Moteur Wankel

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^[3]. Il s'agit d'une pompe rotative dont le rotor est muni de plusieurs palettes coulissant radialement et assurant le transfert du fluide pompé^[4]. 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^[5].

En 1901, L'américain Cooley dépose un brevet, pour une machine à piston rotatif, décrivant une épicycloïde intérieure. La particularité de cette machine à vapeur est d'utiliser un engrenage 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 à résoudre l'ensemble des problèmes liés à l'étanchéité et à la cinématique du piston^[3].

Les Suédois Wallinder et Skoog sont les premiers à déposer le brevet d'un moteur à combustion interne fondé 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^[3],[5].

En septembre 1953, Mr Roger-Emile Caufourier dépose, à Lille, une demande de brevet pour un moteur rotatif à explosion. Le brevet est délivré en août 1954 et publié le 17 février 1955 sous le numéro 1.086.983^[6].

Travaux de Felix Wankel | ]

Felix Wankel, ingénieur allemand passionné par la conception mécanique et le fonctionnement des machines^[7], s'installe en 1924 dans son propre atelier à Heidelberg où il dessine les premières ébauches d'un moteur à piston rotatif^[3]. 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^[8]. 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 une technologie déjà poussée^[9]. Or, étant donné que le bilan de la Seconde Guerre mondiale est désastreux pour l'appareil industriel allemand, les investisseurs sont désireux de mettre au point une nouvelle motorisation efficace et peu onéreuse.

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^[10]. 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^[8].

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^[5].

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^[11].

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 train 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^[12].

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^[10]. 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, 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^[12].

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^[13]. Malgré une production bien inférieure aux prévisions, Tsuneji Matsuda, président du groupe Toyo Kogyo^{[Note 1]}, 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^[14].

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^[14],[15].

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^[15].

Production en série | ]

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 × 399 cm³, équipe une Mazda Type L8A, prototype sportif^[16].

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 × 491 cm³, la Cosmo Sport développe 110 ch^[16]. 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 NSU construisent ensemble, dans le cadre de leur filiale commune Comotor^{[Note 2]}, une usine dans la Sarre pour fabriquer le « moteur Comotor » (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^[17].

Néanmoins, la luxueuse NSU Ro 80, 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 »^[18]. Son ambition est d'ailleurs clairement affichée, puisque le nom « Ro 80 » fait référence à sa technique censée représenter celle des années 1980. Elle désire imposer le moteur Wankel comme motorisation automobile et ainsi supplanter les moteurs « alternatifs »^[18].

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 à la suite du rachat de Citroën par Peugeot, les recherches trop coûteuses sont définitivement abandonnées^[19].

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^[20]. 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^[21],[22].

Nouveau sursaut ? | ]

Le moteur Wankel semble retrouver une nouvelle vie comme prolongateur d'autonomie dans la motorisation hybride électrique/essence. Profitant de sa simplicité, de sa légèreté et d'une consommation et d'une usure raisonnables à vitesse constante, quelques constructeurs l'utilisent comme motorisation d'appoint pour recharger les batteries et prolonger l'autonomie des véhicules hybrides^[2],[23].

Description | ]

Piston (rotor) | ]

Illustration d'un triangle de Reuleaux.

Le piston rotatif (rotor) est la pièce mécanique qui assure la transmission de la poussée des gaz de combustion sur l'arbre moteur. Dans le moteur Wankel, le piston rotatif prend la forme d'un triangle équilatéral curviligne dénommé « triangle de Reuleaux ». Chacune des trois faces latérales du piston est évidée afin d'augmenter le volume de la chambre de combustion. La forme et le volume de cet évidement sont déterminés afin d'obtenir un rapport optimal entre les performances spécifiques, la consommation d'essence et l'évacuation des gaz d'échappement^[24].

