GS Birotor l’épisode Wankel

GS Birotor l’épisode Wankel

Merci à Alan Marr, Julian Marsh, Thierry Stillace du Rotatif club, Jean-Claude Sudol du Club GS pour leur aide pour cette section (Cliquez sur leurs noms pour voir leurs sites)

Un peu d’histoire

Principe et fonctionnement du moteur à piston rotatif
La coopération Citroën-NSU : de Comobile à Comotor
Les premiers pas de Citroën : la M35
La GS Birotor : « la première française à moteur rotatif »
Sur le marché : « pour qui ? pourquoi ? »
Epilogue : et après?
Caractéristiques
Bibliographie / Liens

Un peu d’histoire

Sources : Double Chevron n°19 (Hiver 1969) et n°33 (Automne 1973);
English readers : note there’s a translation of this part of the article on Julian Marsh‘ website :
« Wankel Rotary Engine. Why (and how) an engine must rev smoothly »

De tous temps, les chercheurs se sont efforcés de réaliser des machines énergétiques susceptibles de produire un travail pour remplacer les sources traditionnelles d’énergie, à savoir la force musculaire de l’homme ou de certains animaux. Les premières machines utilisaient la force du vent ou celle de l’eau, puis viennent la machine à vapeur et enfin le moteur à combustion interne. Pour ce dernier, les inventeurs ont toujours cherché à obtenir des engins dont les éléments soient animés d’un mouvement de rotation, nécessaire à presque toute exploitation d’énergie. On peut distinguer dans les moteurs à combustion interne :

1 – les moteurs à pistons à mouvement alternatif. 2- les moteurs à pistons à mouvement rotatif.

Les premiers sont caractérisés par un système bielle-manivelle qui transforme le mouvement alternatif rectiligne du piston en un mouvement circulaire de l’arbre moteur, ce dernier étant constitué d’un arbre coudé appelé vilebrequin (figure 1). Les moteurs à piston rotatif sont ceux dans lesquels le système décrit ci-dessus a été remplacé par un piston accouplé à un arbre tournant (figure 2), effectuant un mouvement de rotation uniforme ou varié sans être affecté par des forces d’inertie alternatives dues aux variations de vitesse du piston au cours du cycle, et particulièrement aux points morts (P.M.H. – P.M.B., figure 1). Le mouvement produit est directement rotatif. Il n’est donc plus nécessaire de le transformer pour le rendre utilisable.

1588

L’ingénieur italien Ramelli décrit et illustre les pompes à eau de son invention. C’est la première réalisation de la pompe à palettes qui est couramment employée de nos jours, pour les pompes à huile et également pour certains compresseurs.

1636

L'allemand Pappenheim, constructeur de machines, invente la pompe à engrenages qui assure à l'heure actuelle encore, le graissage des moteurs. Cette pompe à engrenages permet de supprimer les tiroirs à mouvements alternatifs prévus par Ramelli. L'inventeur faisait tourner sa machine au moyen d'une roue à godets entraînée par l'eau d'une rivière. La pompe alimentait des jets d'eau. En 1636, l'empereur Ferdinand II (1619-1637) lui accorda pour son invention, un privilège correspondant à nos brevets actuels. Dès cette époque les chercheurs durent s'efforcer de résoudre les problèmes d'étanchéité des pièces en mouvement. C'est précisément ce problème d'étanchéité qui a été décisif dans la réalisation de l'actuel moteur à piston rotatif.

1650
Otto von Guericke réalise une machine à faire le vide. L’étanchéité entre cylindre et piston est obtenue par des joints en cuir.

1782

James Watt, inventeur sur la machine à vapeur du système bielle-manivelle qui permet de transformer le mouvement alternatif du piston en mouvement rotatif, crée une machine à piston oscillant, dans laquelle une pale rotative en forme d'aile (1) accomplissait un mouvement de rotation presque complet en découvrant les lumières d'admission (2) dans une chambre que séparait une paroi radiale cintrée (3).

1799

Un collaborateur de Watt, Murdock, se sert de la pompe à engrenages de Pappenheim pour réaliser une machine à vapeur à piston tournant. Il garnit l'extrémité des dents des engrenages d'une " lisse " en bois. Cette machine avait un rendement très faible par manque d'étanchéité.

