Vous n’avez pas besoin d’un atelier d’usinage. Il vous faudra trois canettes de soda vides et un peu de patience. C’est ça.
Ce projet recrée l’une des premières alternatives à combustion interne commercialement viables : le moteur Stirling. Ce n’est pas seulement une astuce pour une expo-sciences. C’est une sculpture cinétique qui souffle et s’écrase sur votre bureau. Il fait tourner un volant. Il pourrait même générer quelques watts d’électricité si vous avez de la chance.
Mais surtout, cela prouve quelque chose. Robert Stirling l’a conçu en 1816. Il voulait remplacer la vapeur par de l’air. La vapeur était dangereuse. Il a explosé. Les chaudières explosaient régulièrement. Le moteur à air chaud de Stirling était plus sûr. Il utilisait un « économiseur », désormais appelé régénérateur, pour piéger la chaleur et augmenter le rendement énergétique. Son frère James a aidé à peaufiner le design. Au milieu du XIXe siècle, ces moteurs faisaient fonctionner les fonderies.
Cependant, ils n’étaient pas assez puissants pour remplacer la vapeur dans l’industrie lourde. La révolution industrielle exigeait du couple brut. Vapeur livrée. Le moteur de Stirling offrait de l’élégance. Aujourd’hui, il délivre de la nostalgie.
Pourquoi construire un moteur Stirling pour canettes de Coca-Cola ?
Construire un moteur Stirling en canette de Coca vous apprend la thermodynamique d’une manière que les manuels ne peuvent pas. Vous regardez le fluide de travail se dilater. Vous le voyez se contracter. On sent le travail mécanique effectué.
Le principe est simple. Une source de chaleur, généralement une bougie chauffe-plat, chauffe l’air à l’intérieur de la canette. L’air se dilate. Il pousse un piston. L’air se déplace vers une section plus froide. Il se contracte. Le piston recule. Fixez un vilebrequin. Ajoutez un volant d’inertie. Vous avez un moteur.
La plupart de ce que vous construisez sera « indésirable » pour la personne moyenne. Bouchons de bouteilles en plastique. Vieux CD. Ballon en caoutchouc. Mais ensemble, ils créent du mouvement. C’est de l’ingénierie maison. C’est créatif. Et ça marche.
Liste de pièces pour moteur Stirling DIY
Il faut du matériel spécifique. N’improvisez pas trop. La précision compte ici.
- Trois (3) canettes de soda en aluminium
- Un (1) ballon en latex
- Deux (2) écrous de rayons
- Quatre (4) borniers électriques 5A
- Laine d’acier
- Un (1) bouchon de bouteille en plastique
- Fil d’acier
- Fil de cuivre
- Tige de cheville
- Fil électrique
- Ligne de pêche
- Trois (3) disques compacts (CD)
- Ouvre-boîte
- Couteau utilitaire
- Super colle
La mécanique d’un moteur à air chaud
Concrètement, comment ça bouge ?
L’air à l’intérieur devient le fluide de travail. Lorsque la bougie chauffe le fond de la boîte, les molécules d’air accélèrent. Ils poussent vers l’extérieur. Cette pression entraîne le piston. Le piston est relié à un vilebrequin. Le vilebrequin fait tourner le volant. Le volant d’inertie transporte l’élan à travers les « points morts » de la rotation.
L’air se déplace ensuite vers la chambre supérieure. La chambre supérieure est plus fraîche. L’air perd de la chaleur. Il se contracte. Le vide tire le piston vers le bas. Le cycle se répète.
C’est une boucle thermodynamique. Pas de combustion à l’intérieur du cylindre. Aucune étincelle. Juste un transfert de chaleur.
“Le désir de Stirling de créer une alternative plus sûre à la vapeur a été vaincu par le besoin de plus de puissance.”
Mise en route : étapes de préparation
Avant de couper de l’aluminium, vous devez vous préparer.
