Moteur Wankel

Des pistons du moteur Wankel : ils ne sont pas cylindriques.

Le moteur Wankel (/[vɑ̃kɛl]/) est un moteur à piston rotatif fonctionnant selon le cycle de Beau de Rochas, dans lequel un piston « triangulaire » convertit l'énergie 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 les fonctionnements des deux types de moteurs soient radicalement différents.

Le principe du moteur Wankel est basé sur celui de la pompe à palettes, qui remonte à la deuxième moitié du XVI^e siècle. Mais c'est seulement dans les années 1950 que le moteur est développé sous sa forme actuelle par celui qui lui a laissé son nom, l'ingénieur allemand Felix Wankel. NSU sera le premier constructeur à en obtenir la licence, équipant ses motos du moteur, avant de la céder à d'autres constructeurs.

Contrairement au moteur à piston au mouvement linéaire dans un cylindre, le moteur Wankel n'utilise pas le principe du système bielle-manivelle. Il n'engendre aucun mouvement alternatif, ce qui réduit les transformations de mouvement, les frottements, les vibrations et le bruit. L'ensemble comporte également un nombre de pièces réduit. Ces avantages en font une solution technique séduisante ; il trouve une large gamme d'applications dans tous les domaines des transports (automobiles, motos, aéronefs). Son utilisation dans des véhicules de série reste néanmoins minoritaire, principalement en raison de sa consommation importante et de problèmes d'étanchéité inhérents à son principe même. En 2010, dans le secteur automobile, le constructeur Mazda intègre encore ce moteur à ses véhicules tandis qu'Audi présente au salon de l'automobile de Genève son A1 e-Tron, un concept car hybride électrique-thermique^[1].

Historique

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 encore couramment employée de nos jours, développée par Agostino Ramelli durant la deuxième moitié du XVI^e siècle^[2]. Il s'agit d'une pompe rotative dont le rotor est muni de plusieurs palettes coulissant radialement et assurant le transfert du fluide pompé^[3]. 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^[4].

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^[2].

Les Suédois Wallinder et Skoog sont les premiers à déposer 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, ce moteur n'atteindra jamais une puissance suffisante en raison de divers problèmes d'étanchéité, de lubrification et de refroidissement, si bien que les travaux seront stoppés au bout de trois ans^[2],[4].

Travaux de Felix Wankel

Felix Wankel, ingénieur allemand passionné par le dessin industriel et le fonctionnement des machines^[5], s'installe en 1924 dans son propre atelier à Heidelberg où il dessine les premières ébauches d'un moteur à piston rotatif^[2]. Il s'attelle tout particulièrement à résoudre les problèmes d'étanchéité, subventionné massivement par le ministère de l'Air et de la Kriegsmarine sous le troisième Reich^[6]. Fort de « son expérience d'usineur, de son souci 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^[7].

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 Felix 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^[6]. Ce n'est qu'en 1959 que NSU annonce officiellement « la réussite du moteur à piston rotatif » (« The Rotary engine achieves success ») et la commercialisation prochaine d'une automobile motorisée par un moteur à piston rotatif^[4].

Conception

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

NSU, en coopération avec Felix Wankel et d'autres partenaires commerciaux, entame de 1954 à 1957 la conception d'un prototype automobile expérimental mû par un moteur Wankel. Le 1^er 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/min. Seulement quatre DKM 54 sont alors construits^[8].

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^[9].

En 1960, NSU réalise un prototype expérimental KKM 250 qu'elle installe sur une Prinz modifiée pour des essais routiers. Le prototype d'une cylindrée de 250 cm³ développe une puissance de 30 ch à 5 000 tr/min, 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/min et peut atteindre les 150 km/h^[9].

Développement

Malheureusement, la consommation excessive et la fiabilité limitée de la Spider, due au principe même du moteur Wankel, auront raison d'elle : la production sera arrêtée en juillet 1967 après 2 375 exemplaires vendus^[10]. 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^[11].

Rapidement, Mazda fait face comme NSU à des problèmes de fiabilité, en raison de phénomènes de vibrations frictionnelles des segments d'arête ayant lieu dans la chambre de combustion et engendrant des « chatter marks » ou marques de cognement caractéristiques. Dans ce cas, le segment d'arête s'use rapidement et n'assure plus l'étanchéité. La longévité du moteur en est grandement réduite^[11],[12].

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

De nombreuses études sont réalisées dans le but d'améliorer l'efficacité de l'étanchéité et de diminuer les vibrations du moteur. Une première étude porte sur l'optimisation des matériaux utilisés pour le carter et les segments. En effet, il est avéré que le carbone et la fonte d'acier utilisée pour les segments sont incompatibles, d'autant plus lorsqu'un placage en chrome est appliqué sur le carter. Afin d'éviter de remplacer l'ensemble des matériaux, les constructeurs allemands Daimler et Mercedes-Benz développent et proposent un traitement dénommé « Nikasil », alliant au nickel des particules de carbure de silice. Ce traitement présente l'avantage de mieux fixer l'huile et donc d'améliorer la lubrification. Néanmoins, il ne suffit pas à résoudre le problème d'usure des segments. Bien que Mazda trouve une solution dans la fabrication de segments 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^[12].

