(3)
    (1)+(2)+(a)
    La vie de Robert Stirling se déroule durant le 19ème siècle qui voit  de nombreuses découvertes scientifiques et techniques. C'est probablement ce bouillonnement d'idées, sa curiosité naturelle et son pragmatisme qui pousseront Robert Stirling  à inventer "le moteur à air chaud". Le brevet fut déposé le 27 septembre 1816 et fut effectif le 20 janvier 1817.

    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.

      Philips l'avait redécouvert à la fin des années 30 pour charger ses batteries et l'avait modernisé puis, à l'arrivée des transistors, avait vendu la licence à plusieurs compagnies américaines et européennes, dont des constructeurs automobiles qui souhaitaient développer un moteur moins polluant (déjà).
    Mais son utilisation pour entraîner des véhicules exige des vitesses de rotation et des pressions internes élevées (plus de 3500 tr/mn et plus de 200 bar), ainsi que l'emploi d'un gaz de travail possédant à la fois une masse moléculaire faible et une conductivité thermique élevée, comme l'hydrogène ou l'hélium. Bref, l'idée s'est révélée trop chère.

    La première invention du moteur Stirling à piston libre est attribuée à W.T. Beale, en 1969.
    Un autre moteur Stirling à pistons libres (M 100) a été construit et commercialisé par Sunpower.
    Sa puissance était de 100 W à 50Hz.
    A présent ce moteur n'est plus disponible mais Sunpower propose d'autres machines, notamment pour la conversion énergétique de la biomasse, la cogénération domestique, le pompage, les pompes à chaleur, les cycles frigorifiques, cryogéniques, la compression de vapeur et la production d'électricité.
    Depuis une centaine d'années, l'existence des moteurs à combustion interne restreint le développement des moteurs Stirling.
    Dans le domaine de la traction automobile, les moteurs à combustion interne présentent, par rapport aux moteurs Stirling, deux avantages déterminants :
    accélération rapide, mise en marche immédiate.
    L'accélération d'une voiture mue par un moteur Stirling n'est correcte que si l'on utilise des dispositifs lourds et onéreux et pour mettre en marche un moteur Stirling, il faut d'abord chauffer le réchauffeur, ce qui empêche la voiture de circuler immédiatement.
    Mais l'application des moteurs Stirling dans les véhicules hybrides présente toujours de l'intérêt.







      (c)+(a)

      Avant d'entammer la présentation et l'étude du moteur Stirling, il est nécéssaire de connaitre le principe général des machines thermique, principalement celui du moteur.
      On appelle machine thermique tout système qui permet de réaliser une convertion d'énergie.Du levier imaginé par l'homme dès son origine à la première machine à vapeur du 18ème siècle, aux systèmes de propulsion des fusées de la fin du 20ème siècle, on mesure l'étendue d'un tel sujet , et combien le développement de la thermodynamique a permis d'améliorer les performances.
      Les machines thermiques fonctionnent généralement grâce à un fluide auquel on fai subir des transformations cycliques au cours desquelles il y a des échanges d'énergie avec le milieu extérieur: le système reçoit(algébriquement)du travail et de la chaleur.
      On appelle:  - machine thermique : tout dispositif dans lequel un système fluide qualifié "d'agent thermique" subit une transformation cyclique , ce qui permet une convertion continue d'énergie.Le fluide permet les échanges énergétiques entre les divers organes de la machine et le milieu extérieur.
      Un moteur thermique , quant à lui , est une machine thermique qui fournit globalement du travail au milieu extérieur au cours d'un cycle(W<0) . Exemples: machine à vapeur, moteur à explosion , ...


                 Machine à vapeur :                                                            Moteur à explosion:

      Machine à vapeur     (5)                                                                     




        Dans sa description la plus simple, le moteur Stirling est constitué d'un cylindre renfermant du gaz et d'un piston récupérant l'énergie mécanique.(on s'interressera à ce modèle simplifié pour étudier l'aspect thermodynamique du moteur.)

        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.

        Il éxiste 3 types de moteur Stirling : 

        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.