Stirling n’a pas été le premier à essayer un moteur pneumatique. Mais il fut le premier à le rendre viable. Sa conception de 1818 alimentait une pompe à eau dans une carrière écossaise. C’est la référence. Vous visez ce genre de fiabilité.
Votre première étape consiste à rassembler le matériel. Triez-les. Vérifiez les dommages. Assurez-vous que vos canettes de soda sont vides et propres. Supprimez toutes les étiquettes. Les résidus de colle ruinent les joints.
Ensuite, préparez le ballon. Vous devrez en découper une forme spécifique plus tard. Préparez votre couteau utilitaire. Les lames tranchantes permettent des coupes nettes. Les lames émoussées déchirent le caoutchouc.
Ensuite, regardez les CD. Ils formeront la base ou le carter de volant. Ils doivent être propres et exempts de rayures.
Enfin, vérifiez votre fil. Cuivre pour la conductivité. Acier pour plus de solidité. Ligne de pêche pour maillons à faible friction. Chaque matériau a un travail. Ne les mélangez pas.
La construction commence par le cylindre. La canette de soda assure le confinement. Mais une canette à elle seule ne fait pas un moteur. Il faut des pistons. Il faut des sceaux. Vous avez besoin d’un moyen de transférer le mouvement linéaire en force de rotation.
C’est là qu’interviennent les écrous de rayons. Ils font office de roulements. Une rotation fluide est la clé. La friction tue ces moteurs. Si le piston coince, le cycle s’arrête. Vous devez vous assurer que chaque pièce mobile tourne librement.
Commencez par marquer vos canettes. Mesurez deux fois. Coupez une fois. L’aluminium se déchire facilement. Ralentir.
L’anatomie d’un moteur de canette
La philosophie de Larsen est suffisamment simple pour être ennuyeuse si vous ne la suivez pas. Pensez comme un horloger. La précision n’est pas seulement une suggestion ici ; c’est la différence entre une canette qui tourne et un presse-papier.
La plupart des constructeurs supposent qu’un moteur Stirling est complexe. Ce n’est pas le cas. Les composants de base sont basiques. Vous pouvez en construire un à partir de fûts de pétrole. Vous pouvez en construire un à partir de pots de peinture. Larsen lui-même en a préparé une à partir de casseroles et de poêles assorties alors qu’il était coincé dans la maison de sa belle-famille pour Thanksgiving. Cela a fonctionné.
Mais pour le moteur des canettes de soda, l’aluminium est roi. C’est bon marché. C’est préformé. C’est facile à couper. Il ne survivra évidemment pas à une piste de course. Il ne peut pas supporter une charge importante. Mais il gère très bien la micro-puissance d’un cycle thermodynamique DIY.
Sceller l’affaire
La chambre de pression est l’endroit où la magie opère. Ou la misère. Il contient le fluide de travail, généralement de l’air, dans un système fermé. L’air se réchauffe. Ça refroidit. Il s’agrandit. Il se contracte.
Les fuites sont l’ennemi. Tout le monde veut une étanchéité parfaite. Larsen n’est pas d’accord. Vous avez en fait besoin d’une petite fuite contrôlée. Sans cela, la chambre devient un baromètre. Il réagit simplement aux changements de pression atmosphérique ambiante. Cela ne sert à rien. Une petite fuite maintient la pression interne découplée du monde extérieur, permettant ainsi au cycle de fonctionner.
Certains passionnés troquent l’air contre de l’hélium. Il réagit mieux lors du cycle thermodynamique. Plus d’efficacité. Plus de puissance. Mais l’air est gratuit. L’hélium ne l’est pas. Commencez par l’air.
Le battement de coeur
Le mécanisme d’entraînement traduit l’expansion et la contraction en mouvement. Il est généralement fixé sur le côté, mais peut être intégré à la structure du moteur. Il entraîne un vilebrequin.