Production en série

Vidéo d'un moteur Wankel bi-rotor sur son vilebrequin.

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 dues à la succession de « ratés d'allumage » et de combustions normales. Le premier moteur bi-rotor, d'une cylindrée de 2 x 399 cm³, équipe une Mazda Type L8A, prototype sportif^[13]. La Mazda Cosmo Sports 110S, lancée en 1967, suit la NSU Spider et devient l'une des premières voitures de série au monde à être équipées d'un moteur Wankel. Équipée d'un bi-rotor de 2 x 491 cm³, la Cosmo Sport développe 110 ch^[13]. 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 bi-rotor. Dévoilée la première fois sous la forme d'un prototype expérimental 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 perplexes les potentiels acheteurs — la crise pétrolière des années 1970 renchérissant le prix de l'essence^[14].

Néanmoins, la luxueuse NSU Ro80, dernier modèle de la marque, aura bien plus de succès que la Citroën, puisque 37 389 exemplaires seront vendus. « Ambitieuse technologiquement comme du point de vue esthétique, elle incarne un audacieux parti pris d’innovation »^[15]. Son ambition est d'ailleurs clairement affichée, 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 »^[15].

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 permettant 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 coûteuses sont définitivement abandonnées^[16].

Mazda, qui a commencé la production d'automobiles propulsées par un moteur à piston rotatif en même temps que Citroën, est en 2009 le seul constructeur à proposer des modèles automobiles équipés du moteur Wankel, dont l'une des plus célèbres à l'heure actuelle est la Mazda RX-8^[17]. Ce dernier constructeur a même réussi à remporter les 24 heures du Mans en 1991 avec la Mazda 787B, un prototype mû par un quadrirotor Wankel atmosphérique de 700 ch. Cette victoire est 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^[18],[19].

Anatomie

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^[20].

Le centre du piston est creusé de façon à y insérer le vilebrequin. La couronne intérieure ainsi formée est usinée pour obtenir les dentures nécessaire à l'engrènement entre le piston et le pignon fixé sur le vilebrequin. Cet engrènement ne participe pas à la transmission du couple mais uniquement au guidage du piston^[21]. Le rapport de denture est de 3:2, de telle sorte que la vitesse angulaire du piston n'est que de 2/3 de celle de l'arbre. De plus, l'arbre et le piston tournent en sens inverse, si bien que la vitesse relative du piston par rapport au carter n'est que d'un tiers de celle du vilebrequin^[21]. 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^[20].

Étant données 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 thermique et une dureté superficielle élevée. Ce sont les raisons pour lesquelles la fonte à graphite nodulaire est généralement choisie. Afin de diminuer les masses en rotation, l'aluminium est également couramment employé^[22].

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^[23]. 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^[24].

L'équation de l'épitrochoïde est donnée, en coordonnées cartésiennes, par le système d'équations suivant, où e désigne l'excentricité, R la longueur entre le centre du piston et l'un des sommets du piston, et α l'angle de rotation^[23] :

$\begin{cases} x = e\,\cos{\alpha} + R\,\cos{(\alpha/3)}\\ y = e\,\sin{\alpha} + R\,\sin{(\alpha/3)} \end{cases}$.

Le carter, composé en réalité de la trochoïde (« rotor housing ») et de deux flasques (« side housing ») nécessaires à fermer l'enceinte, doit être capable de résister aux contraintes 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^[25].

La trochoïde est particulièrement soumise à des contraintes thermomécaniques plus sévères que sur les moteurs à soupapes. Étant donné que le passage des gaz frais et des gaz brulés se fait toujours dans deux zones différentes, la température ne peut être moyennée, ce qui entraîne de surcroît de fortes contraintes thermochimiques sur le lubrifiant^[26].

Vilebrequin et paliers

Le vilebrequin d'un moteur Wankel est beaucoup plus court que celui d'un moteur bielle/piston multicylindre.

Dans le moteur Wankel, le vilebrequin est la pièce assurant le transformation du mouvement de révolution du piston en un mouvement circulaire. Sa fonction diffère donc de celle d'un vilebrequin dans un moteur 4 temps^{[Note 1]}. Le vilebrequin présente autant de paliers qu'il y a de pistons. Ces paliers, excentrés de l'axe du vilebrequin de l'excentricité e, sont solidaires des différents pistons. Le diamètre des paliers est notamment défini en fonction du dessin de la couronne et de l'arrangement des segments^[27].

