Moteur Wankel - Définition

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.

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. 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. 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.

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.

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. 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.

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 :

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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.

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.

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 un peu de celle d'un vilebrequin dans un moteur 4 temps. 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.

Équilibrage du moteur Wankel en fonction du nombre de rotors.
Source : , 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.

Le moteur à piston rotatif, de par sa conception, présente un « équilibrage mécanique parfait ». Néanmoins, un équilibrage du vilebrequin est réalisé pour palier les irrégularités du couple moteur, caractéristique de tous les moteurs à combustion interne. 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.