Larsen appelle le vilebrequin la partie la plus critique de toute la construction. Cela dicte tout. Timing. Voyage de déplacement. Vitesse du volant. Équilibre. Si vous gâchez ça, vous gâchez tout le moteur. Passez du temps dessus. Faites les choses correctement. Ce n’est pas le moment de se précipiter.
Momentum et friction
Le volant n’est pas seulement un accessoire. C’est un appareil de stockage d’énergie. Lorsque le coup de moteur se déclenche, le volant absorbe cette énergie. Lorsque le moteur doit repousser le plongeur contre la friction et la résistance, le volant d’inertie restitue cette énergie.
Un volant d’inertie équilibré n’est pas négociable. S’il est déséquilibré, le moteur doit travailler plus fort. Vous ne voulez pas de travail supplémentaire. Vous voulez de l’efficacité. Une roue déséquilibrée signifie que le déplaceur heurte le haut de la chambre et y reste. Arrêt mort.
La Danse Thermodynamique
Le déplaceur déplace l’air. Cela ne crée pas de pouvoir. Il s’agit simplement de déplacer l’air de la zone chaude vers la zone froide.
Voici le cycle. Source de chaleur en bas. La source de refroidissement au sommet – de la glace ou de l’eau froide fonctionne généralement. L’air se réchauffe. Il s’agrandit. Le déplaceur monte. Au sommet, l’air frappe la surface froide. Ça refroidit. Il se contracte. Le déplaceur descend.
Répéter.
Cela ne se produit pas automatiquement. Vous avez besoin du mécanisme d’entraînement, du vilebrequin et du volant d’inertie pour coordonner le mouvement.
Le déplaceur est généralement un morceau de laine d’acier roulé avec un fil léger au centre. Là encore, la logique horlogère s’applique. Il doit glisser librement. Il doit remplir la majeure partie de la chambre. Il doit permettre à l’air de circuler mais le restreindre juste assez. Minimisez les frictions. Maximisez l’efficacité. C’est le thème constant. Chaque partie se bat pour l’efficacité.
La boîte à chaleur
La boîte chauffante est un support. Aussi simple que ça. Il maintient le moteur au-dessus de la source de chaleur.
Cela représente beaucoup d’efforts pour très peu de résultats. Il y a une satisfaction tangible lorsque vous terminez la construction. Vous réparez les fuites. Vous équilibrez la roue. Vous allumez l’allumette. Vous le regardez gonfler tout seul.
La fascination de Larsen a commencé il y a cinq ans. Cela pourrait commencer pour vous aujourd’hui.
Voyez-le en action
Si vous êtes encore sceptique, regardez la vidéo. Une canette de soda ne tourne que sur la flamme d’une bougie. Ce n’est pas magique. C’est de la thermodynamique.
En savoir plus sur les moteurs thermiques
- Comment fonctionnent les moteurs Stirling
- Comment fonctionnent les moteurs de voiture
- Comment fonctionnent les moteurs diesel
- Comment fonctionnent les moteurs à deux temps
- Comment fonctionne un moteur à ampoule chaude
Sources
- Marron, Buster. “Comment fonctionnent les moteurs à air chaud.” Moteurs à air chaud. (29 février 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Rédacteurs de Make Magazine ; “Le meilleur de la création.” O’Reilly Media, Inc. 2007. Pages. 306-317.
- Larsen, Jim. StirlingBuilder.com. (29 février 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
- Larsen, Jim. Entretien personnel. 2 mars 2012
- Larsen, Jim. «Onze produits de moteur Stirling que vous pouvez construire». Auto-publié, janvier 2012. (29 février 2012)
- Larsen, Jim. “Moteur Stirling rapide et facile.” Auto-publié. Septembre 2011. (29 février 2012)
- Bien, Karim. “Comment fonctionnent les moteurs Stirling.” HowStuffWorks.com. 4 mai 2001. (29 février 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Purvis, Ben. “Dean Kamen développe un hybride écologique qui fonctionnera avec tout ce qui brûle.” Gizmag.com, 28 juin 2009. (1er mars 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
