Moteur Wankel

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Le piston du moteur Wankel n'est pas cylindrique.

Le moteur Wankel est un moteur à piston rotatif, décrivant un cycle quatre temps, qui n'engendre aucun mouvement alternatif, ce qui réduit les transformations de mouvement et les frottements. Un piston « triangulaire » convertit une énergie de pression, issue de la combustion du carburant, en une énergie mécanique de rotation, transmise au vilebrequin. Le moteur Wankel est, à tort, couramment désigné par le terme « moteur rotatif », bien que le fonctionnement des deux types de moteurs soit radicalement différent.

L'ensemble, comportant un nombre de pièces réduit, est plus silencieux que le traditionnel moteur à soupapes. C'est également la raison pour laquelle le moteur Wankel trouve une large application dans le domaine des transports telles que les automobiles, les motos ou encore les aéronefs.

Bien que le principe du moteur, basé sur celui de la pompe à palettes, date de la deuxième moitié du XVIe siècle, le moteur sous sa forme actuelle est inventé, développé, et son brevet vendu par celui qui lui a donné son nom, l'ingénieur allemand Félix Wankel, seulement en 1957. NSU sera le premier constructeur en obtenir la licence, équipant ses motos du moteur, avant de la céder à d'autres constructeurs. À l'heure actuelle, seul le constructeur Mazda intègre encore le moteur à ses véhicules.

Sommaire

[modifier] Histoire

[modifier] Machines à piston rotatif

Photographie d'une pompe à palettes dont le fonctionnement est proche du moteur Wankel.

Le principe du moteur Wankel remonte à celui des machines à piston rotatif et plus particulièrement à celui de la pompe à palettes, pompe encorne couramment employée de nos jours, développée par Agostino Ramelli durant la deuxième moitié du XVIe siècle[1]. Il s'agit d'une pompe rotative dont le rotor est muni de plusieurs palettes coulissant radialement et assurent le transfert du fluide pompé[2]. Graf Pappenheimgasse invente quant à lui, en 1636, la pompe à engrenages permettant de récupérer l'eau d'une fontaine. La pompe à engrenage sert aujourd'hui régulièrement, de pompe à huile dans la plupart des moteurs automobiles[3].

L'américain Cooley dépose un brevet, en 1901, pour une machine à piston rotatif, décrivant une épicycloïde intérieure. La particularité de cette machine à vapeur est d'utiliser un engrènement à denture pour mettre en rotation le piston. En 1908, l'anglais Umpleby reprend le système développé par Cooley et l'adapte afin d'obtenir une machine à combustion interne. Néanmoins, Umpleby ne parvient pas résoudre l'ensemble des problèmes liés à l'étanchéité et à la cinématique du piston[1].

Les suédois Wallinder et Skoog sont les premiers à déposée le brevet d'un moteur à combustion interne basé sur le principe d'un piston rotatif avec engrènement à denture, dont le piston en étoile à cinq branches suit une courbe hypocycloïde. Ce moteur, dont le rapport de rotation est de 5/6, est adapté aux combustions deux ou quatre temps. Un moteur similaire sera mis au point dans les années 1930 par le français Dimitri Sensaud de Lavaud, financé par les constructeurs automobiles Citroën et Renault ainsi que du ministère de l'Air, utilisant un triangle de Reuleaux comme piston à l'image du moteur Wankel actuel. La puissance est alors transmise par l’intermédiaire d’un rotor extérieur. Néanmoins, cette dernière n'atteindra jamais un niveau suffisant, en raison de divers problèmes d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement, si bien que les travaux seront stoppés trois ans plus tard[1],[3].

[modifier] Travaux de Félix Wankel

Félix Wankel, ingénieur allemand passionné par le dessin industriel et le fonctionnement des machines[4], s'installe en 1924 dans son propre atelier à Heidelberg où il dessine ce qui semble être l'ébauche d'un moteur à piston rotatif[3]. Il s'attèle tout particulièrement à résoudre les problèmes d'étanchéité, subventionné massivement par le ministère de l'Air et de la Kriegsmarine sous le troisième Reich[5]. Fort de « son expérience d'usineur, de son soucis de la précision et ses nombreuses recherches dans le domaine de la segmentation et des joints », Wankel est capable de présenter aux industriels allemands, désireux de mettre au point une nouvelle motorisation efficace et peu onéreuse — étant donné que le bilan de la Seconde Guerre mondiale est désastreux pour l'appareil industriel allemand — une technologie déjà poussée[6].