Le piston reçoit une couronne à denture intérieure qui engrène avec une couronne fixe portée par le stator. Le rapport de denture est de 3:2. Cet engrènement assure le guidage (cinématique) du piston^[25] mais ne participe pas à la transmission du couple moteur qui est réalisée par un large excentrique porté par l'arbre moteur (vilebrequin) et qui est centré sur le piston. La cinématique du moteur Wankel est telle que l'arbre moteur fait 3 tours pour un tour complet du rotor^[25],[26]. 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 des chambres moteur^[24].

Les contraintes importantes liées à la combustion des gaz frais imposent au matériau constitutif du piston de posséder une très bonne tenue à la 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 protégé par des traitements de surface, est également couramment employé^[27].

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^[28]. 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 exercée lors de la combustion coïnciderait avec le centre du vilebrequin^[29].

L'équation de l'épitrochoïde est donnée, en coordonnées cartésiennes, par le système d'équations suivant, où

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^[30].

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^[31].

Arbre moteur, paliers et excentriques | ]

L'arbre moteur du Wankel est beaucoup plus court que le vilebrequin d'un moteur bielle/piston multicylindre. Ici, l'arbre de sortie comporte 4 paliers, 3 excentriques ainsi que des orifices de graissage

Dans le moteur Wankel, l'arbre moteur (ou arbre de sortie) est la pièce assurant la transformation du mouvement de révolution du piston en un mouvement de rotation (3 rotations d'arbre moteur pour un cycle complet du rotor). Sa fonction diffère donc notablement de celle du vilebrequin dans un moteur thermique conventionnel^{[Note 3]}. L'arbre moteur est constitué de tourillons (paliers) et d'excentriques. Les paliers assurent le guidage en rotation de l'arbre dans le carter moteur. Le nombre de paliers correspond au nombre de pistons (plus un palier de bout d'arbre). Les excentriques, au nombre de un par piston, sont décalés radialement de l'axe moteur d'une valeur correspondant à l'excentricité ${\displaystyle e}$ de la trochoïde. Ils tournent dans un logement circulaire (alésage) positionné au centre de chaque piston. Le diamètre des excentriques est dimensionné largement afin de minimiser les pressions de contact et transmettre correctement le couple moteur malgré la faible valeur de l'excentricité (moins de 20 mm pour un moteur 1 300 cm³). La section des excentriques est donc singulièrement plus grande que la section des paliers^[32] (voir photo ci-contre).

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

L'arbre de sortie d'un moteur Wankel est dépourvu de manivelles ou de contrepoids, d'où une géométrie particulièrement compacte. Il n'est pas soumis, contrairement au moteur classique, à d'importantes vibrations de torsion ou de flexion. Il est généralement fabriqué par forgeage, facilité par ses formes simples, dans un acier à haute résistance mécanique allié de chrome et/ou de molybdène^[32]. Tourillons et excentrique sont repris par usinage et rectification et les conduits de lubrification sont forés.

Le moteur à piston rotatif, de par sa conception, présente un « équilibrage mécanique parfait »^[25]. Néanmoins, un équilibrage de l'arbre moteur est réalisé pour atténuer les irrégularités du couple moteur, caractéristique de tous les moteurs à combustion interne^[25]. L'équilibrage est obtenu par l'adjonction de deux masses en bout d'arbre dont la forme et le moment d'inertie dépendent de la géométrie du moteur (éloignement des masses d'équilibrages avec les rotors, nombre de rotors, masse des rotors)^[32].

Fonctionnement | ]

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

Présentation | ]

Ce moteur à combustion interne 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. Comme tout moteur à quatre temps, il fonctionne avec un mélange d'air et d'essence, à l'image des moteurs à allumage commandé^[33].

Le piston appelé ici rotor 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 rotor va s'écarter puis se rapprocher du carter, permettant de réaliser successivement les temps de compression, d'explosion, de détente et d'échappement". La cinématique (guidage) du rotor est réalisée par une couronne intérieure dentée qui engrène sur un pignon fixe par rapport au bâti . L'arbre moteur reçoit le couple moteur par l intermédiaire d'un excentrique centré sur le rotor . L'excentricité permet de régler le « rapport volume » de compression/volume de détente^[29].