Équilibrage du moteur Wankel en fonction du nombre de rotors.
Source : Kenichi Yamamoto, Rotary Engine

Le vilebrequin d'un moteur Wankel n'est pas soumis, contrairement à celui d'un moteur classique, à d'importantes vibrations de torsion. C'est pourquoi on peut le fabriquer dans un matériau beaucoup plus rigide. On utilise généralement de l'acier allié de chrome et/ou de molybdène^[27].

Le moteur à piston rotatif, de par sa conception, présente un « équilibrage mécanique parfait »^[21]. Néanmoins, un équilibrage du vilebrequin est réalisé pour palier les irrégularités du couple moteur, caractéristique de tous les moteurs à combustion interne^[21]. L'équilibrage du vilebrequin est donc obtenu par l'adjonction de deux masses définies en fonction de la masse d'un rotor, de la distance entre les deux masses, de la distance entre le rotor et une masse, et de la distance des masses à l'axe du vilebrequin^[27].

Technique

Schéma du moteur Wankel :
1 : Conduit d'admission
2 : Conduit d'échappement
3 : Trochoïde (stator)
4 : Chambres
5 : Pignon
6 : Piston (rotor)
7 : Couronne
8 : Excentricité du vilebrequin
9 : Bougie d'allumage

Fonctionnement global

Ce moteur à combustion interne 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^[28].

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 va s'écarter puis se rapprocher du carter, permettent de réaliser les opérations de compression et de détente. La couronne dentée du piston engrène un pignon fixe par rapport au bâti tandis que le vilebrequin, solidaire du piston au niveau d'un palier, permet de transmettre le couple aux roues. L'excentricité permet de régler le « rapport volume » de compression/volume de détente^[24].

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^[28]. La lumière d'admission peut être placée soit à travers la trochoïde (« admission périphérique ») soit à travers le flasque (« admission latérale »)^{[26],[Note 2]}.

Dans une admission périphérique, les lumières sont ouvertes ou fermées par les segments d'arête. Ce type d'admission offre une plus faible résistance à l'écoulement des gaz étant donné que la direction de cet écoulement ne s'oppose pas à la révolution du piston. Dans une admission latérale, le piston est responsable de l'ouverture ou non de la lumière d'admission. Ce dernier type d'admission est soumis à des contraintes liées aux dimensions du piston, au positionnement des segments flancs — il faut éviter le chevauchement des segments flancs avec la lumière pour une bonne lubrification des segments — la direction de l'écoulement des gaz, etc. En revanche, cette admission maximise le temps et la surface d'ouverture^[26].

Allumage

Animation du fonctionnement quatre temps du moteur Wankel.

Dans un moteur Wankel, les bougies d'allumage ont généralement tendance à s'encrasser lors d'une utilisation à faible charge du moteur. En effet, à l'inverse d'un moteur quatre temps où le PMH de balayage permet le nettoyage de la bougie, le moteur Wankel, tout comme le moteur deux temps, ne possède pas de temps de « nettoyage »^[24].

Deux bougies par rotor sont généralement utilisées pour déclencher la combustion du mélange air-essence afin d'augmenter la vitesse d'inflammation du mélange^[29]. Étant donné que la chambre de combustion est très aplatie, l'ajout d'une bougie supplémentaire permet d'améliorer la combustion et la propagation du front de flamme. De surcroît, une meilleur combustion diminue l'émission de polluants et notamment la production d'hydrocarbures^[30].

Lubrification

À l'image des moteurs à allumage commandé classiques, l'huile est stockée dans un carter située en dessous du moteur. Une pompe, entraînée par le moteur, permet d'aspirer l'huile puis de la refouler dans l'arbre moteur où elle lubrifie paliers, excentriques et pistons (couronnes dentées et pignons fixes)^[24].

Les segments de flanc et les segments d'arêtes du rotor sont quant à eux lubrifiés d'une manière particulière. Un doseur injecte de l'huile dans l'admission, avant les gaz frais, selon une quantité définie en fonction du régime moteur et de l'ouverture des papillons du carburateur^[24]. Pour éviter d'éventuelles lacunes de lubrification, de l'huile est incorporée dans l'essence dans une proportion inférieure à 1 %^[31].

Systèmes d'étanchéité

Photographie d'un segment d'arête.

Dans un moteur Wankel, plusieurs dispositifs distincts sont utilisés pour assurer l'étanchéité. Les deux flancs triangulaires du piston présentent deux segments joints, un entre l'excentrique et le flasque d'une part, et un entre l'excentrique et le rotor d'autre part. Par ailleurs, situés à faible distance des bords curvilignes, des segments flancs (« side seal ») sont encastrés afin de retenir les gaz et empêcher leur pénétration au niveau du vilebrequin. Ces derniers segments sont maintenus dans leur positon contre les parois de la gorge grâce à des bandes d'acier ondulées^[24],[32].