C'est en 1951 que Wankel établit ses premiers contacts avec différentes entreprises et notamment NSU avec qui, il signe le 20 décembre 1951 un contrat d'association portant sur le moteur à piston rotatif. Cependant, ce n'est pas en tant que moteur que NSU exploite la machine de Félix Wankel. En effet, NSU l'installe sur certaines de ses motos en tant que compresseur afin d'augmenter le taux de compression, donc la puissance, de leur moteur thermique classique. Le « compresseur Wankel » est très prometteur puisque les motos NSU établiront un nouveau record de vitesse aux États-Unis, à 192,5 km/h[5]. Ce n'est qu'en 1959 que NSU annonce officiellement la commercialisation d'une automobile motorisée par un, moteur à piston rotatif[3].

[modifier] Conception

La NSU Spider, première automobile à être équipée d'un moteur Wankel.

NSU, en coopération avec Félix Wankel et d'autres partenaires commerciaux, entame de 1954 à 1957, la conception d'un prototype automobile expérimental mue par un moteur Wankel. Le 1er février 1957, le prototype dénommé DKM 54 est testé sur banc moteur et affiche des performances prometteuses. Le moteur, d'une cylindrée de 125 cm3 dont le diamètre est limité à 26 cm, parvient à développer 29 ch à 17 000 tr/mn. Seulement quatre DKM 54 sont alors construits[7].

La version DKM du moteur Wankel, qui transmet la puissance par l’intermédiaire d’un rotor extérieur, ne peut selon NSU supporter une production en série en raison de sa mise en œuvre complexe. Dès 1957, NSU abandonne le principe de rotor extérieur au profit d'un système planétaire (KKM) où le rotor extérieur est désormais stationnaire, tandis que le piston tourne sur un arbre excentré. L'inconvénient de ce nouveau système est qu'il ne permet plus d'atteindre des régimes moteur élevés[8].

En 1960, NSU réalise un prototype expérimental KKM 250 qu'elle installe sur une Prinz modifiée pour des essais routiers. Le prototype d'une cylindré de 250 cm3 développe une puissance de 30 ch à 5 000 tr/mn, performances bien inférieures au précédent prototype. En 1963, NSU décide tout de même de commercialiser un modèle équipé d'un KKM 500 de 500 cm3. La NSU Spider devient ainsi la première automobile commercialisée avec un moteur Wankel. Avec un moteur placé en porte-à-faux arrière et alimenté par un carburateur Solex, la Spider développe 50 ch à 6 000 tr/mn et peut atteindre les 150 km/h[8].

[modifier] Développement

Malheureusement, la consommation excessive et la fiabilité limitée de la Spider, due au principe même du moteur Wankel, auront raison d'elle puisque la production sera arrêtée en juillet 1967 après 2 375 exemplaires vendus[9]. Malgré une production bien inférieure aux prévisions, Tsuneji Matsuda, président du groupe Toyo Kogyo (aujourd'hui Mazda), est très tôt intéressé par cette nouvelle motorisation et entame personnellement des négociations avec NSU. Elles aboutiront en juillet 1961 à un contrat de coopération avec l'approbation du gouvernement japonais[10].

Rapidement, Mazda fait face comme NSU à des problèmes de fiabilité, en raison de phénomènes de vibrations frictionnelles des segments d'apex ayant lieu dans la chambre de combustion et engendrant des « chatter marks » ou marques de cognement caractéristiques. Dans ce cas, le segment d'apex s'use rapidement et ne réalise plus son travail d'étanchéité et la longévité du moteur en est grandement réduite[10],[11].

De nombreuses études, dans le but d'améliorer l'efficacité de l'étanchéité et de diminuer les vibrations du moteur, ont été réalisées. Une première étude portait sur l'optimisation des matériaux utilisés pour le carter et les segments étant donné qu'il s'est avéré que l'association du carbone et de la fonte d'acier pour les segments était incompatible, d'autant plus lorsqu'un placage en chrome était pratiqué sur le carter. Afin d'éviter de changer l'ensemble des matériaux, les constructeurs allemands Daimler et Mercedes-Benz développe et propose un traitement dénommé « Nikasil », alliant au nickel des particules de carbure de silice, qui présente l'avantage de mieux fixer l'huile, et a fortiori, améliore la lubrification. Néanmoins, ce traitement ne suffit pas à résoudre le problème d'usure des segments. Bien que Mazda trouve une solution dans la fabrication de segment creux aux canaux entrecroisés, en raison d'une fabrication trop onéreuse, le constructeur se rabat sur des segments en carbone auto-lubrifiant imprégné d'aluminium[11].

