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Le moteur à piston rotatif d’une voiture

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Pour de nombreux amateurs d’automobiles, les mots Wankel et moteur à piston rotatif sont devenus pratiquement synonymes. Le premier moteur à piston rotatif à combustion interne mis en production a, en effet, été monté sur une voiture conçue par Félix Wankel, un ingénieur allemand qui avait travaillé pendant de nombreuses années sur les problèmes posés par les moteurs à distributeurs rotatifs. Il n’existe pas à proprement parler de moteur Wankel, puisque cet ingénieur a étudié de nombreux types différents. D’autre part, il n’est pas non plus le père du moteur rotatif qu’on lui attribue, puisque ce moteur fut étudié par un autre ingénieur. En fait, les moteurs rotatifs actuels résultent du travail de nombreux ingénieurs, chacun ayant amélioré et développé des idées existantes.

Les premiers moteurs rotatifs

L’idée du moteur rotatif est loin d’être nouvelle. En pratique, ce moteur existe depuis longtemps, sous la forme des moulins à vent et des moulins à eau, utilisés depuis des siècles pour moudre le lin et le blé ; ce sont des moteurs primitifs, mais effectivement rotatifs. Le problème majeur de ces moteurs était l’inconstance de leur source d’énergie à partir du XVIIIe siècle, on a cherché à développer des moteurs rotatifs qui dépendraient, au plan de l’énergie, d’une source mieux contrôlable et plus régulière que le vent ou le cours de l’eau.

 


Le moteur rotatif de Watt

Dès 1769, James Watt, l’inventeur de la machine à vapeur, prit les brevets d’un moteur dans lequel la pression de la vapeur entraînait une turbine à ailettes dans un carter circulaire. Ce moteur n’a pas connu un grand succès, car il n’était pas compétitif, en rendement comme en puissance, par rapport aux moteurs à vapeur traditionnels à mouvement alternatif. L’idée a donc été rapidement abandonnée.

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1 L’un des premiers moteurs rotatifs, conçu par Galloway en 1846, fonctionnait à la vapeur. Son rendement était faible.2 Cooley étudia cette disposition en 1903. Bien que ce moteur n’ait pas été développé, il présentait les caractéristiques de base des moteurs ultérieurs.
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3 Cette machine, conçue par B. Maillard et brevetée en 1943. fonctionnait selon le même principe que le moteur Wankel ; mais il s’agit ici d’une pompe.4 Une épitrocoïde correspond au trajet effectué par un point fixe de la circonférence d’un cercle tournant comme une roue autour du cercle de base.

 


Le moteur rotatif Galloway

En 1846, un ingénieur nommé Elijah Galloway se pencha de nouveau sur le problème du moteur rotatif et mit au point une disposition épicycloïdale à cinq lobes, dans laquelle le rotor était entraîné par la pression de la vapeur (schéma 1). Le moteur de Galloway avait donc cinq chambres, chaque branche ou lobe de rotor se déplaçant selon un cercle à l’intérieur de sa propre chambre, en restant toujours en contact avec la paroi. Les lobes des rotors étaient disposés de façon que les espaces situés entre les parois augmentent ou diminuent de façon progressive.

 

La vapeur sous pression entrait d’un côté de la chambre et forçait le rotor vers le côté opposé, avant de sortir par une deuxième lumière ; celle-ci, ouverte et fermée par une plaque coulissante montée sur le vilebrequin (un « tiroir »), tournait avec le rotor, pour entretenir et répéter automatiquement la séquence. Le principal défaut de cette disposition résidait,dans la difficulté à obtenir l’étanchéité entre les différentes chambres (problème resté celui de tous les moteurs rotatifs ultérieurs) ; le rendement était par conséquent insuffisant.

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5 Le cycle du moteur rotatif est à quatre temps ; il s’effectue en un tour de vilebrequin et trois tours du rotor.

 

Quelques-uns de ces moteurs ont été construits et montés sur des bateaux, mais aucun n’a développé plus de 16 chevaux, puissance évidemment très insuffisante, surtout pour une automobile. Cette solution fut donc rapidement abandonnée. En dépit d’expériences ultérieures, la vapeur ne devait jamais constituer une énergie suffisante pour actionner un moteur rotatif performant.

 

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6 L’étanchéité des chambres de combustion a posé et pose encore de gros problèmes aux ingénieurs. Voici un dispositif courant de segments.7 Une solution aux problèmes de la variation de l’avance à l’allumage en fonction du régime est d’utiliser 2 bougies calées à 5° de rotation l’une de l’autre.

