Moteur Ericsson

Le moteur Ericsson est un moteur à apports de chaleur externe (MACE), moteur à combustion externe ou d'ancienne appellation moteur à air chaud[1], fonctionne entre deux sources de chaleur externes au moteur par l'intermédiaire d'échangeurs. Il utilise des soupapes pour contrôler l'écoulement du fluide de travail (en phase gazeuse) entre deux chambres, une de compression et l'autre de détente.

De performances théoriques identiques au moteur Stirling, les nouvelles technologies de production du XXIe siècle permettent un regain d'intérêt et de développement de ce moteur, avec comme but de diminuer les émissions de polluants ou de réduire la consommation d'énergie en revalorisant les rejets de chaleur.

Historique

John Ericsson inventa plusieurs types de moteurs dont de nombreux moteur à apport de chaleur externe, plus de neuf variantes (à cycles de Joule, Stirling, Diesel...) sont référencées par certains auteurs[2], mais seulement un seul réalise le cycle d'Ericsson.

Les différents moteurs Ericsson

M1833
Représentation du M1833.

Breveté par John Ericsson en 1833 (brevet anglais no 6409/1833[3]) ce moteur fut réalisé à un seul exemplaire, d'une puissance 3,7 kW (5 ch) à 55 tours par minute[4] La pression en sortie de compresseur et dans l'échangeur chaud est de 3,7 atmosphères et celle en sortie de détendeur et d'échangeur froid de 1 atmosphère. La température en entrée du cylindre de détente est de 525 °C pour une sortie de 276 °C et une sortie de cylindre de compression à 153 °C.

Le rendement du M1833 est entre 5 et 10 % (8,7 % selon Ivo Kolin[2]).

L'évolution des températures permet aisément de constater une élévation en sortie du cylindre de compression et un refroidissement en sortie du cylindre de détente, ce qui indique une évolution adiabatique et donc la réalisation d'un cycle de Joule.

Ce moteur ne semble pas avoir survécu jusqu'à nos jours.

M1851 / M1853
Gravure du M1851 par Daniel Appleton.

La première représentation connue du moteur est publiée dans l'Appleton’s mechanics' magazine and engineers' journal en 1851, qui décrit le brevet déposé par John Ericsson et portant sur un moteur calorique[5]. La seconde représentation du moteur est de William Johnson pour The Imperial Cyclopaedia of Machinery, en 1853. Il est fort possible que, du fait de la qualité de cette gravure et de sa disponibilité, plusieurs sources se soient orientées vers l'année 1853 comme étant celle du moteur.

Il semble avoir été réalisé au moins deux exemplaires (un aux États-Unis et un testé en France) ainsi qu'une version multi-cylindres pour le navire Ericsson[6]. Le moteur testé en France a produit 2 à 3 kW entre 30 et 50 tours par minute. Il était de dimensions plus impressionnantes que celles du M1833, car composé d'un cylindre de détente de diamètre 1 504 mm et de compression de 1 240 mm avec course identique de 230 mm.

Les températures dans la machines sont les suivantes :

  • le cylindre de compression est à l'admission 85,5 °C et en sortie 146,4 °C ;
  • le foyer est à 343 °C ;
  • le cylindre de détente est à l'admission 244 °C et en sortie 311,4 °C.

La pression dans moteur est de 1,4 à 1,65 atmosphère en sortie de compresseur, dans le réservoir et à l'admission. Le rendement minimum du M1851 est calculé comme étant de 2,45 %.

Aucun des moteurs ne semble avoir survécu jusqu'à nos jours.

Le cycle thermodynamique décrit par le fluide utilisé dans le M1851 est appelé le cycle d'Ericsson[7].

Autres moteurs, M1858, Stirling/Ericsson

Il existe plusieurs autres représentations de moteurs attribuées à John Ericsson, souvent ces gravures n'existent que d'un seul ouvrage ou journal ne permettant pas de recouper les sources. De plus dans ses mémoires Ericsson certainement inquiet de dévoiler des informations à ces concurrents n'entrera pas dans les détails pour décrire ces machines. Par encore plus réduite de ces mémoires par le succès d'autres réalisations, comme celle majeure de son navire le USS Monitor, premier cuirassier et des travaux de sa fin de vie sur le rayonnement et sa détermination.

Gravure de 1899 d'un moteur Ericsson M1851 avec régénérateur de type Stirling.

Version erronée du moteur de 1851

En 1899, J. Dejust présente dans son livre Machines à vapeur et machines thermiques diverses[8], une gravure du moteur d'Ericsson avec un régénérateur utilisé après les soupapes. Cette version ne semble jamais avoir existé et serait due à une confusion entre la machine Stirling et Ericsson.

M1858

Le , John Ericsson obtient le brevet d'une nouvelle machine, dont la fumée est utilisée à l'intérieur du moteur. Premier et véritable succès commercial d'un moteur par John Ericsson, avec une fabrication aux États-Unis[9][réf. non conforme] ou au Canada (par exemple Charles Pierson) et sous licence dans plusieurs pays européens (Allemagne, Royaume-Uni...), plus de 3 000 exemplaires seront produits. Quelques machines ont survécu et sont visibles dans des musées (Cnam de Paris, Deutsches Museum[10][réf. non conforme] ou dans des collections privées.

Moteur à cycle Stirling

À partir de 1878[réf. souhaitée], John Ericsson se tourne vers une solution utilisant un cycle de Stirling avec un déplaceur et construit en partenariat avec la DeLameter Iron Works puis la Rider-Ericsson Engine Company un nouveau moteur. Ce moteur sera aussi un succès, il sera produit aux États-Unis jusqu'au début de la première guerre mondiale. Parmi tous les moteurs à cycle Stirling conçus, c'est la version la plus commune, bien que rare car centenaire ; il est possible d'en voir à la vente chez des brocanteurs spécialisés dans les moteurs anciens.