[modifier] Production en série

La Mazda Cosmo Sports 110S est la première automobile de série à être équipée d'un moteur à piston rotatif.

Dans les années 1960, Mazda met au point des motorisations non plus munies d'un seul rotor mais de deux, trois voire quatre rotors. La combinaison de plusieurs rotors permet de diminuer les fluctuations de couple dû à la succession de « ratés d'allumage » et de combustions normales. Le premier moteur bi-rotor, d'une cylindrée de 2x399 cm3, équipe une Mazda Type L8A, prototype sportif[12]. La Mazda Cosmo Sports 110S, lancée en 1967, devient la première voiture de série au monde à être équipée d'un moteur Wankel. Équipée d'un bi-rotor de 2x491 cm3, la Cosmo Sport développe 110 ch[12]. La production s'arrêtera en 1972 avec 1 519 exemplaires vendus.

Peu de modèles d'automobiles seront équipées d'un moteur à piston rotatif, bien que Citroën et de NSU construisent ensemble, dans le cadre de leur filiale commune Comotor (Compagnie Européenne de Construction de Moteurs Automobiles), une usine dans la Sarre pour fabriquer le moteur Wankel Birotor. En France, seul Citroën commercialise une voiture à moteur Wankel birotor. Dévoilé la première fois sous la forme d'un prototype expérimentale dénommé M35, la Citroën GS Birotor, produite à partir de 1972, ne trouve pas le succès escompté. Bien que novatrice d'un point de vue ensemble moteur/châssis, sa consommation excessive et sa fiabilité laissent perplexe les potentiels acheteurs — la crise pétrolière des années 1970 renchérissant le prix de l'essence[13].

Néanmoins, la célèbre et luxueuse NSU Ro80, dernier modèle de la marque, aura bien plus de succès que Citroën puisque 37 389 exemplaires seront vendus. « Ambitieuse technologiquement comme du point de vue esthétique, elle incarne un audacieux parti pris d’innovation »[14]. Son ambition est d'ailleurs clairement affiché puisque le nom « Ro80 » fait référence à sa technique censée représenter celle des années 80. Elle désire imposer le moteur Wankel comme motorisation automobile et ainsi supplanter les moteurs « alternatifs »[14].

[modifier] Déclin d'intérêt

Moteur Wankel de la Mazda RX-8.

Le moteur Wankel, arrivé sur le marché à un mauvais moment puisque le premier choc pétrolier frappe le monde en 1973, n'a pu combler son manque d'expérience face à celle des moteurs classiques bien que son concept soit séduisant. Bien que silencieux et exempt de vibrations, sa consommation excessive demeure un frein à son développement. Il aurait fallu pouvoir lui adjoindre un turbocompresseur permet de récupérer une partie de l'énergie dissipée à l'échappement. Le bureau d'étude de Citroën continue à travailler sur le moteur à piston rotatif jusqu'au début des années 1980. Mais suite au rachat de Citroën par Peugeot, les recherches trop couteuses sont définitivement abandonnées[15].

Mazda, qui a commencé la production d'automobiles propulsées par un moteur à piston rotatif en même temps que Citroën, est désormais le seul constructeur à proposer des modèles automobiles équipés du moteur Wankel, dont l'une des plus célèbre à l'heure actuelle est la Mazda RX-8[16]. Ce dernier constructeur a même réussi à remporter les 24 heures du Mans en 1991 avec un prototype mû par un quadrirotor Wankel atmosphérique de 700 ch. Victoire néanmoins éphémère puisqu'elle entraîne l'interdiction de ce type de motorisation par la fédération sportive de la discipline, sous la pression des autres constructeurs automobiles.

[modifier] Anatomie

[modifier] Piston (rotor)

Illustration d'un triangle de Reuleaux.

Le piston rotatif (rotor), pièce mécanique assurant la transmission du couple entre le moteur et les roues, prend la forme d'un triangle équilatéral curviligne dénommé « triangle de Reuleaux ». Chacune des trois faces latérales du piston est creusée afin d'augmenter le volume de la chambre de combustion. La forme et le volume de cette « niche » sont déterminées afin d'obtenir un rapport optimal entre les performances spécifiques, la consommation d'essence et la conduite des gaz d'échappement[17].