Une différence majeure entre le moteur Wankel et les moteurs 4 temps classiques réside dans l'espacement entre les différents segments des pistons — éloignés dans le premier cas, proches dans le second. Cet important « entre segment » du moteur Wankel permet de maintenir, par l'intermédiaire d'un canal reniflard à soupape, une pression faible — de l'ordre de 200 millibars — aux éventuels gaz ayant franchi les premiers segments. Par ce procédé, une résistance « naturelle » s'applique au passage entre les résidus de combustion et l'huile^[24],[32].

Les trois sommets du rotor sont également munis d'un segment d'arête (« apex seal »), afin d'assurer l'étanchéité entre les différentes chambres et éviter le passage des gaz entre ces dernières. Étant donné qu'ils sont exposés à des pressions élevées et soumis à des contraintes importantes dues aux frottements avec le rotor, les segment d'arête ont fait l'objet d'une étude poussée pour améliorer son efficacité et notamment sa durabilité^[32]. Ce type de segment se compose généralement de trois parties : une barrette transversale logée dans une gorge, plaquée contre le stator par une lame d'acier incurvée, munie à chacune de ses extrémités d'un segment d'angle (« corner seal »). Ces derniers sont placés dans des barillets, maintenus en contact sur le flasque par un ressort^[24]. Les segments d'arête sont généralement constitué d'un matériau en carbone auto-lubrifiant^[32].

Refroidissement

Des pièces trochoïdes de moteur Wankel : on y aperçoit les lumières permettant, entre autres, le passage du liquide de refroidissement.

La température de la surface intérieure de la trochoïde est importante à prendre en compte car elle conditionne la formation d'une fine couche d'huile nécessaire à la lubrification, ainsi que le bon fonctionnement des segments d'arête. Étant donné que la surface en contact avec les gaz brûlés est plus importante sur le moteur Wankel que sur le moteur 4 temps classique, il est nécessaire de prévoir un refroidissement particulier non seulement pour la trochoïde, mais également pour le piston^[33].

La trochoïde et les flasques sont ainsi percés de part et d'autre pour permettre la circulation des fluides (eau ou air en général). La circonférence de la trochoïde est également percée, tandis que les flasques sont creusés^[33].

Performances

Les moteurs sont parfois caractérisés 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 $\epsilon_{\mathrm{th}}$, les dimensions extérieures du carter, etc. Cette constante est généralement comprise entre 6 et 8. Bien sûr, plus la constante K est élevée, plus $\epsilon_{\mathrm{th}}$ est élevé^[34].

La cylindrée du moteur, de façon analogue à un moteur alternatif classique, est la différence entre le volume maximal V_max et le volume minimal V_min formé entre le rotor et la trochoïde. En utilisant les équations de la trochoïde, il est possible de démontrer que le volume V de la chambre de travail (« Working chamber ») est donné par la formule suivante^[23] :

$V(\alpha) = \frac{\pi}{3}e^2 + eR\left[2 \cos\left(\varphi_{\mathrm{max}}\right)-\frac{3\sqrt{3}}{2}\sin\left(\frac{2}{3}\alpha+\frac{\pi}{6}\right)\right] + \left(\frac{2}{9}R^2+4e^2\right){\varphi_{\mathrm{max}}}$

où ϕ_max = arcsin(3 / K) est l'angle d'oscillation maximal. On obtient ainsi la cylindrée du moteur C et le rapport de compression $\epsilon_{\mathrm{th}}$ ^[34] :

$\epsilon_{\mathrm{th}} = \frac{V_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{min}}}$ $C = V_{\mathrm{max}}-V_{\mathrm{min}} = 3\sqrt{3}eR$

Néanmoins, cette cylindrée n'est pas directement comparable à celle des autres moteurs car 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 définie en prenant les deux tiers du produit de la cylindrée unitaire du moteur Wankel multipliés par le nombre de chambres et par le nombre de rotors^[24].

Avantages et inconvénients

Avantages

L'encombrement du moteur Wankel est plus faible que celui d'un moteur alternatif.

Les avantages de fonctionnement procurés par le moteur à piston rotatif sont nombreux et variés. Étant donné qu'aucune pièce n'effectue de mouvement alternatif, l'équilibrage du moteur est presque parfait ce qui induit un niveau de vibrations inférieur et de ce fait, une réduction du niveau sonore jusqu'aux vitesses de rotation les plus élevées^[24],[35]. Néanmoins, les vibrations ne sont pas, comme certaines sources peuvent le laisser à penser, totalement absentes. Le piston combine un mouvement de rotation et de révolution, causant un phénomène de balourd et donc de vibration. Ces vibrations restent cependant moindres par rapport aux moteurs à piston alternatifs.

