Le moteur rotatif

Le moteur rotatif
Le principe du moteur rotatif est certainement le plus basique des moteurs thermiques ;
pas de transformation du mouvement alternatif/rotatif et pas de soupapes. Pourtant, les
décompositions du cycle 4 temps et du mouvement du rotor ne sont pas aisés à
comprendre.
Auto-innovations vous détaille son fonctionnement et vous présente les dernières
évolutions.
Le moteur rotatif a été inventé par Felix Wankel, ingénieur allemand (1903-1988), en 1924 et fut
commercialisé grâce à un accord avec NSU en 1951.
Si la paternité appartient à Felix Wankel, il faut tout de même noter que Elijah Galloway en eu l'idée
en 1846 et que l'Américain Cooley déposa un brevet d'un moteur rotatif avec les segments logés dans
le carter en 1901.
Le premier avantage du concept du moteur rotatif est son mouvement de piston circulaire et non
alternatif, ce qui lui évite l'utilisation du système bielle/vilebrequin. Par contre, la description du
mouvement du piston est particulièrement complexe.
La création du mouvement toroïdal
Nous pouvons imaginer une seule pièce en commun entre les
concepts des moteurs rotatifs et alternatifs : le vilebrequin. Les
autres pièces majeures sont très différentes : le piston est en
fait un rotor à trois faces et le cylindre une chambre de forme
ovoïde appelée stator.
A partir de là, le système se complique. Imaginez le pistonrotor directement pris dans le vilebrequin, à la place de la
bielle. Il effectue alors un mouvement de rotation imposé par
le maneton (excentrique). Il tourne aussi autour de celui-ci
grâce à sa couronne dentée prise dans un pignon fixé au carter
moteur. C'est un peu la Terre qui tourne autour du Soleil et sur
elle-même. Le résultat de ces deux ensembles donne un mouvement toroïdal au piston. Le rapport
entre le pignon et la couronne étant de 2/3, pour un tour du rotor, le vilebrequin aura effectué 1,5
tours…
Ci-dessous les différentes pièces composant le moteur rotatif turbo-compressé de la Mazda RX-7 :
1
2
3
4
5
6
-
carter latéral
carter du rotor
rotor
arbre excentré (vilebrequin)
pignon fixe
volant moteur
7 - segments axiaux et latéraux
8 - tubulures d'admission
9 - collecteur d'échappement
10 - vis de fixation des carters
11 - double turbocompresseur à étage
12 - joints de carter
Le cycle 4 temps respecté
Le vilebrequin permet la récupération du couple créé par la pression de la combustion sur une face du
piston et transmet sa puissance à l'arbre de sortie par l'intermédiaire d'un pignon à denture intérieure.
Ce moteur n'a pas non plus de soupape ; l'admission et l'échappement se font par obstruction
d'orifices, comme dans le moteur 2 temps.
L'admission
Le piston découvre l'orifice d'admission au fur et à
mesure de sa rotation.
En agrandissant le volume de la chambre
d'admission, le mélange air/essence est aspiré. Le
piston obstrue ensuite l'orifice d'admission.
La compression
Le volume diminue. L'air est comprimé. Le taux de compression
volumétrique est du même ordre que celui d'un moteur alternatif,
environ 9:1.
L'allumage et la détente
L'étincelle de la bougie enflamme le mélange. La
pression générée s'applique sur le piston et crée
un couple sur l'arbre de sortie (excentrique).
Il faut noter que le volume de détente peut être
supérieur à celui de compression et permet une
meilleure récupération de l'énergie (principe du
cycle Miller).
L'échappement
Le piston refoule les gaz brûlés par l'orifice
découvert.
Le cycle 4 temps est donc bien respecté.
La production du couple
Quel que soit le type de moteur, le couple est issu de la combustion du mélange d'air et du carburant
générant une pression sur une surface.
Sur un moteur à mouvement alternatif, la pression de combustion
s'appuie sur la surface supérieure du piston.
Ce dernier transmet sa force à la bielle qui, à son tour, la
retransmet au vilebrequin (B) en deux effets : une première force
(V) en direction du palier, et une seconde (C) perpendiculaire au
rayon du vilebrequin.
Cette dernière force crée le couple du moteur grâce au rayon (r)
du vilebrequin.
Le principe de la récupération du couple est semblable
avec le moteur rotatif, l'intermédiaire " bielle " en moins.