1846

Elijah Galloway construit la première machine à piston tournant avec épicycloïde intérieure et enveloppante extérieure.

1859

L’anglais Jones modifie la pompe à engrenages de Pappenheim en réalisant une pompe à deux rotors à deux dents par engrenage. Les compresseurs et pompes Rootes fonctionnent selon le même principe.

A partir de 1900, les recherches sur le moteur à piston rotatif se poursuivent dans un climat nouveau, marqué par la recherche de formes plus élaborées.

1900

Alotham et Franchot présentent un compresseur à palettes caractérisé par un boisseau tournant se mouvant à l'intérieur d'une cycloïde. C'est la première fois que l'on obtient un rapport 1 à 2 et un frottement à glissement remplaçant l'engrènement rotatif de Galloway.

1901

L'américain Cooley dépose un brevet pour une machine à piston tournant avec épicycloïde intérieure et enveloppante extérieure. Cooley a recours à l'engrènement.

1908

L'anglais Umpleby transforme la machine à vapeur de Cooley en machine à combustion interne. Il se heurte à des difficultés d'étanchéité et de cinématique.

1923

Wallinder et Skoog : brevet suédois qui mentionne une véritable machine thermique à piston rotatif avec engrènement à denture, hypocycloïde intérieure enveloppante et rotor intérieur en étoile à cinq branches, avec rapport de rotation 5/6 pouvant servir de moteur de combustion à deux ou quatre temps.

1938

Le français Dimitri Sensaud de Lavaud dépose un brevet pour une machine à piston rotatif avec engrènement à denture intérieure, carter délimité par une hypocycloïde interne et démultiplication 5/6. Avec l'appui des firmes Citroën et Renault et sur l'instigation du ministère de l'Air, les Ateliers de Batignolles construisent ce moteur. Malgré plusieurs modifications, il ne donna jamais sa puissance normale et fut abandonné trois ans plus tard.

1943

Le constructeur suisse Bernard Maillard réalise un compresseur d'air à partir d'un brevet anglais pour une machine à piston giratoire avec rapport 2/3 et chambres à surface en hypocycloïde interne. L'étanchéité insuffisante ne permettait pas de transformer ce compresseur en moteur thermique.

ENFIN FELIX WANKEL VINT…

1902

Félix Wankel naît à Lahr, en Forêt Noire. De 1921 à 1926, il occupe un poste commercial dans une maison d’éditions scientifiques à Heidelberg.

1924
Wankel installe son propre atelier à Heidelberg. Il réalise ses premières ébauches d’un moteur à piston rotatif.

1926
II comprend que le grand problème est celui de l’étanchéité. Il s’y attaque avec résolution.

1927
II met au point les dessins d’un moteur à piston rotatif. Pendant la guerre Félix Wankel travaille au Ministère de l’Air.

1951
Fondation d’un bureau de recherches techniques à Lindau, sur le lac de Constance. Premiers contacts avec N.S.U. et d’autres entreprises. Le 20 décembre, Wankel et N.S.U. se font un mutuel cadeau de Noël : ils signent un contrat d’association qui a pour objet le moteur à piston rotatif.

1954
Le 13 avril, le premier moteur Wankel à piston rotatif est réalisé. Chez N.S.U. c’est l’enthousiasme, on dit : « quatre temps en une seule machine, c’est quatre inventions en une seule ».

1956
Un prototype de moto N.S.U. gagne toutes les épreuves de sa catégorie et bat plusieurs records du monde, sur le lac Salé. Son moteur est alimenté par un compresseur à piston rotatif.

1958
Premiers essais chez N.S.U. de prototypes de moteurs à piston rotatif.

1960
Au congrès V.D.I. (Association des Ingénieurs Allemands) il est question pour la première fois en public, du moteur à piston rotatif N.S.U.-Wankel.

1963
Présentation au Salon de l’Automobile de Francfort, du spider (dérivé du coupé Sport-Prinz) à moteur N.S.U.-Wankel.

• Carrosserie spider 2 places
• Moteur KKM 502
• 497,5 cm3,
• 50 ch DIN à 6000 tr/min
• 7,9 mkg à 3500 tr/min
• Transmission propulsion, boîte 4 vitesses
• Freinage disques à l’AV, tambours AR
• Vitesse maxi 153 Km/h
• Longueur 3,58 m
• Largeur 1,52 m
• Hauteur 1,26 m
• Empattement 2,02 m
• Poids 700 kgs
• Production : (1964-1967) environ 2375 ex.

