Le moteur de Stirling fonctionne grâce à 4 phases élémentaires inspirées du cycle de Carnot, pendant lesquelles le gaz utilisé subit des compressions/décompressions en faisant varier la température. Ces phases expliquent son fonctionnement et restent globalement les mêmes quels que soient les types de moteurs de Stirling.
Cette étape comprime le gaz ou le fluide utilisé pour pousser le piston. Pour cela, on élève sa température avec une source chaude (soleil, combustion, nucléaire, ...).
Le gaz comprimé exerce une pression sur le piston. De ce fait, son volume s'accroît et sa pression diminue. C'est pendant cette étape que l'on peut récupérer de l'énergie mécanique.
La source froide (air, eau ou liquide de refroidissement) récupère l'énergie thermique restante. La température et la pression du gaz diminuent.
Pendant cette étape, le piston revient à sa place initiale, ce qui recomprime légèrement le gaz en diminuant son volume.
On peut réutiliser une partie de l'énergie mécanique libérée à l'étape 2 pour repousser le piston à l'étape 4.
La réalisation d'un moteur tel que celui décrit ci-dessus poserait des difficultés : allumer le brûleur, l'éteindre, asperger puis arrêter le refroidissement, chocs thermiques successifs....
C'est pourquoi on va introduire un artifice apportant des solutions à ces problèmes : le déplaceur. Ce dernier ne modifie ni la pression ni le volume du gaz, mais l'oblige à se situer soit vers la source chaude, soit vers la source froide (qui peuvent alors fonctionner en continu).
Le volume reste constant, mais le déplaceur fait passer le gaz de la partie basse (froide) à la partie haute (chaude).
Le déplaceur suit le piston moteur au cours de la détente pour que le gaz reste en contact uniquement avec la source chaude.
Le volume reste constant, mais le déplaceur fait passer le gaz de la partie haute (chaude) à la partie basse (froide).
Le déplaceur, au cours de la compression, reste en partie supérieure pour que le gaz reste en contact uniquement avec la source froide.
Il existe différents types de moteur de Stirling. Tous utilisent le même principe et les 4 phases expliquées précédemment, mais sont organisées de différentes manières.
Le moteur alpha dissocie de façon nette la source chaude de la source froide. En effet, un cylindre réchauffe le gaz, un autre le refroidit. On se contente de faire passer le gaz d'un cylindre à l'autre.
Contrairement au moteur Alpha, le moteur Bêta n'est constitué que d'un seul cylindre. La source chaude et la source froide sont situées aux extrémités de ce cylindre. Un « déplaceur » entraîné par le piston se charge de faire passer le gaz du côté chaud et du côté froid alternativement.
Le moteur Gamma est un compromis entre le moteur Alpha et le moteur Bêta. Il a deux cylindres reliés. Dans le premier, le déplaceur fait passer l'air alternativement du côté chaud et du côté froid. Le deuxième cylindre, plus petit, loge le piston qui récupère les excès de pression.
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