Le cycle à 4 temps se passe des organes de distribution du moteur 4 temps à mouvement alternatif (arbre à cames, soupape...). La suppression de tous ces éléments permet d'obtenir un moteur plus simple, plus léger et moins encombrant^[5]. Le moteur atteint par ailleurs un régime-moteur beaucoup plus élevé étant donné que les vibrations induites par les accélérations et les décélérations des pistons d'un moteur alternatif sont réduites. L'écoulement des gaz s'effectue alors selon un mouvement continu, sans retour sur lui-même ni changement de sens. En se faisant à faible pression et sur une durée importante, la combustion permet une véritable douceur de fonctionnement en éliminant les chocs existant sur un moteur classique. Dans ces derniers, les gaz sont entraînés par le piston qui descend, rendant difficile la combustion complète du mélange^[36].

Dans le moteur rotatif, le piston entraîne les gaz, à une vitesse qui croît avec le régime moteur. Cette caractéristique induit une réponse rapide du moteur lors d'une sollicitation (accélérations). Il est en mesure de fournir rapidement une augmentation de la puissance, surtout à haut régimes ce qui lui confère une souplesse d'utilisation^[35]. Cette différence est plus prononcée par rapport aux 4 cylindres des moteurs alternatifs que par rapport au moteur d'un nombre de cylindres supérieur.

Inconvénients

Le prototype Citroën M35 et la GS Birotor sont apparus lors du choc pétrolier de 1973, une mauvaise période pour le moteur Wankel.

Le « talon d'Achille » du moteur Wankel fut longtemps l'étanchéité au niveau des segments d'arête, situés aux sommets du rotor, qui rendirent problématique la conception du moteur et sa production en série difficile. Véritable handicap auparavant, les joints d'étanchéité actuels permettent de « circonscrire »^[37] ce problème. Mais la conception même du moteur — piston et chambre en aluminium induisant une forte dilatation — demeura un frein à une bonne étanchéité^[37].

La forme allongée et irrégulière des chambres de combustion induit un rapport surface/volume peu propice à la propagation du front de flamme^[36]. Ce type de moteur consomme ainsi environ 20 % de carburant de plus qu'un moteur à pistons alternatifs. Cet aspect fut sûrement celui qui freina le plus les potentiels acheteurs de la Citroën GS birotor, lancée en septembre 1973, en plein choc pétrolier. Une consommation élevée entraîne, de plus, un niveau de pollution élevé et difficilement acceptable, de nos jours comme dans les années 1970^[35].

Le moteur Wankel présente un faible frein moteur. Il ralentit en effet moins vite qu'un moteur classique lorsqu'on coupe l'admission des gaz. Cet inconvénient oblige les constructeurs à revoir à la hausse le dimensionnement du circuit de freinage pour compenser ce manque de frein moteur^[35].

Malgré tout, le constructeur Japonais Mazda a considérablement amélioré le Wankel sur ses RX7 et surtout RX8, le rendant bien plus fiable et beaucoup moins gourmand qu'avant, par rapport à un moteur à pistons conventionnel.

Wankel particuliers

Moteur à hydrogène

La Mazda RX-8 Hydrogène RE est mue par un moteur Wankel à hydrogène.

Article détaillé : Moteur à hydrogène.

Le classique moteur à soupapes est peu adapté à la combustion de l'hydrogène. La faible densité du gaz nécessite des conduits d'admission et des soupapes de grand diamètre tandis que la course sinusoïdale du piston crée un pic de pression trop long au point mort haut pour permettre un fonctionnement en détonation.

La distribution étant réalisée par des lumières et non des soupapes, le moteur Wankel est plus adapté pour fonctionner à l'hydrogène : le volume d'air aspiré peut être plus important et les turbulences induites par l'admission permettent d'homogénéiser le mélange air/hydrogène. Par ailleurs, la chambre d'admission étant séparée de celle de combustion, l'implantation de deux injecteurs d'hydrogène par rotor est facilitée. Cet aspect induit également une température de la chambre de combustion plus basse ce qui limite la propension naturelle de l'hydrogène à l'auto-inflammation^[38].

Ainsi, depuis 1991, le constructeur japonais Mazda conçoit de multiples prototypes mûs par des moteurs Wankel à hydrogène. Pour fêter les 50 ans du moteur Wankel, Mazda livre en 2007 au gouvernement japonais six Mazda RX-8 Hydrogène RE fonctionnant à l’hydrogène. Cette technologie est particulièrement avantageuse pour le respect de l'environnement étant donné que les produits de la combustion de l'hydrogène sont essentiellement de l'eau^[38].

Wankel Diesel

Moteur Diesel Wankel conçu par Rolls-Royce.