Principe et fonctionnement du moteur à piston rotatif :

l’exemple du moteur Comotor Type 624

Sources : Double Chevron n°19 (Hiver 1969) et n°33 (Automne 1973);

e moteur rotatif Wankel (ici le moteur de la GS Birotor) fonctionne selon le cycle à 4 temps. Ces 4 schémas en montrent les différentes phases. Le mélange air-essence (jaune) pénètre par le conduit d’aspiration (figures 1, 2, 3 et 4), c’est le 1er temps. Le rotor obture l’orifice d’aspiration et amorce la compression des gaz carburés (orange), (figures 1 et 2), c’est le deuxième temps. L’étincelle produite par la bougie provoque l’explosion du mélange air-essence au moment où la compression est maximum (rouge), (figure 3). La détente (rouge), (figures 4 et 1) provoque la rotation du rotor et fournit l’énergie motrice grâce aux forces de pression exercées sur la face du rotor, c’est le 3e temps ou temps moteur. Le rotor démasque l’orifice d’échappement qui permet aux gaz brûlés de s’évacuer (gris), (figures 2, 3, 4 et 1), c’est le 4e temps.

 admission
 compression
 combustion détente
 échappement

COMMENT IL TOURNE. PRINCIPE :

Le moteur à piston rotatif réalise sous une forme particulière les quatre opérations fondamentales classiques : admission, compression, explosion-détente, échappement.

Un piston rotatif, appelé aussi rotor, ayant la forme d’un triangle équilatéral curviligne, déplace ses sommets dans un stator ou trochoïde suivant une courbe spéciale nommée  » épitrochoïde « .(cf. schéma ci-dessus) Rappelons brièvement quelques notions de géométrie. L’épicycloïde est la courbe engendrée par un point pris sur la circonférence d’un cercle qui roule sans glisser à l’extérieur d’un cercle de base.

La courbe décrite par un point M pris sur la circonférence du cercle C' de centre O' et de rayon r' qui roule sans glisser à l'extérieur d'un cercle fixe C de centre O et de rayon r est donc une épicycloïde. La distance O'M = r' = R est appelée rayon générateur de l'épicycloïde. La distance OO' = e = (r' - r) est appelée excentricité de l'épicycloïde (fig. 1).

L’épitrochoïde est une épicycloïde dont le point générateur M a été pris à l’extérieur du cercle C’, c’est-à-dire que la distance O’M = R = rayon générateur est plus grande que le rayon r’ du cercle O’. Le profil intérieur du stator du moteur COMOTOR est une parallèle à 2 mm à l’extérieur d’une épitrochoïde dont r = (2 /3)r’ avec comme rayon générateur : R = 100 mm, excentricité = 14 mm (fig. 2)

Pourquoi une épitrochoïde et pas un cercle ? Un tel système (figure 3) ne peut pas marcher pour deux raisons. Il n'y a pas de variations de volume des chambres et, de plus, la transmission du couple ne peut s'effectuer sur l'arbre moteur. En effet, admettons que l'on puisse enflammer un mélange air-essence dans la chambre C. La force résultante de la pression des gaz serait dirigée vers le centre de l'arbre A.
L'épitrochoïde a permis d'obtenir des chambres à volume variable, permettant ainsi d'accomplir le cycle à 4 temps. Pour que le piston puisse se déplacer à l'intérieur de cette courbe, il faut qu'il soit monté sur un arbre excentré (excentricité de l'épitrochoïde) permettant de transmettre le couple (fig. 4).
Maintenant, il faut guider le déplacement du piston dans ses déplacements à l'intérieur de la trochoïde, ce que l'on fait en montant un pignon fixe sur le flasque solidaire de la trochoïde et une couronne dentée fixée sur le piston (fig. 5).

NOTA : Nous avons représenté l’arbre moteur avec un maneton pour faciliter la compréhension du système. En réalité, l’arbre moteur comporte un excentrique, ce qui revient au même dans le principe.

La cinématique de ce moteur fait que, lorsque le piston fait un tour complet, l’arbre moteur fait 3 tours. Exemple : régime moteur = 3 000 tr/mn, régime piston = 1 000 tr/mn.