Le centre du piston est creusé de façon à y insérer le vilebrequin. La couronne intérieur ainsi formée est usinée pour obtenir les dentures nécessaire à l'engrenement entre le piston et le pignon fixé sur le vilebrequin. Les deux surfaces triangulaires du piston sont également creusées de manière uniforme et circulaire, d'un diamètre légèrement supérieur à celui de la couronne et d'une profondeur de l'ordre 0,1 à 0,15 mm. Les surfaces circulaires obtenues, dénommées « surface de rotor » ou « rotor land », définissent la position de contact entre le piston et les flasques, pièces fermant l'enceinte moteur[17].

Étant donné les contraintes importantes liées à la combustion des gaz frais, le matériau constitutif du piston doit posséder une haute limite de fatigue à hautes températures, un faible coefficient de dilatation et une dureté superficielle élevée. Ce sont les raisons pour lesquelles la fonte à graphite nodulaire est généralement choisie. Afin de diminuer le poids en rotation, l'aluminium est également couramment employé[18].

[modifier] Trochoïde (stator)

Génération de la trochoïde par la rotation du piston.

Le carter (stator), enceinte dans laquelle le piston est guidé, est défini par le lieu des sommets du piston. Ce dernier suit une courbe épitrochoïde dont l'enveloppe définit la forme du carter, dénommée dans ce cas trochoïde[19]. Bien que dimensionnellement possible, le piston ne peut tourner dans un stator circulaire étant donné qu'il n'y aurait pas alors de variation de volume des chambres et que la direction de la pression des gaz exercées lors de la combustion serait coïncidente avec le centre du vilebrequin[20].

L'équation de l'épitrochoïde est donnée, en coordonnées cartésiennes, par le système d'équation suivant, où e désigne l'excentricité, R la longueur entre le centre du piston et l'un des sommet du piston, et α l'angle de rotation[19] :

\begin{cases} x=ecos{\alpha}+Rcos{(\alpha/3)}\\ y=esin{\alpha}+Rsin{(\alpha/3)} \end{cases} .


Le carter, composé en réalité de la trochoïde et de deux flasques nécessaires à fermer l'enceinte, doit être capable de résister aux tensions mécaniques induites par la combustion, de minimiser la différence de température — étant donné que le carter est soumis à différentes températures en différents points — et de limiter toutes déformations pour le bon fonctionnement du moteur[21].

[modifier] Vilebrequin

[modifier] Technique

Les quatre temps du moteur Wankel
1 : Admission
2 : Compression
3 : Explosion
4 : Échappement
Quatre parties du moteur Wankel
B : Bougie d'allumage
R : Piston
A : Conduit d'admission
E : Conduit d'échappement

[modifier] Fonctionnement global

Ce moteur à explosion improprement désigné par les non-spécialistes comme un moteur rotatif est un moteur à piston rotatif ou moteur volumétrique à engrenages équilibré. Il s'agit du seul de ce type qui ait connu un développement industriel. Moteur à quatre temps, il fonctionne avec un mélange d'air et d'essence, à l'image des moteurs à allumage commandé[22].

Le piston tourne dans la trochoïde délimitant ainsi trois chambres dont les volumes varient en fonction de la position angulaire du piston. Chacune des trois faces du piston vont s'écarter puis se rapprocher du carter, permettent de réaliser les opérations de compression et de détente. Ce piston est solidaire d'un arbre excentré, par engrenement entre la couronne dentée du piston et pignon fixe de l'arbre, qui transmet le couple moteur aux roues. L'excentricité permet de régler le « rapport volume » de compression/volume de détente[20].

Le moteur ne comporte pas de soupapes, mais deux lumières comme un moteur à deux temps si bien qu'il ne compte que 5 pièces en mouvement contre 85 pour un moteur classique à 4 cylindres. Ces lumières, fermées puis ouvertes tour à tour par le passage du piston, permettent pour l'une, l'admission des gaz frais, et pour l'autre, l'échappement des gaz brûlés[22].

[modifier] Allumage

[modifier] Lubrification

[modifier] Systèmes d'étanchéité

[modifier] Refroidissement

[modifier] Performances

Animation du fonctionnement du moteur.

Les moteurs sont parfois distingués par leur constante K, dénommée « constante trochoïde », définie par K = R / e. Cette constante donne une bonne indication des paramètres moteurs tels que l'angle maximal de rotation, le taux de compression optimal théorique εth, les dimensions extérieurs du carter, etc. Cette constante est généralement prise entre 6 et 8. Bien sur, plus la constante K est élevée, plus εth est élevé[23].

