son rôle, dans l'autre le piston moteur fait varier le volume global et récupère l'énergie. Ce type de moteur est fréquent pour mettre à profit de faibles écarts de température entre source froide et source chaude.