 


Le moteur rotatif Cooley

John Cooley, autre ingénieur s’intéressant au problème du moteur rotatif, mit au point, puis breveta en 1903 une pompe et un moteur à vapeur. Le moteur comportait deux rotors (schéma 2), le premier étant positionné sur le même axe et à l’opposé du second. En fait, le rotor intérieur était une ellipse à bords parallèles et rectilignes, et le rotor extérieur avait trois lobes, rappelant un triangle équilatéral. Les deux rotors tournaient dans le même sens sur des axes fixes. Un pignon de vingt dents sur le rotor intérieur, s’engageant avec un anneau de trente dents coaxial sur le rotor extérieur, permettait d’obtenir un rapport de démultiplication de trois à deux ; de cette manière, le rotor intérieur effectuait une révolution et demie pour chaque tour du rotor extérieur.

 

La variation volumétrique de chacune des trois chambres se faisait donc successivement, du fait de la rotation des rotors. La position dans laquelle chacune des chambres avait le volume minimum restait toujours la même par rapport au carter fixe, et il en était de même pour la position du volume maximum. Il suffisait donc de pratiquer un seul passage d’admission, et un d’échappement. La vapeur sous pression entrait dans l’une des chambres lorsqu’elle était à son volume minimum et forçait ainsi le rotor à tourner jusqu’à atteindre le point de volume maximum. À ce point, la vapeur s’échappait.

 

Ce moteur n’a jamais été vraiment mis au point en tant que moteur à vapeur, et Cooley n’a pas cherché à l’adapter à la combustion interne. Il présente cependant un intérêt, car certains des principes de base nécessaires pour construire un moteur rotatif performant (calage relatif du rotor et du lobe grâce à des pignons, déplacement excentrique du rotor intérieur) étaient déjà contenus dans les découvertes de Cooley. On devait les retrouver dans le moteur Wankel.

 


Autres études

En 1923, Wallinder et Skoog ont breveté un dispositif dans lequel un rotor intérieur à cinq lobes était utilisé conjointement à un rotor extérieur à six lobes. Un dessin similaire fut breveté le 14 novembre 1938 par Dimitri Sensaud de Lavaud, aidé alors par Citroën et par Renault. Mais ce moteur fut abandonné en 1941, en raison de la faible puissance développée.

 

L’un des dispositifs rotatifs les plus efficaces n’était pas un moteur mais une pompe, construite et brevetée en 1943 par Bernard Maillard. Cette machine comportait un rotor à trois lobes, tournant selon une orbite à l’intérieur d’un carter fixe à deux lobes. Cette disposition fut d’ailleurs utilisée plus tard par Wankel. L’arbre d’entrée dans la pompe était concentrique au carter (schéma 3) ; une came sur cet arbre, ou vilebrequin, produisait à la fois la rotation et l’excentricité du rotor. Il y avait deux lumières d’admission et deux lumières d’échappement, calées à 180° les unes par rapport aux autres. Deux cycles complets se produisaient dans chacune des trois chambres à chaque révolution

  • pendant le temps d’admission, le volume de la chambre augmentait jusqu’à son maximum du fait de la géométrie relative du rotor et du carter lorsque le premier tournait dans le second ;
  • pendant le temps d’échappement, le volume de la chambre se réduisait à zéro.

Étant donné qu’il y avait deux lumières, cette machine ne pouvait pas fonctionner comme un moteur, mais bien comme une pompe. Sa conception était cependant très proche de celle du moteur Wankel.

 

Aucun des premiers moteurs rotatifs n’a seulement approché les performances (puissance et rendement) réalisés par les moteurs classiques à pistons alternatifs, ceci en raison, surtout, du manque d’étanchéité entre les différentes chambres. Félix Wankel a réussi à résoudre ce problème de façon assez satisfaisante, ce qui permit à son moteur d’être construit et monté sur des voitures de petite série.

 


Le moteur Wankel

Félix Wankel a résolu nombre de problèmes concernant le moteur rotatif à combustion interne, en travaillant pendant trente ans sur l’étanchéité des moteurs conventionnels, des compresseurs et des moteurs à distributeurs rotatifs. Il avait ainsi acquis une expérience et des connaissances importantes, lorsqu’il a commencé à travailler sur les moteurs rotatifs.

 

La première application pratique s’est traduite par le montage du moteur Wankel sur la NSU Spyder en septembre 1963. Quatre ans plus tard apparaissait une voiture conçue spécifiquement pour recevoir le moteur Wankel, qui a connu un succès honorable : la NSU RO 80. Une étroite collaboration entre NSU et Citroën permit la mise au point d’un moteur rotatif expérimental monté sur 267 prototypes M 35 en 1970, puis d’un moteur birotor qui, en 1974, fut adapté à la GS. Une consommation de carburant très élevée, en pleine crise pétrolière, et (toujours) des problèmes d’étanchéité sonnèrent le glas du modèle dès l’année suivante (après 1 000 exemplaires produits), en dépit de réelles qualités routières.