RÉGULARITÉ CYCLIQUE

Etant donné que chaque face du rotor travaille, nous aurons pour un tour de rotor (cas d’un monorotor), 3 admissions, 3 compressions, 3 explosions-détentes, 3 échappements. Comme l’arbre moteur tourne 3 fois plus vite, il y a un temps moteur ou explosion-détente par tour d’arbre moteur.

Dans le cas du birotor, il y aura 2 explosions-détentes par tour de vilebrequin, soit 4 explosions-détentes pour 2 tours.
Donc, au point de vue nombre de temps moteur, le birotor peut se comparer à un 4 cylindres 4 temps classique. Du point de vue durée du temps moteur pour un tour de vilebrequin, le monorotor se compare à un trois cylindres 4 temps classique, soit 270° de temps moteur (déplacement piston : 90°, 90° x 3 = 270° sur l’arbre).
Donc, du point de vue durée du temps moteur (ce qui caractérise la Souplesse d’un moteur), le birotor peut se comparer à un moteur 6 cylindres 4 temps classique.

CYLINDREE

La cylindrée unitaire est la différence entre les volumes maximum V et minimum v compris entre rotor et trochoïde dans le déplacement du rotor.
Le moteur classique effectue un cycle complet thermodynamique, lorsque l’arbre de sortie a effectué 2 rotations (admission, compression, explosion-détente, échappement). Le moteur à piston rotatif effectue le même cycle complet thermodynamique lorsque l’arbre de sortie a effectué 3 rotations. Se référant à un même régime d’arbre de sortie, les deux moteurs sont comparables en prenant pour cylindrée équivalente pour le moteur à piston rotatif les deux tiers du produit cylindrée unitaire nombre de chambres x par nombre de rotors n.

Soit :

• La cylindrée d’un moteur rotatif = 2/3(V – v) x 3 x n = 2(V- v)n
• Le rapport volumétrique sera égal à : µ=V/v

DESCRIPTION

De gauche à droite : poulie (avec son contrepoids, entraînant la pompe à eau, la pompe à air et l’alternateur), flasque avant, trochoïde, rotor, arbre moteur, flasque intermédiaire, rotor, trochoïde, flasque arrière, contrepoids.

ETANCHEITE

1. Segment de flanc
2. Pression d’ajustement
3. Segment joint entre excentrique et carter latéral
4. Segment joint entre excentique et rotor

L’étanchéité du piston rotatif comprend trois zones distinctes, pourvues chacune de dispositifs appropriés.

Sur les côtés du piston, un segment joint fait étanchéité entre l’excentrique et le flasque, un autre segment joint fait étanchéité entre excentrique et rotor (fig. 6).
Sur les côtés du piston, à faible distance des bords curvilignes, sont encastrés des segments de flanc (fig. 7) destinés à retenir les gaz et empêcher leur pénétration vers le centre. Ces segments sont appuyés contre les parois latérales par des bandes d’acier ondulées situées au fond des gorges du piston.
Contrairement aux moteurs à pistons classiques où les segments d’étanchéité et les segments racleurs sont très proches les uns des autres et où les mouvements alternatifs des pistons favorisent le passage parasite des gaz de combustion le long des parois des cylindres, les systèmes d’étanchéité aux gaz et à l’huile sont nettement séparés dans le moteur à piston rotatif. Il en résulte un espace  » entre segments  » dans lequel on peut maintenir à l’aide d’un canal reniflard avec soupape, une légère pression (200 millibars) des gaz qui ont pu franchir les segments de flanc. Ainsi, cet espace oppose une résistance à l’éventuel passage de résidus volatils de combustion vers l’huile, et vice versa. De plus, elle plaque les segments joints sur les bords de leur gorge pour assurer l’étanchéité.

Chaque sommet du piston est muni d’un segment d’arête (fig. 7) pour éviter le passage des gaz d’une chambre à l’autre. Ce segment d’arête comprend trois parties. Il est constitué par une barrette transversale logée dans une gorge et poussée vers l’extérieur par une lamelle d’acier légèrement incurvée. Elle assure un contact permanent de la barrette contre la piste de la trochoïde, au démarrage son rôle est essentiel. Les deux parties extrêmes du segment d’arête : les segments d’angle, sont en partie logés dans des barrillets maintenus en contact sur le flasque par de petits ressorts. Ces barillets assurent l’étanchéité entre segments de flanc et segments d’angle (fig. 7). Dès que le moteur prend du régime, la force centrifuge et les gaz de combustion viennent renforcer l’action de la lamelle d’acier en poussant les segments d’arête contre la piste de la trochoïde.