Le moteur ne comporte pas de soupapes, mais deux lumières comme sur 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 rotor, permettent pour l'une, l'admission des gaz frais, et pour l'autre, l'échappement des gaz brûlés^[33].

Admission | ]

La lumière d'admission peut être placée soit à travers la trochoïde (« admission périphérique ») soit à travers le flasque (« admission latérale »)^{[31],[Note 4]}. 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^[31].

Allumage | ]

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 »^[29].

Deux bougies par rotor sont généralement utilisées pour déclencher la combustion du mélange air-essence afin d'augmenter la vitesse d'inflammation du mélange^[34]. 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 meilleure combustion diminue l'émission de polluants et notamment la production d'hydrocarbures^[35].

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.

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. Pour éviter d'éventuelles lacunes de lubrification, de l'huile est incorporée dans l'essence dans une proportion inférieure à 1 %^[36], ce qui a un impact sur les gaz brulés et la pollution.

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^[29],[37].

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^[29],[37].

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 leur efficacité et notamment leur durabilité^[37]. 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^[29]. Les segments d'arête sont généralement constitués d'un matériau en carbone auto-lubrifiant^[37].

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^[38].

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^[38].

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^[29].

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^[29],[40]. 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 pistons 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^[7]. 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^[41].

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^[40]. 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 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 »^[42] ce problème. Mais la conception même du moteur — piston et chambre en aluminium induisant une forte dilatation — demeura un frein à une bonne étanchéité^[42].

La forme allongée et irrégulière des chambres de combustion induit un rapport surface/volume peu propice à la propagation et le maintien du front de flamme^[41]. ('Rotary Engine' Toyo Kogyo, 1969; SAE paper 720357, K Yamamoto; SAE paper 830332, R Sierens). Ce type de moteur consommait 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, déjà dans les années 1970, et encore plus de nos jours^[40].

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^[40].

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^{[réf. souhaitée]}.

Wankel particuliers | ]

Moteur à hydrogène | ]

La Mazda RX-8 Hydrogène RE est mue par un moteur Wankel 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^[43].

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^[43].

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 »^[44]. 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^[44]. 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^{[réf. nécessaire]}. 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^[44].

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^[45]. Aucune utilisation commerciale de ce moteur n'a été envisagée.

Applications | ]

Automobiles | ]

Production en série | ]

Le moteur à piston rotatif Wankel connaît 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^[46]. En 1960, le premier moteur Wankel opérationnel est testé à bord d'une NSU Prinz^[10]. 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 Birotor et NSU Ro 80 font partie des automobiles les plus connues, pas forcément pour leur « moteur Comotor ». 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^[46].

En 1961, le constructeur automobile Mazda, achète le brevet Wankel et entame son propre développement avec Kenichi Yamamoto à la tête du programme. Trois ans plus tard, en 1964, la NSU Prinz est la première automobile, dotée d'un tel moteur, à être fabriquée en série. À la fin de l'année 1967, elle est remplacée par la NSU Ro 80. Au même moment, Mazda lance la production de la Cosmo Sport^[47].

Plus tard, Citroën commercialise la M35, puis la GS. Puis c'est au tour de Mercedes de proposer une voiture à moteur rotatif, avec la C111. Mais en 1974, la crise pétrolière n'est pas favorable au marché du moteur Wankel. En effet, consommant une quantité d'huile et de carburant, il est abandonné par un grand nombre de constructeur. Cependant, Mazda reste le seul à continuer la commercialisation de ces modèles à moteur à piston rotatif ; les R100, RX-2, RX-3, RX-4 et même la RX-7, se succèdent. Dans les années 2000, Mazda commercialise la RX-8, considérée comme la dernière grande production de voiture dotée d'un moteur à piston rotatif^[47] ; elle réalise des chiffres de ventes plus que corrects^[48]. 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^[46].

