Modélisation dynamique « intracycle » d’un moteur à air chaud ERICSSON à piston liquide

Les ’moteurs à air chaud’ sont définis comme des moteurs alternatifs à apport de chaleur externe, à cylindres de compression et de détente distincts, avec ou sans échangeur récupérateur ou régénérateur, et à fluide de travail monophasique gazeux. On distingue deux familles de ‘moteurs à air chaud’, celle des moteurs Stirling, qui n’ont ni soupapes ni clapets, et celle des moteurs Ericsson, qui possèdent des organes d’isolement autour des cylindres.

Une configuration particulière de moteur Stirling à piston liquide, connue sous le nom de Fluidyne, a été inventée en 1983 et de nombreux travaux lui ont été consacrés depuis.

Dans cette étude, nous présentons une variante du Fluidyne dans laquelle les deux extrémités du tube en U contenant le piston liquide sont fermées par des soupapes, de telle sorte que le système obtenu appartient à la famille des moteurs Ericsson plutôt qu’à la famille des moteurs Stirling. Ce type de moteur à bas niveau technologique est considéré comme adapté à la production d’énergie mécanique de petite puissance, par exemple pour du pompage ou pour entraîner une génératrice électrique à partir d’énergies primaires renouvelables (soleil, biomasse, effluents gazeux chauds,...).

Dans cette communication, nous développons une modélisation dynamique « intracycle » du moteur Ericsson à piston liquide proposé. En particulier, du fait de la masse importante d’eau dans le système, le modèle prend en compte la dynamique des colonnes de liquide. Trois cas de simulation sont présentés, pour des vitesses de rotation et des calages de soupapes différents, avec une attention particulière pour l’inertie du piston liquide et du volant. Le premier cas est simulé pour la fréquence naturelle d’oscillation de la colonne d’eau et un calage des soupapes conduisant à des diagrammes indicateurs quasiment optimaux. Les performances énergétiques sont bonnes, mais le système nécessite un volant d’inertie important. La deuxième simulation porte sur le même système opéré à 5 fois la fréquence naturelle. Les performances énergétiques se dégradent et le volant d’inertie doit être encore plus important. La troisième simulation porte sur un calage particulier des soupapes, conduisant à une absence de détente dans le cylindre de détente (diagramme indicateur ‘rectangulaire’). Les performances énergétiques sont médiocres, mais le volant d’inertie n’est plus nécessaire. Cette simulation ouvre la porte à la conception de systèmes à piston libre.