Le constructeur britannique de luxueuses automobiles et de moteurs d'avions Rolls-Royce « est généralement connu pour son conservatisme, préférant à l'innovation des technologies ayant fait leurs preuves »^[39]. Néanmoins, dans les années 1960, la firme est dirigée par des ingénieurs désireux de développer de nouvelles technologies. Grâce à leurs relations professionnelles, ces ingénieurs purent faire financer leurs recherches par l'armée britannique^[39]. C'est la raison pour laquelle Rolls-Royce s'est intéressé au moteur Wankel Diesel dès 1965.

La conception d'un moteur Wankel fonctionnant au gazole offre en théorie de nombreux avantages. Il serait plus léger, plus silencieux et plus souple qu'un moteur à soupapes et il serait surtout moins gourmand en carburant que la version essence du Wankel. Le but du constructeur n'était pas tant de concevoir un moteur au gazole mais davantage un moteur « multi-fuel », c'est-à-dire un moteur pouvant fonctionner avec plusieurs types de carburants. Destiné à des véhicules militaires, ce type de moteur offre un avantage certain. Ces véhicules pourront fonctionner quelles que soient les ressources en carburant disponibles en période de guerre^[39].

En 1971, un premier moteur est mis au point. D'environ 410 kg, il s'agit d'un bi-rotor développant 350 ch à 4 500 tr/min. Étant donné que le Diesel nécessite un taux de compression de l'ordre de 18:1 voire 21:1, Rolls-Royce décide d'utiliser une suralimentation par compresseur. Ainsi, la firme utilise le moteur Wankel comme moteur et comme compresseur : le premier rotor comprime les gaz tandis que le second, plus petit, fonctionne en moteur et enflamme le gazole^[40].

Aucune utilisation commerciale de ce moteur n'a été envisagée.

Applications

Automobiles

La Mazda 787B, première voiture japonaise, équipée d'un moteur Wankel, vainqueur aux 24 Heures du Mans.

Le moteur à piston rotatif Wankel connaît évidemment une importante carrière dans le domaine de l'automobile étant donné que sa première utilisation en tant que moteur, et non pas en tant que compresseur, s'est faite sur la NSU Spider. Ce début de carrière est néanmoins peu brillant sur des véhicules de série, en raison de la consommation excessive du moteur en carburant et en huile. Les Citroën GS et NSU Ro80 font partie des automobiles les plus connues, pas forcément pour leur moteur. Néanmoins, cette dernière remporte en 1967 le titre de « Voiture de l'année », le constructeur NSU devenant ainsi le premier fabricant allemand à remporter ce prix^[41].

Le constructeur japonais Mazda s'est quant à lui fait une spécialité des automobiles à moteur Wankel. Ses modèles de série tels que la RX-8 réalisent des chiffres de ventes plus que corrects^[42]. Moins connu, Mercedes-Benz, Rolls-Royce ou encore General Motors produiront des automobiles, ou tout du moins des prototypes, mues par un moteur à piston rotatif^[41].

Le moteur Wankel s'est illustré en compétition automobile, notamment sous les couleurs de Mazda. Ce dernier marque une première fois les esprits en engageant en 1973 une Sigma MC73 aux 24 Heures du Mans, pilotée par Tetsu Ikuzawa, premier pilote japonais à prendre le départ. Mazda s'illustre une deuxième fois avec la RX-7 en 1981 lorsque Tom Walkinshaw et Pierre Dieudonné remportent les 24 Heures de Spa^[43]. Mais la Mazda 787B est de loin la plus célèbre des automobiles à moteur Wankel engagées en sport automobile. En effet, elle est la première voiture japonaise, équipée d'un moteur Wankel (Mazda R26B 2,6 litres quadri-rotor), à remporter les 24 heures du Mans en 1991 avec Johnny Herbert, Bertrand Gachot et Volker Weidler. Sa brillante victoire sera d'ailleurs à l'origine de l'interdiction du moteur dans la compétition^[18].

Motos

Sa légèreté, ses faibles vibrations et sa compacité sont autant de qualités qui auraient pu expliquer l'intéressante implantation du moteur Wankel sur des motos^[37]. Néanmoins, ce dernier étant sujet à des problèmes d'étanchéité inhérents à sa conception, peu de modèles de motos en furent équipés. Ainsi, de 1974 à 1977, le constructeur Hercules produit un nombre limité de motos mues par ce type de motorisation, à l'image de la Hercules W 2000^[44].

Suzuki a produit en série une moto munie d'un moteur de ce type, la Suzuki RE5, diffusée au total à environ 7 000 exemplaires entre 1974 et 1976. Le constructeur Van Veen a également produit une toute petite série entre 1978 et 1981, et plus récemment Norton entre 1990 et 1994.

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  La Hercules W 2000 est l'une des rares motos propulsées par un moteur Wankel.

