Etude expérimentale d’une machine Stirling destinée à une application automobile

Philippe Nguyen¹, Sylvie Bégot¹, François Lanzetta¹, Steve Djetel¹, Wissam Bou Nader^2
⋆ : sylvie.begot@univ-fcomte.fr
¹ FEMTO-ST
² PSA Group
Mots clés : Machines thermiques ; Expérimentation
Résumé :

Les machines Stirling font partie des technologies qui sont à nouveau étudiées en remplacement de technologies peu compatibles avec la vision actuelle du développement durable. Fonctionnant en mode moteur, ces machines convertissent une énergie thermique en énergie mécanique donc potentiellement en électricité. L’apport de chaleur est externe à la machine ce qui les rend très polyvalentes vis-à-vis des sources thermiques : biocarburants, carburants solides, récupération de chaleur, sources solaires. Elles permettent donc d’utiliser des sources à faible impact carbone. Des études sont menées en collaboration avec la société PSA pour développer une machine pour une application automobile. La machine Stirling est alors utilisée pour charger la batterie d’un véhicule hybride et la source thermique peut être un biocarburant ou un carburant solide.

Un prototype de puissance théorique 10 kW a été développé. Ses principaux paramètres sont un volume balayé par le piston de 45 ⋅ 10^− 4  m³, une pression nominale de 40 bar, des températures nominales chaudes et froides de 650^∘C et 65^∘C respectivement. Le gaz de travail est de l’azote. Les matériaux utilisés sont l’acier inoxydable sauf pour l’échangeur froid qui est en aluminium. Le régénérateur est constitué par des grilles métalliques.

Le banc d’essai utilisé pour valider le prototype est décrit. La source chaude est constituée par un four électrique thermiquement isolé qui est placé sur l’échangeur chaud de la machine. Le four est alimenté par un alternostat. La puissance du four est réduite par rapport à la puissance nominale de la machine car il ne délivre que 7 kW. Le refroidissement est assuré par la circulation d’eau dans l’échangeur froid de la machine. Le démarrage de la machine est effectué par l’intermédiaire d’un variateur de fréquence de 11 kW qui alimente une machine asynchrone de 11 kW également. La liaison entre l’arbre de la machine électrique et le vilebrequin de la machine Stirling est assurée par un accouplement magnétique. L’instrumentation du banc comporte un capteur de pression dans le volume de compression de la machine, des capteurs de température sur la surface intérieure du four électrique, dans les volumes de détente et de compression de la machine, et en entrée et sortie des circuits de refroidissement (volume de compression, volume de rebond, accouplement magnétique), des débitmètres sur les circuits de refroidissement.

Les résultats présentés montrent le fonctionnement de la machine lorsqu’elle est entraînée à plusieurs vitesses et plusieurs pressions de charge (pression sur cycle, températures moyennes, couple et vitesse instantanés, pertes dans les circuits de refroidissement). Des résultats sont également présentés en marche moteur à vide.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-130

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