Le moteur à vapeur est un moteur à combustion externe qui doit capter l'énergie de la vapeur d'eau et la transformer en énergie mécanique pour que le moteur puisse fonctionner. Ce type de moteur est à la source de la révolution industrielle, mais il est presque inexistant aujourd'hui.

Le principe du fonctionnement d'un moteur à vapeur est très simple : l'eau est chauffée dans une chaudière par une source de combustion externe jusqu'à ce que de la vapeur d'eau soit produite. La vapeur, captée dans la chaudière, exerce une pression. C'est cette pression qui pousse un piston, qui actionne une bielle et qui fait tourner un vilebrequin qui, à son tour, fait tourner une roue.

Il y a aussi un système d'échappement de la vapeur d'eau pour s'assurer que la pression n'augmente pas à des niveaux dangereux et pour permettre de contrôler la vitesse de fonctionnement du moteur.

Les premiers modes de transport, comme les locomotives, les bateaux et les automobiles, fonctionnaient grâce au moteur à vapeur. Ce type de moteur a vite été remplacé par le moteur à combustion interne.

L'avantage du moteur à vapeur est sa source d'énergie : l'eau. On peut la trouver facilement.

Mais cet avantage apporte aussi un grand désavantage. Réchauffer l'eau au point de créer de la vapeur est un long processus, surtout lorsque le réservoir est énorme. Le temps d'attente avant que le réservoir d'eau d'une locomotive se réchauffe au point où est produite suffisamment de vapeur pour faire fonctionner le piston est trop long et inefficace, pouvant prendre plusieurs heures. De plus, l'énergie de la combustion du moteur à vapeur doit se rendre de la zone de combustion externe et de la chaudière jusqu'au piston, ce qui occasionne des pertes de chaleur.

De nos jours, il existe quelques locomotives et quelques navires fonctionnant à vapeur et servant d'attraits touristiques.

Le pasteur Robert Stirling est l'inventeur du moteur qui porte son nom. Son objectif était de développer un moteur moins dangereux que les moteurs à vapeur du XIX^e siècle, puisque les explosions de chaudière des moteurs à vapeur faisaient des victimes. Cela l'a inspiré pour développer un moteur simple à combustion externe sans chaudière et ayant un principe de fonctionnement simple : lorsqu'on chauffe un gaz, il se dilate; lorsqu'on le refroidit, il se contracte.

Tout moteur Stirling est équipé d'un cylindre étanche contenant un gaz, comme de l'air, de l'hélium ou de l'hydrogène. Grâce à un cycle thermodynamique à quatre étapes, le gaz se dilate ou se contracte et déplace un ou deux pistons, selon le modèle du moteur, qui effectuent un travail.

Le moteur Stirling possède des avantages intéressants :

• Parce que le gaz est scellé à l'intérieur du moteur et qu'il ne s'échappe pas, le moteur est très silencieux. Il est beaucoup moins bruyant qu'un moteur à combustion interne.
• Il peut utiliser n'importe quel carburant comme source de chaleur externe, même l'énergie solaire dans certains prototypes!
• Il est moins polluant qu'un moteur à combustion interne parce qu'il est plus facile d'assurer une combustion complète avec une source de combustion externe.
• La simplicité du moteur contribue à sa fiabilité.

Malheureusement, deux facteurs très importants limitent l'utilisation de ce moteur pour les véhicules. Étant donné que la source de chaleur est externe et non interne, le moteur prend du temps pour réagir aux changements de chaleur appliqués au cylindre. Le temps requis pour que la chaleur réchauffe les parois du cylindre et le gaz à l'intérieur peut être long.

• Le moteur Stirling ne peut pas produire un rendement acceptable tant qu'il n'a pas atteint sa température optimale d'opération.
• Il ne peut pas varier rapidement son niveau de rendement.

Tant et aussi longtemps que ces deux problèmes ne seront pas réglés, le moteur Stirling ne pourra pas remplacer le moteur à combustion interne.

Étape 1 : Chauffage

Le piston chaud (en rose) est déplacé vers le haut et le volume à l'intérieur de ce piston est réduit. Le piston froid (en bleu) est déplacé partiellement vers le bas. Pendant la première rotation de 90^° du vilebrequin, l'air se déplace du piston froid vers le piston chaud lorsque le piston froid remonte. Il y a compression de l'air et un déplacement partiel du piston chaud vers le bas.

Étape 2 : Détente

L'air dans le piston chaud est chauffé grâce à une source externe et se dilate, exerçant une pression contre le piston. Le piston chaud se déplace vers le bas et atteint son déplacement maximal. Le vilebrequin subit une rotation de 90^° grâce à la force qu'exerce le gaz qui se dilate. Le piston froid se déplace toujours vers le bas de son cylindre à ce moment-ci. C'est pendant la détente que l'énergie est transférée au volant.

Étape 3 : Refroidissement

L'impulsion du volant fait tourner le vilebrequin de 90^°. Le piston chaud se trouve au bas de son cylindre et commence à se déplacer vers le haut. Le piston froid continue à se déplacer vers le bas. Le mouvement des pistons entraîne l'air dans la zone de refroidissement; la pression dans le moteur diminue alors à la suite du refroidissement de l'air.

Étape 4 : Contraction

En refroidissant, l'air à l'intérieur des deux pistons se contracte et entraîne les deux pistons vers le haut. Le piston chaud est au sommet de son cylindre, alors que le piston froid commence à se déplacer vers le haut. Cela entraîne la dernière rotation de 90^° du vilebrequin qui fait donc une rotation complète. Le cycle recommence.