 

Seul le constructeur japonais Toyo Kyogo (marque Mazda) a poursuivi de façon intéressante les études entreprises avec Wankel dès 1963, mettant au point le moteur de la Mazda Cosmo Sport en 1967. Celui-ci a permis le développement du modèle RX 7, commercialisé avec succès, sur lequel il est aujourd’hui question d’adapter un turbocompresseur. Les diverses évolutions du moteur rotatif Wankel ont une base commune, reposant sur un même principe, au demeurant assez simple.

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Citroën GS

 


Fonctionnement du moteur

Le principe de fonctionnement cyclique du moteur rotatif ne diffère pas beaucoup de celui du moteur à pistons alternatifs. Mais le fonctionnement mécanique, lui, diffère complètement. Un (ou plusieurs) rotor(s) remplace(nt) les pistons traditionnels ; un (ou plusieurs) carter(s) remplace(nt) le bloc cylindre et la culasse. Un arbre tournant excentrique se substitue au vilebrequin classique. Le moteur rotatif n’utilise ni soupapes d’arbres à cames, ni poussoirs ou tiges de culbuteurs. En dehors de cela, le refroidissement et la lubrification restent classiques, tandis que l’allumage, la carburation et l’échappement diffèrent légèrement de ceux d’un moteur normal. Dans un alésage central se trouvent un palier et un anneau denté (schéma 5).

 

Le rotor (schéma 6) a la forme d’un triangle équilatéral aux faces légèrement convexes. Le carter dans lequel tourne le rotor a une forme telle qu’il y a un contact constant entre les trois crêtes du triangle lorsque le rotor fonctionne. Bien entendu, les couvercles avant et arrière du carter sont en contact constant avec les deux côtés du rotor. Il y a donc ainsi en permanence trois chambres séparées, mais de volume variable, lorsque le rotor tourne.
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De nombreux prototypes à moteur Wankel ont été étudiés ; l’un des plus extraordinaires est la Mercedes Benz C 111 M K Il de 1970.

 

L’arbre principal excentrique tourne dans des paliers dans le couvercle arrière et dans le pignon fixe. Lorsque cet arbre tourne, les lobes s’appuyant sur le rotor obligent celui-ci à tourner autour du pignon fixe, entraîné en permanence avec l’anneau interne. Le pignon fixe a seulement les deux tiers du nombre de dents de l’anneau : lorsque l’arbre tourne, il entraîne le rotor en même temps, de façon excentrique et dans le même sens, mais au tiers de la vitesse. Inversement, si le rotor est entraîné, il fait tourner l’arbre aux deux tiers de sa propre vitesse. Les vitesses relatives du rotor et de l’arbre dépendent directement de la démultiplication entre l’anneau et le pignon fixe, qui portent donc le nom de pignons de synchronisation. Sur tous les moteurs Wankel, la démultiplication est de trois à deux.

 

Le carter dans lequel le rotor tourne de façon excentrique a une forme épitrocoïdale. Une épitrocoïde est le trajet parcouru par un point fixe, situé à la périphérie d’un cercle lorsque celui-ci tourne sur un autre cercle. En fonction de la dimension des deux cercles, il est possible d’obtenir de nombreuses épitrocoïdes différentes. Pour le moteur Wankel, le cercle tournant a comme diamètre le rayon du cercle fixe. La forme du rotor et du carter, le rapport de démultiplication des pignons et l’excentricité de l’arbre sont en relation étroite.

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8 Rolls Royce a étudié un moteur rotatif Diesel dans lequel la compression du mélange se fait grâce à un second rotor utilisé comme compresseur.9 Différents dispositifs d’injection d’essence montés sur les moteurs Wankel utilisent habituellement un système d’admission de ce type.

 


Le cycle de combustion du moteur rotatif

Le moteur rotatif conçu par Wankel est un moteur à combustion interne dans lequel une bougie conventionnelle allume un mélange d’air et d’essence comprimé. Des moteurs rotatifs, à injection ou Diesel, à autoallumage ont été étudiés par Rolls Royce. Comme dans un moteur à pistons alternatifs, il y a quatre temps admission, compression, allumage-explosion et échappement. Mais avec le moteur rotatif, le cycle complet est effectué pendant chaque révolution du rotor, alors que dans un moteur à pistons, le vilebrequin fait deux tours à chaque cycle.