Premiers engagements en compétition | ]

Le moteur Wankel s'est illustré en compétition automobile, le plus souvent sous les couleurs de Mazda. Dans les années soixante, le moteur rotatif n'est qu'au début de son développement. L'usure prématuré du moteur de la NSU Ro 80 n'aide pas à améliorer la réputation de la technologie. Mais en 1968, Mazda décide d'engager ses Cosmo Sport 110S au Marathon de la route, une course de quatre-vingt quatre heures disputée sur la boucle nord de la piste du Nürburgring^[10],[47]. Dotée d'un moteur d'une puissance de 130 ch, la meilleure auto, la n^o 19, se classe quatrième de l'épreuve avec les pilotes Yves Deprez, Léon Dernier et Jean-Pierre Ackermans. Quant à la n^o 18, pilotée par un équipage japonais, dont Nobuo Koga, elle abandonne à la suite de la perte d'une roue^[47].

L'année suivante, le Mazda Racing Team engage trois Mazda R100 aux 24 Heures de Spa, très proche de la version commercialisée pour la route. Son birotor de 982 cm³ de cylindrée, développe une puissance de 190 ch. La première des trois voiture est accidentée dans la troisième heure de course, et son pilote Léon Dernier, est tué sur le coup. Les deux châssis restant franchissent la ligne au cinquième (Yves Deprez et Yoshimi Katayama) et sixième rang (Masami Katakura et Toshinori Takechi). La même année, l'équipage composé de de Hugues de Fierlant, Roger Enever et Pierre-Yves Bertinchamps, obtient la cinquième place au Marathon. Quant aux deux autres voitures engagées, elle abandonnent sur sortie de piste et fuite de réservoir^[47].

En 1970, Mazda passe tout proche d'une victoire aux 24 Heures de Spa. L'équipage Katayama/Takechi est en lutte pour la première place avec la BMW des futures vainqueurs, mais à 2 h 30 de l'abaissement du drapeau à damier, le moteur de la Mazda rend l'âme. L'équipage composé de Katakura et Clive Baker renonce également sur casse moteur, les privant d'un podium certain. Quant à la troisième voiture, pilotée par Roger Enever et John Hine, elle rencontre de nombreux problèmes liés à son moteur, mais l'équipe décide d'arrêter la voiture aux stands et d'attendre l'arrivée. Ainsi, elle repart et parvient à franchir la ligne à la cinquième place^[47].

Montée en puissance aux 24 Heures du Mans, jusqu'à la victoire de Mazda en 1991 | ]

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

En 1970, Mazda dépose trois dossiers d'inscription pour les 24 Heures du Mans. Finalement, les trois R100 sont jugées trop lente pour la ligne droite des Hunaudières et le moteur birotor 10A est monté à bord d'une Chevron B16. Avec les pilotes Yves Deprez et Julien Vernaeve, la Chevron termine quinzième à Spa et dixième au Nürburgring. Mais en juin, au Mans, la B16 est à la peine en performance face aux autres Chevron à motorisation conventionnelle. Elle obtient une quarante-et-unième place aux essais, à près de vingt secondes de la meilleure Chevron. En course, à la fin de la première heure, la Chevron est en trentième position ; puis, un premier incident due à une fuite d'essence retarde l'équipage. Après trois heure de course, la voiture abandonne et s'arrête au niveau du virage du Tertre Rouge, l'allumage étant en cause^[49].

En 1973, Mazda marque les esprits de manière plus significative, en devenant le premier constructeur à engager une voiture japonaise aux 24 Heures du Mans : la Sigma MC73. Elle est pilotée par Tetsu Ikuzawa (également premier pilote japonais à prendre le départ) et Patrick Dal Bo. La Sigma bénéficie du moteur 12A, doté d'une cylindrée de 2,3 litres, il développe une puissance de l'ordre de 260 ch. Obtenant la quatorzième place en qualifications, les progrès du moteur son soulignés. Mais en course, la Sigma est rapidement retardée par des problèmes de fusée, elle abandonne à la mi-course, trahis par sa suspension arrière^[49]. L'année suivante, la nouvelle MC74 de Sigma Automotive est discrètement soutenue par Mazdaspeed. Pilotée par Yushiro Okamoto, Harakuni Takahashi et Yojiro Terada, la Sigma rencontre de nombreux problèmes durant sa course ; l'embrayage et la segmentation du rotatif doivent être changés. Mais elle parvient toutefois à franchir la ligne, non classé, pour distance parcourue insuffisante^[49].