La cylindrée du moteur, de façon analogue à un moteur alternatif classique, est la différence entre le volume maximal V et le volume minimal v formée entre le rotor et la trochoïde. En utilisant les équations de la trochoïde, il est possible de démontrer que les volumes F de la chambre de travail (« Working chamber ») sont donnés par la formule suivante[19] :

F = \frac{\pi}{3}e^2 + eR[2cos(\phi_{max})-\frac{3\sqrt{3}}{2}sin(\frac{2}{3}\alpha+\frac{\pi}{6})] + (\frac{2}{9}R^2+4e^2){\phi_{max}}

où φmax = arcsin(3 / K) est l'angle d'oscillation maximal. On obtient ainsi la cylindrée du moteur C et la rapport de compression εth [23] :

\epsilon_{th} = \frac{V}{v} = \frac{F_{(sin=-1)}}{F_{(sin=1)}}
C = V-v = 3\sqrt{3}eR

Néanmoins, cette cylindrée n'a pas de sens si elle n'est pas comparable aux autres moteurs étant donné qu'un moteur alternatif effectue un cycle thermodynamique en deux rotations contre trois pour le moteur Wankel. Pour permettre la comparaison, une cylindrée équivalente est généralement définies en prenant les deux tiers du produit de la cylindrée unitaire du moteur Wankel, par le nombre de chambres et par le nombre de rotors[20].

[modifier] Avantages et inconvénients

[modifier] Avantages

[modifier] Inconvénients

[modifier] Annexes

[modifier] Références

  1. ↑ a  b  c  (fr) Histoire des moteurs à piston rotatif, de 1588 à Félix Wankel sur Rotativement vôtre. Consulté le 10 juin 2009
  2. ↑ (fr) Analyse technologique des machines volumétriques sur Médiatice. Consulté le 10 juin 2009
  3. ↑ a  b  c  d  (fr) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - History of the Rotary Engine, pp. 1-3.
  4. ↑ (fr) Le Moteur Rotatif - Moteur Wankel sur Mécamotors. Consulté le 10 juin 2009
  5. ↑ a  b  (en) Mazda : History of the Rotary Engine sur Mazda.com, p. 1. Consulté le 11 juin 2009
  6. ↑ (fr) Fabrice Humblet, « Genèse du moteur Wankel », p. 1. Consulté le 11 juin 2009
  7. ↑ (fr) Gilles Bonnafous, « NSU Wankel Spider » sur Motorlegend, p. 1. Consulté le 11 juin 2009
  8. ↑ a  b  (fr) Gilles Bonnafous, « NSU Wankel Spider » sur Motorlegend, p. 2. Consulté le 11 juin 2009
  9. ↑ (fr) Gilles Bonnafous, « NSU Wankel Spider » sur Motorlegend, p. 3. Consulté le 11 juin 2009
  10. ↑ a  b  (en) Mazda : History of the Rotary Engine sur Mazda.com, p. 2. Consulté le 11 juin 2009
  11. ↑ a  b  (fr) Fabrice Humblet, « Genèse du moteur Wankel », p. 2. Consulté le 11 juin 2009
  12. ↑ a  b  (en) Mazda : History of the Rotary Engine sur Mazda.com, p. 3. Consulté le 11 juin 2009
  13. ↑ (fr) La Citroën GS birotor : « Première française à moteur rotatif » sur Rotativement vôtre. Consulté le 13 juin 2009
  14. ↑ a  b  (fr) Gilles Bonnafous, « NSU RO 80 » sur Motorlegend, p. 1. Mis en ligne le 3 mai 2005, consulté le 13 juin 2009
  15. ↑ (fr) La fin : 1975 -1979 sur Rotativement vôtre. Consulté le 13 juin 2009
  16. ↑ (fr) Mazda et le rotatif, une longue histoire d'amour sur Classic Driver. Consulté le 13 juin 2009
  17. ↑ a  b  (fr) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic construction, p. 19.
  18. ↑ (fr) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic construction, p. 20.
  19. ↑ a  b  c  (fr) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic dimensions, p. 11.
  20. ↑ a  b  c  (fr) Principe et fonctionnement du moteur à piston rotatif : l'exemple du moteur Comotor Type 624 sur Rotativement vôtre. Consulté le 17 juin 2009
  21. ↑ (fr) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic construction, p. 22.
  22. ↑ a  b  (fr) Le Moteur Rotatif - Moteur Wankel sur Mecamotors. Consulté le 16 juin 2009
  23. ↑ a  b  (fr) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic dimensions, pp. 14-15.

[modifier] Bibliographie

[modifier] Articles connexes

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[modifier] Liens externes

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