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  Une Suzuki RE5, diffusée au total à environ 7 000 exemplaires entre 1974 et 1976.

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  Une Norton F1, modèle le plus sportif du constructeur britannique.

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  Une Van Veen OCR 1000, modèle de série.

Avions et hélicoptères

Un prototype de Diamond DA20 est mû par un moteur Wankel.

Plusieurs avions seront équipés d'un moteur Wankel. Le premier d'entre eux est produit par le constructeur américain Lockheed, dénommé Q-Star. Il s'agit d'une version destinée aux civils, dérivée de l'avion de reconnaissance QT-2 utilisé par l'armée américaine dans les années 1970. Son moteur, construit par Curtiss-Wright, développait 185 ch^[45]. Le Diamond DA20, ou plutôt l'un de ses prototypes, est également l'un des avions mûs par un moteur Wankel. Il s'agit d'un avion école biplace à train tricycle^[46].

Une grande part des motoplaneurs (ASK 21 Mi, ASW 22BLE 50R, ASH 25 Mi, ASH 26, ASH 31) Alexander Schleicher sont équipé de moteurs Wankel pour les versions à décollage autonomes.

Le constructeur automobile Citroën s'est penché dans les années 1970 sur la conception d'un hélicoptère léger destiné à être vendu bon marché. Pour cela, en collaboration avec Charles Marchetti, concepteur de l'Alouette II, Citroën opte pour un moteur Wankel birotor d'une puissance de 190 ch. Les avantages du Wankel sur ce type d'engin sont ses faibles vibrations et sa légèreté. Sa consommation à puissance constante étant à peine supérieure à celle d'un moteur à pistons conventionnel et très inférieure à celle d'une turbine mais l'arrêt de la production des moteurs Wankel en Europe avec la disparition de Comotor et les difficultés financières de Citroën signent son abandon. Le projet sera abandonné en 1979 malgré des essais en vols prometteurs (200 vols réalisés)^[47].

Notes et références

Notes

1. ↑ D'ailleurs, les Anglais font la distinction entre les deux vilebrequins en utilisant deux termes différents : « Crankshaft » pour le moteur 4 temps et « Outputshaft » pour le moteur Wankel
2. ↑ La lumière d'échappement est quant à elle systématiquement placée à travers la trochoïde, en raison des contraintes thermomécaniques.

