Etude d’une nouvelle configuration d’un moteur Ericsson à piston liquide libre

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.

Par ailleurs, les technologies à piston liquide sont reconnues comme simples, fiables et peu coûteuses. Cependant jusqu’ici, les seuls ‘moteurs à air chaud’ à piston liquide à avoir été réalisés sont les moteurs Stirling de type Fluidyne, inventés en 1983, et connus pour leur faible rendement.

Les moteurs à piston liquide sont particulièrement intéressants dès lors que le piston liquide est ‘libre’, c’est-à-dire que sa position instantanée n’est fixée par aucun mécanisme cinématique, mais uniquement par le bilan des forces qui s’appliquent sur lui.

Une nouvelle configuration de moteur Ericsson à piston liquide libre est présentée. Celle-ci est constituée d’un tube en U rempli d’eau dans sa partie inférieure, et dont les deux branches sont fermées par des culasses munies de soupapes. L’espace situé entre la surface du liquide et la culasse d’une des branches constitue l’espace de compression, tandis que ce même espace constitue l’espace de détente dans l’autre branche. La configuration étudiée fonctionne en cycle ouvert, l’air atmosphérique entre dans l’espace de compression, est comprimé par le piston liquide, puis refoulé vers un échangeur récupérateur et un échangeur réchauffeur (source chaude du cycle) avant d’être introduit dans l’espace de détente. L’air chaud détendu par la descente du piston liquide est ensuite refoulé vers l’autre branche de l’échangeur récupérateur, lors de la remontée du piston liquide. L’extraction d’énergie utile peut se faire par le biais d’un alternateur linéaire lié à la position du piston liquide. Une autre configuration est proposée, dans laquelle seule une partie du débit massique d’air refoulé par l’espace de compression est introduite dans l’espace de détente, le débit massique introduit étant tel que le travail de détente compense exactement le travail de compression. Dans cette configuration, le piston liquide et les espaces de compression et de détente qu’il délimite s’apparente à un ‘générateur de gaz à piston libre’, comme le générateur de gaz du moteur PESCARA. Le débit massique d’air comprimé non admis dans l’espace de détente peut être utilisé comme tel, à la sortie de l’espace de compression, le système étant alors un compresseur thermique, soit être prélevé après passage dans les échangeurs récupérateur et réchauffeur et être détendu dans une machine fonctionnant en parallèle de l’espace de détente du piston liquide, si l’objectif est de produire de l’énergie mécanique.

Une modélisation « intracycle », permettant de déterminer les valeurs instantanées des grandeurs thermodynamiques de ce type de système, montre qu’il possible de déterminer un jeu de paramètres de dimensionnement et de conduite du système permettant un fonctionnement stable, et dont les performances énergétiques sont intéressantes.