 

Étant donné qu’il y a trois chambres séparées dans le carter, trois cycles indépendants se produisent simultanément, chacun étant séparé des autres, au point de vue calage, d’un tiers de tour. Il y a donc un temps moteur à chaque révolution de l’arbre et trois temps moteur à chaque révolution du rotor, celui-ci tournant à une vitesse égale au tiers de celle de l’arbre.

 

Le schéma 5 montre le cycle lors d’une révolution complète de l’arbre. Le mélange air-essence est d’abord introduit dans la chambre A par la lumière d’admission. La chambre B est en pression et la chambre C en échappement. Ensuite, la chambre A étant toujours en admission, la chambre B se trouve au point de compression maximum, donc au point d’allumage (correspondant au point mort haut sur moteur à pistons). La chambre C a parcouru environ un tiers de son temps d’échappement, le volume étant en réduction. Troisièmement, la chambre A a terminé son temps d’admission (équivalant au point mort bas d’un moteur à pistons), la chambre B est au temps moteur ; les gaz allumés forcent le rotor à tourner, si bien que le volume de la chambre augmente, et la chambre C termine son temps d’échappement. Enfin, la chambre A se trouve en compression, la chambre B termine son temps moteur et la chambre C son temps d’échappement.

 

Après un tour complet de l’arbre, et pendant le tour suivant, la chambre A effectue le cycle que la chambre B vient de terminer, la chambre B va effectuer le cycle que la chambre C vient de terminer et la chambre C, celui que la chambre A vient de terminer. Pendant le troisième tour de l’arbre, la chambre A va répéter l’opération de la chambre C, la chambre B celle de A, et la chambre C celle de B. Après quoi, le rotor aura effectué un tour complet on retrouve alors la situation décrite ci-dessus.
11_Moteur_piston_rotatif_42 10 Les éléments principaux d’un moteur rotatif Wankel à deux rotors sont peu nombreux par rapport à ceux d’un moteur conventionnel.

 

Du fait du déroulement particulier du cycle sur un moteur rotatif, la cylindrée réelle est très faible. Un calcul de cylindrée particulier a donc été mis au point pour obtenir une classification fiscale comparable à celtes des moteurs traditionnels. Étant donné qu’il y a un temps moteur par rotor et par tour de vilebrequin (alors que dans un moteur à pistons, il y a un temps moteur par piston pour deux tours de vilebrequin), on a décidé de doubler la cylindrée réelle pour obtenir la cylindrée « officielle ».

 

Par exemple, la Mazda RX 7 a deux rotors d’une capacité de 573 cm3, ce qui donne au total 1 146 cm3. Cette capacité est doublée pour obtenir la « cylindrée officielle » de 2 292 cm3. De cette façon, il est possible d’établir une comparaison approximative, au point de vue puissance développée, avec un moteur à pistons.

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De nombreux constructeurs ont aujourd’hui abandonné la construction de moteurs rotatifs, mais Mazda continue avec la AX 7.

Démarrage

Le moteur se démarre exactement de la même manière qu’un moteur à pistons, à l’aide d’un démarreur électrique agissant sur une grande couronne dentée à la périphérie du volant moteur pour faire tourner celui-ci jusqu’au démarrage. Pour assurer une vaporisation idéale du mélange air-essence, un léger creux est usiné dans chaque face du rotor, ce qui augmente la capacité minimum de la chambre de combustion et, donc, abaisse légèrement le taux de compression. En fait, cet usinage a pour avantage principal d’agir de façon semblable à celui de la chambre de turbulence d’un moteur Diesel, donc d’assurer une meilleure combustion.

 

Une fois le mélange allumé par l’étincelle de la bougie, il y a une augmentation immédiate de la pression : le rotor est obligé de tourner au fur et à mesure que le mélange brûle et se dilate. Ce mouvement rotatif (comme expliqué plus haut) entraîne l’arbre, dont la rotation est transmise aux roues motrices par l’intermédiaire d’un embrayage et d’une transmission.

L’entraînement se transmet

  • aux roues arrière par l’intermédiaire d’un arbre de transmission, d’un différentiel et d’un essieu, le moteur étant placé à l’avant (Mazda RX 7) ;
  • aux roues arrière, par l’intermédiaire de deux demi-arbres oscillants, le moteur étant placé à l’arrière (NSU Spyder) ;
  • aux roues avant par l’intermédiaire de deux demi-arbres et d’un différentiel (NSU RO 80 ou GS birotor).

Dans tous les cas, le moteur rotatif procure une souplesse inégalée par les moteurs à pistons alternatifs, ainsi qu’un silence de fonctionnement exceptionnel.

Documents issus de "Ma Voiture"

 

 



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Voir aussi :
Le moteur à piston rotatif d’une voiture
Dépose du moteur d’une voiture
Démontage du moteur d’une voiture


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