GRAISSAGE

L’huile est contenue dans un carter placé sous le moteur. Elle est aspirée par une pompe à huile à engrenages et refoulée dans un palier puis dans l’arbre moteur où elle lubrifie le deuxième palier et les deux excentriques. Elle assure le refroidissement du piston en circulant automatiquement à l’intérieur et s’évacue en lubrifiant couronnes dentées et pignons fixes (fig. 8). Le graissage des segments de flanc et des segments d’arêtes du rotor est assuré par un doseur qui injecte de l’huile moteur dans la canalisation d’essence avant son entrée dans le carburateur, en quantité précise fonction du régime moteur et de l’ouverture des papillons du carburateur. La température de l’huile est maintenue à une valeur acceptable pour le bon fonctionnement du moteur par un échangeur eau-huile intégré au moteur.

1. Pompe à huile
2. Clapet de décharge
3. Echangeur huile-eau
4. Filtre à huile
5. Arbre moteur
6. Rotor
7. Bielle de commande de la pompe haute pression
8. Doseur pour graissage segments du flanc et d’arête

ANTIPOLLUTION

Pour respecter les normes antipollution de plus en plus sévères, ce moteur possède un système de postcombustion permettant de brûler les produits nocifs de combustion. Une pompe à air débite au niveau des lumières d’échappement. Adaptation électronique de l’avance à l’allumage suivant les conditions de fonctionnement (position levier de vitesses, température du moteur, régime moteur, temps écoulé depuis la mise en route, dépression à l’admission) (fig. 9).

1. Silencieux
2. Soupape de décharge
3. Pompe à air
4. Soupape de retenue
5. Flasque intermédiaire
6. Trochoïde
7. Réacteur
8. Levier de vitesses, 2 enclenchée. point mort.
9. Thermo-contact
10. Filtre à air
11. Carburateur
12. Allumeur
13. Relais de dépression
14. Boîtier d’allumage
15. Relais temporisé

SES AVANTAGES

La première qualité du moteur birotor est sa simplicité. Il ne comprend que 8 éléments principaux :

• les deux trochoïdes,
• les deux flasques avant et arrière
• le flasque intermédiaire séparant les deux trochoïdes,
• les deux pistons
• l’arbre moteur à deux excentriques évidemment moins compliqué qu’un vilebrequin classique.

SILENCE

Ce moteur n’ayant aucune pièce en mouvement alternatif, son équilibrage est parfait, ce qui lui assure un fonctionnement totalement privé de vibrations, donc une réduction considérable du niveau sonore jusqu’aux vitesses de rotation les plus élevées. Le cycle à 4 temps est obtenu sans organe de distribution, ni soupape, ni ressort, ni culbuteur, ni tige de culbuteur, ni arbre à cames, etc.

ECOULEMENT DES GAZ

L’écoulement des gaz, non laminés par le passage d’une soupape, s’effectue, contrairement à ce qui se passe sur un moteur classique polycylindrique, selon un mouvement continu, sans retour sur lui-même ni changement de sens.

REMPLISSAGE

En raison de ce qui précède, il est évident que le taux de remplissage est élevé.

COMBUSTION

La combustion se fait à faible pression et a une durée importante. Elle contribue à la douceur du fonctionnement et élimine les chocs existants sur un moteur classique.

SOUPLESSE

Les propriétées énumérées ci-dessus liées à l’excellent équilibrage du rotor, donnent à ce moteur une douceur de fonctionnement exceptionnelle, sans jamais d’à-coups à la reprise, quelles que soient les conditions de régime ou de charge. Par son faible encombrement, son poids réduit, sa simplicité, son équilibrage parfait, son absence totale de pièces en mouvement alternatif, le moteur à pistons rotatifs est le premier et le seul aujourd’hui dans l’histoire des moteurs à réunir et concrétiser des qualités aussi exceptionnelles