Le moteur rotatif Wankel : son fonctionnement et ses différences avec les moteurs classiques

Le moteur à mouvement rotatif, peu répandu dans l’industrie automobile, constitue une technologie distincte de son cousin plus commun, le moteur à mouvement alternatif. Il est parfois nommé abusivement moteur Wankel, d’après son modèle le plus connu, conçu au début du 20^e siècle puis développé sur des décennies par l’ingénieur Felix Wankel.

Comment fonctionne un moteur rotatif ? Pourquoi n’est-il pas plus répandu ? Et que nous apprend-il sur son parent, le moteur à mouvement alternatif ? AUTODOC explore avec vous ces questions.

Fonctionnement d’un moteur classique : le système de pistons

La principale différence technologique entre moteur à mouvement rotatif et alternatif vient de l’absence de système de piston-soupape. Pour comprendre comment cela fonctionne, rappelons quelques généralités sur le cycle moteur d’un moteur à explosion usuel.

Un moteur à mouvement alternatif est composé de cylindres dans chacun desquels se meut un piston de haut en bas.

Dans chaque cylindre se produit un cycle de combustion en 4 temps:

Phase d’admission : envoi dans le cylindre du mélange air-essence par l’ouverture de la soupape d’admission (située en haut à droite sur l’illustration n°1). Le piston accomplit alors un mouvement descendant jusqu’à atteindre son point mort bas (pmb), créant un effet d’aspiration.
Phase de compression : fermeture de la soupape d’admission. Le piston accomplit un mouvement ascendant jusqu’à son point mort haut (pmh) et comprime le mélange air-essence jusqu’à 30 bars.
Phase de combustion/détente : une fraction de seconde avant l’atteinte du pmh, la bougie d’allumage, connectée à une bobine d’allumage la fournissant en courant à haute tension, produit une étincelle. La combustion qui s’ensuit propulse le piston vers le bas (détente) : c’est de cette combustion et du mouvement du piston qui s’ensuit que provient la puissance fournie par le moteur à explosion. On parle pour décrire ce mouvement de « surpression motrice ».
Phase d’échappement : ouverture de la soupape d’échappement. Le piston remonte et chasse les gaz brûlés dans le collecteur d’échappement.

Ainsi, dans un moteur à piston classique, la combustion du mélange air-essence entraîne un mouvement vertical (celui du piston dans sa phase de détente), lequel est converti en mouvement rotatif par un système bielle-manivelle. L’axe horizontal et rotatif auquel sont fixés les pistons s’appelle le vilebrequin. Ainsi, deux rotations complètes sont nécessaires à la complétion d’un cycle moteur à 4 temps (voir illustration n°1). La puissance (ou couple) dégagée est utilisée pour la marche du véhicule, mais aussi pour le maintien en mouvement des pistons et la continuation du cycle moteur.

Fonctionnement d’un moteur rotatifs : le système de retors

Les moteurs à pistons rotatifs sont également des moteurs à explosions, fonctionnant à l’aide d’un cycle moteur similaire. Cependant, le piston à mouvement vertical est remplacé par un piston de forme triangulaire aux bords convexes ou triangle de Reuleaux, également appelé rotor et directement solidaire du vilebrequin (bien que légèrement excentré). La forme triangulaire du rotor permet de séparer la chambre fixe (l’équivalent du cylindre) en trois espaces distincts ne communiquant pas entre eux, tandis que le mouvement du rotor triangulaire permet la circulation des gaz et donc à chaque espace d’accomplir les 4 phases du cycle moteur : admission, compression, combustion/détente et échappement.

Du fait de cette forme, ces quatre temps n’adviennent plus successivement, mais simultanément : l’étincelle de la bougie d’allumage produisant la combustion d’un côté du piston rotatif se produit alors qu’un autre côté est en phase d’admission et un autre en phase d’échappement. Ainsi, un moteur Wankel produit 4 temps moteur pour une seule rotation complète du vilebrequin. Cette conception particulière permet également de se passer entièrement de soupapes, puisque piston et mécanisme d’ouverture et de fermeture ne font qu’un. C’est cette optimisation qui constitue le principe de fonctionnement du moteur rotatif.

Un tel système présente de nombreux avantages.

