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un moteur thermique
J’explique le fonctionnement du moteur de Stirling dans l’article Le moteur de Stirling miniature.
Je me permets ici de compléter l’article en question avec quelques généralités sur les moteurs thermiques.

Le moteur de Stirling est un moteur thermique : il produit un travail mécanique (la rotation d’une roue, qu’on pourrait coupler à une génératrice) à partir d’une source de chaleur. Ceci est à la différence, par exemple, d’un moteur électrique, qui produit un travail mécanique à partir d’un courant électrique
Bien-sûr, la source de chaleur peut être d’origine variée (chimique, géothermique, solaire, électrique, nucléaire…) mais ce n’est pas ce qui importe ici. Le moteur en lui-même n’a besoin que d’une source de chaleur peu importe son origine.

En réalité, pour être plus précis, une source de chaleur seule ne suffit pas : il en faut deux. Et pour être tout à fait exact, il faut une source de chaleur « chaude » et une source « froide ».

En thermodynamique, les notions de « chaud » et de « froid » n’ont pas de sens. Il y a ce qui est chaud et il y a ce qui est moins chaud. La chaleur est une grandeur (comme l’énergie ou la masse) qui peut être grande ou faible. Il n’existe pas de grandeur associée au froid : un objet est simplement dit « froid » quand la chaleur qu’il émet est faible, et « chaud » quand la chaleur qu’il émet est importante.

Pour qu’un moteur thermique puisse fonctionner, donc, il faut deux sources :

  • une source « chaude » qui émet beaucoup de chaleur ;
  • et une source « froide » qui émet moins de chaleur que la source chaude.

Dans le moteur de Stirling présenté dans mon article, ces rôles sont remplis par les deux plaques sur la base. Une fois placée sur une tasse d’eau chaude, l’eau chaude constitue une source chaude, et l’air en contact avec la plaque du dessus constitue la source froide.

Pour fonctionner, le moteur absorbe la chaleur de la source chaude et l’évacue dans la source froide (les transferts thermiques se font par simple conduction), en produisant au passage un travail mécanique exploitable :

diagramme énergétique d’un moteur thermique
Diagramme énergétique d’un moteur thermique (image moteur)

La totalité de l’énergie en jeu provient de la source de chaleur $Q_c$ de départ.
Sur cette énergie, une partie $Q_f$ est transmise à la source froide puis évacuée, le reste, $W$ est l’énergie extraite du moteur, sous la forme de travail utile. C’est cette partie là que le moteur produit et qui nous intéresse.

Une équation très simple qui résume la situation est :
$$Q_c = Q_f + W$$

Le travail utile $W$ est d’autant plus important que la différence entre les quantités $Q_c$ de chaleur absorbée et $Q_f$ évacuée est grande.

La première solution pour augmenter cette valeur est d’avoir une source chaude très chaude et une source froide très froide. On le constate très bien en jouant avec un de ces moteurs de Stirling : plus on place l’objet sur une source chaude (eau bouillante) et plus on refroidit la face supérieure, plus le moteur tourne rapidement. On joue ici sur la différence de températures entre les deux sources, on parle de $\Delta T$, dit « delta T ».

Quand le $\Delta T$ est trop faible, le flux global de chaleur n’est plus suffisant et le moteur s’arrête de tourner et donc de produire du travail mécanique. Plus le moteur est performant et sensible, plus il est capable de fonctionner avec des $\Delta T$ faibles (c’est la raison qui fait que le MM-7 fonctionne avec un $\Delta T$ de seulement 4 °C et ça explique aussi son prix).

Notons qu’il ne sert à rien non plus de placer le moteur de Stirling sur de la lave et de refroidir le dessus avec de l’azote liquide : le $\Delta T$ sera effectivement énorme, mais le moteur doit tout de même pouvoir tourner. Il faut laisser au gaz à l’intérieur le temps de se détendre et aux composants de bouger. En effet, le mouvement des biellettes est alternatif et des mouvements trop brusques posent alors un problème d’inertie : si les pistons sont propulsées trop vite dans un sens, il en devient difficile de les freiner pour les tirer ensuite dans l’autre sens. Freiner le piston pour qu’il change de direction pourrait alors consommer une partie de l’énergie mécanique produite, et son rendement chute !

La seconde solution est d’optimiser la géométrie du moteur pour que les pertes soient le plus faible possible et que la quantité $W$ soit la plus grande possible devant $Q_f$. La forme du moteur et le cycle de fonctionne dépend de ce qu’on veut accomplir avec le moteur.

Chaque moteur thermique a donc un $\Delta T$ optimale de fonctionnement : une différence de température à laquelle la quantité de travail exploitable est à un maximum. En dessous, le moteur est en sous-régime et ne chauffe pas assez, au dessus, il tourne trop vite et le mouvement même des pièces mobiles consomme de l’énergie.

C’est pour cette raison que les trois moteurs de Stirling que j’ai mentionné ont tous les trois des températures de fonctionnement optimaux qui sont propres :

  • le MM-7, très sensible, fonctionne avec un faible $\Delta T$ de 4 °C ;
  • le moteur de Carl-Aero fonctionne avec des $\Delta T$ de 10~30 °C ;
  • le moteurs les moins chers supportent des $\Delta T$ bien plus élevés (ils ont l’avantage de produire beaucoup plus de travail, de couple, mais comme ce n’est pas le but d’un tel objet de décoration, les moteurs avec un $\Delta T$ faible sont plus chers).

Dans un moteur essence ou diesel, on observe la même chose : un moteur de diesel, bien plus gros et fonctionnant à des températures plus élevées, a bien plus de puissance (c’est pour ça qu’ils sont utilisés dans toutes les machines agricoles ou industrielles).
Chaque type de moteur, et même chaque moteur est réglé pour un type d’utilisation optimal, et quand on utilise un moteur pour ce pourquoi il est prévu, il consomme moins, pollue moins, s’use moins et est plus rentable.

En pratique, les moteurs essence ont un rendement maximal d’environ 35 % (mais au total, une voiture n’a une efficacité énergétique dépassant rarement 15 %). Les moteurs Stirling montent jusqu’à 40 %, d’où leur intérêt dans certains cas. Tout le reste de l’énergie est constitué des pertes thermiques.

image d’en-tête de Jerry Bowley

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Lokoyote wrote:

Un truc intéressant à savoir c'est que le rendement de 33~35% d'un moteur est vraiment pas mal ! Dans nos cellules, on a un moteur qui crée de l'énergie (l'ATP synthase) qui fonctionne en fin de cycle métabolique pour convertir la dégradation de grosses molécules (comme le glucose, la molécule de sucre par définition) en molécules d'énergie (ATP) et son rendement est au maximum de 40%, et c'est un moteur naturel qui a eu des milliers d'années pour se perfectionner :)


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