Références

1. ↑ Audi A1 e-tron – la citadine électrique sur Audi-Passion. Mis en ligne le 2 mars 2010
2. ↑ ^{a, b, c et d} Histoire des moteurs à piston rotatif, de 1588 à Felix Wankel sur Rotativement vôtre. Consulté le 10 juin 2009
3. ↑ Analyse technologique des machines volumétriques sur Médiatice. Consulté le 10 juin 2009
4. ↑ ^{a, b et c} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - History of the Rotary Engine, p. 1-3.
5. ↑ ^{a et b} Le Moteur Rotatif - Moteur Wankel sur Mécamotors. Consulté le 10 juin 2009
6. ↑ ^{a et b} (en) Mazda: History of the Rotary Engine sur Mazda.com, p. 1. Consulté le 11 juin 2009
7. ↑ Fabrice Humblet, « Genèse du moteur Wankel », p. 1. Consulté le 11 juin 2009
8. ↑ Gilles Bonnafous, « NSU Wankel Spider » sur Motorlegend, p. 1. Consulté le 11 juin 2009
9. ↑ ^{a et b} Gilles Bonnafous, « NSU Wankel Spider » sur Motorlegend, p. 2. Consulté le 11 juin 2009
10. ↑ Gilles Bonnafous, « NSU Wankel Spider » sur Motorlegend, p. 3. Consulté le 11 juin 2009
11. ↑ ^{a et b} (en) Mazda: History of the Rotary Engine sur Mazda.com, p. 2. Consulté le 11 juin 2009
12. ↑ ^{a et b} Fabrice Humblet, « Genèse du moteur Wankel », p. 2. Consulté le 11 juin 2009
13. ↑ ^{a et b} (en) Mazda: History of the Rotary Engine sur Mazda.com, p. 3. Consulté le 11 juin 2009
14. ↑ La Citroën GS birotor : « Première française à moteur rotatif » sur Rotativement vôtre. Consulté le 13 juin 2009
15. ↑ ^{a et b} Gilles Bonnafous, « NSU RO 80 » sur Motorlegend, p. 1. Mis en ligne le 3 mai 2005, consulté le 13 juin 2009
16. ↑ La fin : 1975 -1979 sur Rotativement vôtre. Consulté le 13 juin 2009
17. ↑ Mazda et le rotatif, une longue histoire d'amour sur Classic Driver. Consulté le 13 juin 2009
18. ↑ ^{a et b} Albin Le Guyader, « La Mazda 787 B » sur Le Blog Auto. Mis en ligne le 6 juin 2007, consulté le 1^er août 2009
19. ↑ 1956 : Moteur à pistons rotatifs sur Histomobile. Consulté le 24 août 2009
20. ↑ ^{a et b} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic construction, p. 19.
21. ↑ ^{a, b, c et d} Robert Bosch (2002), Le moteur à piston rotatif Wankel. Consulté le 1^er août 2009
22. ↑ (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic construction, p. 20.
23. ↑ ^{a, b et c} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic dimensions, p. 11.
24. ↑ ^{a, b, c, d, e, f, g, h, i et j} Principe et fonctionnement du moteur à piston rotatif : l'exemple du moteur Comotor Type 624 sur Rotativement vôtre. Consulté le 17 juin 2009
25. ↑ (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic construction, p. 22.
26. ↑ ^{a, b et c} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Intake and exhaust mechanism, p. 30.
27. ↑ ^{a, b et c} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Outputshaft system and bearings, p. 25-26.
28. ↑ ^{a et b} Le Moteur Rotatif - Moteur Wankel sur Mecamotors. Consulté le 16 juin 2009
29. ↑ (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Combustion and performances, p. 43.
30. ↑ (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Effect of ignition system, p. 53.
31. ↑ Technique : le moteur à piston rotatif sur Motorlegend, p. 2. Mis en ligne le 1^er août 2005, consulté le 13 juillet 2009
32. ↑ ^{a, b, c et d} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Gas sealing mechanism, p. 28-30.
33. ↑ ^{a et b} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Outputshaft system and bearings, p. 32-33.
34. ↑ ^{a et b} (en) Kenichi Yamamoto (1981), Rotary Engine - Basic dimensions, p. 14-15.
35. ↑ ^{a, b, c et d} Alexandre Lequin, « Moteur Wankel #3 » sur It’s time to clock. Mis en ligne le 28 septembre 2006, consulté le 1^er août 2009
36. ↑ ^{a et b} Moteur Wankel sur Histomobile. Consulté le 1^er août 2009
37. ↑ ^{a, b et c} Jacques Lesage, « Wankel et le piston rotatif » sur Le Blog Moto. Mis en ligne le 25 octobre 2008, consulté le 1^er août 2009
38. ↑ ^{a et b} Eric Bergerolle, « Wankel carbure à l’hydrogène - Mazda RX-8 Hydrogen Rotary Engine Concept » sur Challenges.fr, p. 1-6. Mis en ligne le 1^er avril 2004, consulté le 12 août 2009
39. ↑ ^{a, b et c} (en) John B. Hege (2002), The Wankel rotary engine - A history, Rolls-Royce and the Diesel Wankel, p. 100.
40. ↑ (en) David Scott, « Now ! A Diesel Wankel from Rolls-Royce », dans Popular Science, n^o 198, février 1971, p. 80 (ISSN 0161-7370) [texte intégral (page consultée le 13 août 2009)] 
41. ↑ ^{a et b} Fusion de NSU et Auto Union il y a 40 ans : une success Story suivie d'un nouveau départ sur Audi Passion. Consulté le 1^er août 2009
42. ↑ Premier succès commercial pour la Mazda RX-8 sur Motorlegend. Mis en ligne le 1^er août 2003, consulté le 5 septembre 2009
43. ↑ Joest Jonathan Ouaknine, « Mazda : 40 ans de rotatif » sur Le Blog Auto. Mis en ligne le 29 mai 2007, consulté le 1^er août 2009
44. ↑ (de) Hercules sur Der Wankelmotor. Consulté le 1^er août 2009
45. ↑ (de) Curtiss-Wright sur Der Wankelmotor. Consulté le 1^er août 2009
46. ↑ (en) DA20-C1 Multimission Machine sur Diamond Aircraft. Mis en ligne le 4 mai 2008
47. ↑ Quand Citroën cherchait la voie des airs sur Direction Générale de l'Aviation Civile. Consulté le 13 août 2009

Annexes

Bibliographie

• (en) Kenichi Yamamoto, Rotary Engine, Sankaido Co. Ltd., 1981 [lire en ligne]  [PDF]
• Robert Bosch, Mémento de technologie automobile, Technip, 2002 (ISBN 978-3-934584-80-8) 
• (en) John B. Hege, The Wankel rotary engine - A history, McFarland, 2002 (ISBN 978-0-7864-1177-1) [lire en ligne] 

Articles connexes

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• Moteur à combustion interne
• Cycle de Beau de Rochas
• Mazda RX-8
• Citroën GS et GSA

Liens externes

• (en) Les 40 ans du moteur Rotary, le Wankel de Mazda
• (en) Simulation de l'écoulement des fluides dans un moteur Wankel
• Son du moteur Wankel sur une Mazda 787B [vidéo]

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