La pression de combustion crée une force sur le piston se
décomposant en deux effets : une première force (V) en
direction du palier, et une seconde (C) perpendiculaire au
rayon de l'excentrique.
Cette dernière force crée le couple du moteur grâce au
rayon (r) de l'excentrique.
Comparaison avec le moteur alternatif bielle/vilebrequin
Le concept de base du moteur rotatif permet de se passer de l'encombrant et lourd ensemble bielles
et vilebrequin.
Mais cette différence induit aussi d'autres particularités dans le cycle de fonctionnement. Ainsi, si le
moteur alternatif demande deux tours de vilebrequin pour effectuer un cycle 4 temps complet, le
moteur rotatif a besoin d'un tour supplémentaire de son arbre de sortie (excentrique). Il faut en effet
trois tours de cet arbre pour un tour du rotor.
Cet inconvénient est vite oublié par une autre particularité du moteur. Son piston a,
en effet, trois faces de travail, contrairement à son homologue alternatif qui en a
qu'une. Il y a donc trois cycles pour une rotation du rotor. En compilant ces deux
dernières remarques, nous constatons que, par piston, le moteur rotatif réalise 6
cycles pour 6 tours alors que le moteur alternatif en fait 3 pour le même nombre de
tours.
En d'autres termes, le premier effectue un cycle par tour et le deuxième seulement un demi-cycle.
Nous pouvons aussi conclure qu'un moteur rotatif bi-rotor est équivalent à un 4 cylindres
conventionnel, un tri-rotor équivalent à un 6 cylindres,… et ainsi de suite.
Mazda précise aussi un autre point technique : grâce à ses 3 cycles par tour de rotor, le moteur
génère moins de variations de couple et, donc, moins de contraintes pour les pièces du moteur et de
la transmission.
Évolution du rotatif : les segments
Le talon d'Achille du moteur rotatif est l'étanchéité de la chambre de combustion. Ce
rôle est attribué aux différents segments du rotor.
Le segment placé aux trois " pointes " du rotor est celui qui est soumis aux plus
fortes contraintes : différence de pression entre deux chambres, température élevée
et fortes accélérations et décélérations latérales.
Les premiers segments, développés par les ingénieurs Mazda,
étaient en aluminium imprégné de carbone. Le carbone était utilisé
pour son excellente propriété d'auto-lubrification.
En 1973, le segment à base de carbone fût remplacé par un support en
fonte recouvert d'une couche poreuse en chrome.
Cette nouvelle matière a aussi permis la réalisation d'un segment en deux
parties afin d'améliorer l'étanchéité de la chambre de combustion entre ses
surfaces axiale et radiale.
Son épaisseur fût réduite de moitié : 3 mm.
En 1975, les bords du segment furent usinés de 0,05 mm afin de
compenser sa déformation due à la température élevée de fonctionnement.
La forme du siège du segment reçut aussi une modification pour réduire les
fuites de la chambre de combustion (ci-dessous).
A partir de 1985, son épaisseur fût réduit à 2 mm.
Autre évolution, la pièce passa en 3 parties pour un meilleur maintien dans
son logement grâce à une coupe en biseau entre les parties supérieure et
inférieure et à l'effet de la pression de combustion.
Moteur rotatif à hydrogène
Mazda a testé aussi une version hydrogène du moteur rotatif : le prototype HR-X.
Une des particularités de l'hydrogène est sa vitesse de combustion plus élevée que celle de l'essence :
2,7 mètres par seconde contre 1,14 m/s. Cela pose quelques problèmes d'auto-allumage et de retour
de flamme dans l'admission.
Le moteur rotatif est dans ce domaine avantagé car sa chambre de combustion est séparée de la zone
d'admission.
Succès du moteur rotatif en compétition
Mazda est le seul constructeur japonais à avoir remporté la mythique course des 24 heures du Mans
en 1991. La Mazda 787B était propulsée par un quadri-rotor de 515 kW (700 ch) appelé R26B.
Données techniques
Quadri-rotor
515 kW (700 ch) à 9000 tr/mn, 608 Nm à
6500 tr/mn
Bloc moteur en aluminium avec renforts en
fibres de carbone
Taux de compression de 10 : 1
Admission variable par trompettes
télescopiques commandées électriquement
3 bougies par rotor
Segments en deux parties en céramique
Poids du moteur : 180 kg