Un rapport puissance/cylindrée très élevé : l’accomplissement d’un cycle moteur complet par tour de vilebrequin signifie que la puissance d’une seule chambre est multipliée, en faisant un système particulièrement compact (petite cylindrée).
Un faible nombre de composants : ce nombre réduit présente des avantages pour le remplacement des pièces ainsi que la détection des pannes. L’entretien d’un moteur rotatif est donc théoriquement plus aisé.
Un très bon fonctionnement à haut régime : ce système présente un risque plus faible de désynchronisation de ses différents composants à haut régime et n’est par conséquent pas sujet aux mêmes limites.

Les désavantages :

L’étanchéité : pour qu’un moteur rotatif fonctionne pleinement, il faut que les différentes parties de la chambre de combustion soient parfaitement séparées. Ceci pose le problème de l’étanchéité du rotor triangulaire, particulièrement au niveau de ses arêtes et de leurs points de friction avec la chambre fixe. Les fortes variations de températures à travers les différents temps du cycle moteur en font un défi technique particulièrement ardu, qui ne sera de fait jamais complètement résolu.
La lubrification : ce problème survient également au niveau des arêtes du piston rotatif. Celles-ci doivent être parfaitement lubrifiées pour permettre le bon fonctionnement du moteur, au risque de voir les performances du moteur fortement affectées. Cependant, l’huile de moteur doit ici partager l’espace du mélange air-essence à brûler, présentant un défi technique supplémentaire et un nouveau risque d’affecter les performances du moteur en cas de dysfonctionnement.
La compression : autre conséquence du problème d’étanchéité, le moteur rotatif doit privilégier des taux de compression plus réduits, au risque de menacer l’intégrité des trois espaces définis par le rotor triangulaire. Bien que partiellement compensé par son grand nombre de rotations, les performances en sont très affectées lors du fonctionnement à bas régime. Un taux de compression plus faible conduit également à un allumage plus difficile. Ce dernier problème est également aggravé par la forme de la chambre de compression.

Tous ces problèmes ne se produisant pas de manière isolée, ceux-ci ont tendance à s’accumuler, engendrant notamment un fort gaspillage de carburant, puisqu’une bonne partie des gaz s’échappent du moteur ou ne sont pas brûlés correctement. Le rendement d’un moteur rotatif est donc particulièrement faible. Autrement dit : il consomme énormément de carburant.

Définition : on parle de rendement pour définir le rapport quantitatif entre carburant utilisé et couple (puissance) obtenu.

Quelques moteurs rotatifs historiques

Si le moteur tel que conçu et développé par Félix Wankel peut servir de référence, autant dans les grandes lignes de sa conception que pour les problèmes qu’elle engendre, il convient de mentionner les travaux des différents ingénieurs qui l’ont suivi et leurs tentatives d’améliorer la qualité et la fiabilité des moteurs rotatifs.

Le moteur Wankel : s’il n’est de fait pas le premier moteur rotatif jamais inventé, il est cependant le premier jamais mis en application dans l’industrie automobile. En 1964, la NSU Spider devient la première voiture à moteur rotatif.
Le moteur Comotor : moteur birotor produit par la société européenne Comotor SA, il sera le moteur de la Citroȅn GS birotor et de la NSU R0 80. En plus de ses deux rotors, sa principale innovation sera l’ajout d’une pompe à air permettant d’acheminer le surplus des gaz vers le pot d’échappement pour y achever leur combustion.
Mazda : ce constructeur japonais fit usage jusqu’en 2011 de cette technologie, notamment sur ses voitures de courses. La dernière voiture proposée fut la RX-8.

CONCLUSION : Si à l’origine, le moteur rotatif était pensé comme le futur de l’industrie automobile et qu’il fournit à ses débuts des performances prometteuses, les difficultés techniques qu’il présentait furent trop grandes pour la plupart des constructeurs. Il possède aujourd’hui principalement le statut de curiosité nous renseignant sur l’histoire de l’automobile.

Den

Un mécano souriant expérimenté apparaissant dans de nombreux tutos AUTODOC; Ne se sépare jamais de ses lunettes; conduit une BMW X5 E53; Rêve de recevoir le trophée or Youtube du million d'abonnés.