Caractéristiques

Ses principales caractéristiques sont[11] :

  • cycle circulaire non alternatif du gaz ;
  • échangeur de chaleur à contre-flux ;
  • il peut stocker une différence de pression interne, pour démarrer seul, contrairement au moteur Stirling.

Fonctionnement

Le moteur Ericsson fonctionne en 4 temps :

  1. aspiration de l'air frais et évacuation de l'air chaud[12] ;
  2. mise en pression de l'air frais à température constante[12] ;
  3. chauffage de l'air frais[12] ;
  4. l'air chauffé fait monter la pression et le piston monte[12] ;

le cycle recommence.

Développement actuel
Représentation du moteur Ericsson développé en France par la société d’ingénierie Assystem

Depuis le début du XXIe siècle, le moteur Ericsson recommence à être développé, principalement en France.

Sous l'impulsion de Pascal Stouffs, plusieurs thèses ont été réalisées au sein du LaTEP de Pau sur des démonstrateurs de machines Ericsson à cycle de Joule, Sébastien BONNET en 2005[13], Muriel Tardieu Alaphilippe en 2007[14] Abdou Touré[15] et Frédéric Lontsi[16] en 2010.

Depuis 2008, la société française Assystem développe un moteur Ericsson dans le cadre du projet IndEHo [17]. Le elle obtient, avec l'inventeur Brice Bryon, un brevet pour une Machine thermique à cylindrée variable permettant de combiner le fonctionnement en cycle de Joule ou d'Ericsson[18].

En , dans le cadre du mois des métiers de l'énergie dans le territoire de Belfort, le département énergie du laboratoire Femto-st, partenaire dans le projet Assystem, dévoile un moteur développé par ses étudiants[19],[20].

Le , Marie Creyx du Laboratoire TEMPO de Valenciennes, a soutenu une thèse concernant l'étude théorique et expérimentale d’une unité de micro-cogénération biomasse avec moteur Ericsson, avec l'entreprise Enerbiom[21],[22].

De nombreuses recherches scientifiques sont en cours en 2014, sans pour autant qu'une version commerciale d'un moteur Ericsson soit à nouveau disponible.

Notes et références
  1. « Principes », sur www.moteurericsson.com (consulté le ).
  2. (en) Ivo Kolin, The Evolution of the Heat Engine, Moriya Pr, coll., 1988 (ISBN 0965245527).
  3. [PDF]
  4. « Description du moteur Ericsson de 1833 », sur hotairengines.org
  5. (en) Daniel Appleton, « Ericson's patent caloric engine » [« Brevet d'un moteur calorique par Ericsson »], Appleton's mechanics' magazine and engineers' journal,‎ 1851, p. 590-594 (lire en ligne [PDF], consulté le ).
  6. « Description du moteur Ericsson de 1851 », sur hotairengines.org
  7. « théorie », sur www.moteurericsson.com (consulté le ).
  8. « Machines à vapeur et machines thermiques diverses / par J. Dejust,... », sur Gallica, (consulté le ).
  9. https://openlibrary.org/works/OL15353927W/Ericsson_s_sic_caloric_engine
  10. http://www.deutsches-museum.de/en/collections/machines/power-engines/combustion-engines/hot-air-machines/hot-air-machine-ericsson-1860/
  11. « Le moteur d'ERICSSON, un moyen de valorisation de l'énergie thermique à réhabiliter ? », sur cat.inist.fr (consulté le ).
  12. Les principes de fonctionnement du moteur Ericsson, sur le site moteurairchaud.com
  13. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00110117/document
  14. Tardieu Alaphilippe, Muriel, « Recherche d'un nouveau procédé de conversion thermodynamique de l'énergie solaire, en vue de son application à la cogénération de petite puissance. » [livre], sur http://www.theses.fr/, Pau, (consulté le ).
  15. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00546852/document
  16. Lontsi, Frédéric, « Modélisation dynamique des moteurs thermiques alternatifs à apport de chaleur externe à cycle de Joule : (Moteurs Ericsson) » [livre], sur http://www.theses.fr/, Pau, (consulté le ).
  17. http://www.assystem.com/fr/marches/projets-detail/33/indeho.html
  18. « Directorypatent.com », sur www.directorypatent.com (consulté le )
  19. Karine FRELIN Propos recueillis par K.F., « Enseignement supérieur - 130 lycéens à l’UFR-STGI hier dans le cadre de l’opération Watt Else », L'Est républicain,‎ (lire en ligne, consulté le ).
  20. Karine FRELIN, « Sciences de l'ingénieur », L'Est républicain,‎ (lire en ligne, consulté le ).
  21. http://www.biomasse-territoire.info/menus-horizontaux/projets/enerbiom.html
  22. http://events.femto-st.fr/sites/femto-st.fr.Journees-Cogeneration/files/content/pdf/20014-08_Creyx_Micro-cogeneration_bois_Ericsson.pdf

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes
  • Muriel Alaphilippe, Sébastien Bonnet, Pascal Stouffs, « Les moteurs « à air chaud » au service du développement durable », Journée SFT « Optimisation énergétique des moteurs thermiques: nouveaux défis », Société française de thermique,‎ (lire en ligne [PDF], consulté le )).
    Comparaison entre les moteurs Ericson et Stirling, accompagnée de schémas.
  • Mathieu Doubs, « Projet Indeho : Système de micro-cogénération à cylindrée variable », Journée µCogénération, Cnam, Paris, Assystem et institut FEMTO-ST,‎ (lire en ligne [PDF], consulté le ).
    Comporte une présentation des différents moteurs d'Ericsson.
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