MOTEUR STIRLING

Bonjour à toutes et à tous, 

Nous sommes quatre étudiants, Elisa BORDEAU, Lili CHAUVIN, Kélian LE GUILLARD et Chloé DA SILVA en deuxième année du cycle préparatoire intégré (PeiP 2) à Polytech Angers. Nous avons eu l’opportunité de réaliser un projet d’ingénierie, destiné à mettre en pratique les compétences acquises durant ces deux années. Nous avons choisi de travailler sur la conception d’un moteur Stirling, un projet qui allie plusieurs disciplines, notamment la mécanique, les matériaux, l’énergétique, les fluides et les procédés de fabrication.  

Ce projet nous a particulièrement intéressés en raison du fonctionnement original et ingénieux du moteur Stirling, basé sur l’utilisation d’une différence de température pour produire un mouvement mécanique. Il nous a permis de relever un défi concret. 

Fonctionnement du moteur

Le moteur Stirling a été inventé en 1816 par le révérend écossais Robert Stirling. Il a été conçu comme une alternative aux moteurs à vapeur qui étaient sujets à des explosions. Le moteur convertit l’énergie thermique en énergie mécanique avec un système de détente et de compression de l’air chaud et de l’air froid, qui permet son fonctionnement. C’est à cela qu’on le reconnaît. 

Il existe 3 types de moteurs Stirling : Alpha, Bêta et Gamma. Nous avons choisi le moteur alpha pour des raisons de simplicité. Pour le modèle Alpha, les sources chaudes et froides sont reliées à un tube dont les extrémités sont équipées de pistons eux-mêmes reliés à une roue d’inertie. Sur le papier il avait plus de chances de fonctionner. 

Le moteur fonctionne grâce à une source de chaleur, c’est pourquoi nous plaçons une bougie sous une canette. L’air est chauffé, il se dilate, ce qui permet au ballon de se gonfler. Ensuite, l’air chaud est amené vers une autre canette qui est froide grâce à un tuyau. La canette froide se remplit d’air, le ballon se gonfle à son tour et celui de la source chaude se dégonfle. Les deux ballons sont reliés à un vilebrequin à l’aide de deux tiges. Quand un ballon se gonfle, l’autre se dégonfle. Cette variation entraîne le vilebrequin et donc la rotation du CD en continu. 

Notre travail

Première conception

Nous avons d’abord commencé par réaliser un moteur Stirling avec des seringues car nous avons repris le projet de l’an passé étant donné que le groupe précédent n’avait pas réussi à le faire fonctionner. Après avoir analysé leur projet, nous avons décidé de modifier certaines pièces pour les rendre plus légères, plus stables et plus adaptées. On a donc fait une conception CAO de notre nouveau moteur, pièce par pièce, puis les assembler toutes ensemble.

Jusque-là tout allait bien, la simulation en CAO fonctionnait parfaitement. Nous allions passer à la partie la plus intéressante de notre projet : la fabrication du moteur.

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Pièces pour faire la liaison entre la bielle et la seringue

Après avoir imprimé nos pièces, nous les avons assemblées entre elles. Mais malheureusement, lorsque le moment est venu de tester notre moteur, il ne fonctionnait pas.  

Pour essayer de le faire fonctionner et réduire tous les frottements possibles, nous avons : 

• Changé le support de roues pour le mettre plus bas 
• Mis de l’huile dans les seringues pour limiter les frottements 
• Resserré l’ajustement des axes 
• Changé les roulements  
• Imprimé une tige pour remplacer l’intérieur de la seringue 

photo de la première maquette

Une seringue s’est malencontreusement cassée à moins de deux semaines de la fin du projet et il était donc impossible d’en recommander une en raison des délais de livraison des commandes.  

Deuxième conception

Nous avons donc dû changer nos plans. Après avoir étudié plusieurs autres solutions, nous avons choisi de réaliser une nouvelle conception du moteur en remplaçant les seringues par un ballon fixé sur une canette. Nous avons remplacé les bielles et les roues par des tiges en acier, et créé une nouvelle pièce en CAO pour relier le ballon à la tige. Comme il nous restait peu de temps, nous avons dû trouver des pièces disponibles rapidement. La roue a été remplacée par un CD, dans lequel une pièce a été ajoutée au centre pour permettre le passage du vilebrequin qui entraîne la rotation.  Cependant, le fonctionnement du moteur reste le même : il utilise deux canettes, l’une est chauffée par une source comme une bougie, et l’autre reste froide. 

Nous avons assemblé le nouveau moteur. A cette étape, le moteur fonctionnait manuellement. Mais il ne tournait pas avec la bougie. Nous avons refait le vilebrequin pour mieux refaire les angles et raccrocher les canettes avec les tiges en acier pour une meilleure fixation mais il ne fonctionne toujours pas.

Finalité du projet

Tests finaux

Après tous ces essais et ces changements, notre deuxième prototype n’a malheureusement pas fonctionné. Le problème vient probablement de la fixation des tiges et des ballons qui se gonflent difficilement.

Ce que nous n’avons pas pu réaliser 

Pour l’objectif final de notre projet, nous avions l’idée de placer un mini générateur d’électricité sur la roue afin de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique pour allumer une LED. Cependant, à cause de tous ces problèmes rencontrés, nous avons perdu du temps. Nous n’avons donc pas pu le réaliser. 

Conclusion

Nous avons beaucoup apprécié travailler sur ce projet durant une centaine d’heures, et essayer de trouver des solutions et relever des défis. Ce projet nous a permis de nous initier au travail d’ingénieur. 

Nous remercions Adel HADDAD, notre professeur référent du projet pour son aide et ses conseils, Sébastien LAGRANGE de nous avoir attribué ce projet, Boris RAYER pour son aide au Fablab et toutes les personnes qui nous ont aidées de près ou de loin dans la réalisation de ce projet. 

Merci également de nous avoir lus jusqu’ici. 

Kelian Le Guillard, Lili Chauvin, Chloé Da Silva et Elisa Bordeau