En 1975, préférant s'associer avec Toyota, Sigma ne renouvelle pas sont partenariat avec Mazda^[49].

Mazda s'illustre une deuxième fois avec la RX-7 en 1981 lorsque Tom Walkinshaw et Pierre Dieudonné remportent les 24 Heures de Spa^[50]. 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 serait d'ailleurs à l'origine de l'interdiction du moteur dans la compétition^[21]. En 2006, les pilotes japonais Tetsuya Yamano et Hiroyuki Iiri ont remporté le championnat de Super GT (catégorie GT300) au volant d'une Mazda RX-7 FD3S, animée par un trirotor, appartenant à l'équipe RE Amemiya Racing.

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^[42]. 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^[51].

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.

• Diférentes motos à moteur Wenkel
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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.

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Marine | ]

Quelques moteurs Wankel alimentés en mélange 2 temps construits par Sachs furent « marinisés » en les accouplant à un réducteur d'hélice, et équipés d'une dynastart supprimant le lanceur et d'une pompe à eau de refroidissement de l'échappement.

La puissance était d'environ 7 ch. On trouve ces moteurs sur les voiliers construits par les CNSO en Lot-et-Garonne, notamment le SAMOURAI^{[réf. souhaitée]}.

Aéronautique | ]

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^[52]. 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^[53].

Une grande part des motoplaneurs^[54] Alexander Schleicher sont équipés 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, le Citroën RE-2. 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^{[Note 5],[55]}.

Modélisme aéronautique | ]

La firme OS construit pour la propulsion d'avions radiocommandés un moteur Wankel de 4,97 cm³ et d'une puissance de 1,10 ch à 17 000 tr/min. Il est commercialisé par la firme allemande GRAUPNER^[56].

Le moteur wankel, dont le principe change radicalement la vision des moteurs à combustion interne, possède des qualités certaines, mais aussi de contraignants défauts.

Ses Avantages :

- Silence : ne possédant aucune pièce effectuant de mouvement alternatif, l'équilibrage du moteur est excellent, ce qui induit un niveau de vibration bien moins important que sur un moteur à pistons alternatifs. Ainsi le moteur Wankel conserve quasiment le même niveau sonore quelque soit le régime de rotation.

- Faible encombrement : Comportant un nombre beaucoup plus réduit de pièces qu'un moteur à pistons alternatifs, le moteur Wankel est plus compacte.

- Combustion : En se faisant à faible pression (en raison de l' évolution du volume de la chambre de combustion) et sur une longue durée grâce au rapport de denture, elle participe à la douceur de fonctionnement du moteur en éliminant les chocs existants sur un moteur "classique".

- Ecoulement des gaz : Le cycle à 4 temps du moteur est obtenu sans les organes de distributions que l'on trouve sur un moteur à pistons alternatifs ; ainsi l'écoulement des gaz, non laminé par le passage d'une soupape (d'admission ou d'échappement) se fait en continu, sans retour sur lui-même, ni changement de sens.

Ses Inconvénients :

- Etanchéité : C'est le principal défaut du moteur wankel ; le problème d'étanchéité au niveau des sommets du rotor suffit à rendre sa conception problématique, notamment pour la production en série.

- Consommation : A cause de la forme allongée et irrégulière des chambres de combustion, le rapport surface/volume généré est peu propice à la propagation de la combustion, ce qui entraîne une consommation plus importante de carburant, environ 20% de plus qu'un moteur à pistons alternatifs.

- Frein moteur : Le moteur Wankel ralentit moins vite qu'un moteur classique losque l'on coupe les gaz (c'est le frein moteur). Ce défaut contraint les constructeurs à augmenter le dimensionnement du circuit de freinage afin de compenser cette faiblesse.

COMMENT SE FAIT IL QU'UN MOTEUR WANKEL SOIT SI GOURMAND POUR UNE SI FAIBLE CYLINDRÉE ?