ARTheque - STEF - ENS Cachan | Créativité à propos du moteur rotatif Wankel

(1)

,

. . ,

CREATIVITE

à

propos du moteur rotatif WANKEL

par m.ledrolle prof esseu r 1UT REIMS

Cette étude complète la troisième partie de l'article paru dans le

Bulletin N° 3.

'"

1 - MODIFICATION DE L'APPAl\EIL DE TRACE D'EPITROCHOIDES

L'appareil défini dans l'article précédent du Bulletin N° 3, page 40, figure 14, a été réétudié afin de permettre le tracé de dif-férentes familles d'épitrochoIdes par modification du rapport d'en-grenage et de l'excentrique.

Pour le moteur rotatif NSU, l'ingénieur Wankel a retenu le rapport d'engrenage de 2/3; il en résultait un moteur à stator à 2 lo-bes et à rotor à 3 faces.

Avec un rapport de 3/4, nous verrons que nous pouvons conce-voir un moteur à stator à 3 lobes et à rotor à 4 faces, et ainsi de

suite pour les rapports suivants: 4/5,5/6, 6/7, •••

La figure 1 représente le nouvel appareil de tracé sur lequel nous remarquons :

bâti analogue à celui de l'appareil précédent

3 vilebrequin facilement démontable par simple desserrage de la vis moletée 5. Il faut un vilebrequin spécial avec un excentrique 8 adapté pour chaque rapport d'engrenage 4 manette assurant la liaison axiale du vilebrequin

7 pignon facilement démontable par simple desserrage de l'écrou 6 moleté et percé

..

9 différents rotors pour assurer les rapports variables 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 6/7 .

(2)

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Figvre. 1

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2 - ENSEMBLE DES MOTEURS A STATORS EXTERIEURS :

Nous allons montrer que, si l'épitrochoide possède un nombre pair de lobes, on peut facilement réaliser un moteur en plaçant une admission, une bougie, un échappement par paire de lobes.

Les figures suivantes représentent les schémas de principe de fonctionnement de tels moteurs. Les stators et rotors pourraient présenter des formes quelque peu différentes si l'on modifiait les paramètres de règlage de l'appareil de tracé (voir chapitre 4).

Comme pour le moteur NSU-Wankel, les segments sont placés sur les arêtes du rotor.

2.1. f!~~_i~~~!i~~~~ff~_4~~~_~~~~~~_~!~~_~~~~~f-e~~!~a~~I

:

2.1.1. Génération: (voir figure 2)

L'épitrochoïde du stator est obtenue sur l'appareil de tracé en uti-lisant le couple de roues :

Z stator Z rotor 52 6S 4 5

(3)

2.1.2. Cinématique

La formule de Willis de ce mouvement s'écrit

N rotor - N vileb.

=

+ ~ N stator - N vileb. 65

=

4 5 connue N stator

o

N rot. - N vil. 4

=

0 ~ vil. 5

d'où :

-

N rot +

= - -

4 N rotor

N vil 5 N vilebrequin 5

Le rotor fait donc un tour quand le vilebrequin en fait 5.

P\-lASES SUCCESSIVES povr 10 Foce 1-2-q : Fi d'.sc.ke>.jOf'c.-.""t- ''''' E.z. 1 Aav\'O\ ..I!>$ÎD ... A..,

o : Fi d.a c""""P""s.:l.,·o,,", 1 c::IlIu"""o.~c ~"" B-1

c : Fi d. détc""t .. , dé'bvt d'4'c.!.'lo./Dp.""",g,-"t eVl E-1

et: Novvell .. CI\.~""""i~6lo... ~.... A;z.

(4)

Si l'on veut définir un mouvement périodique, le rotor doit se retrou-ver en positions analogues à chaque tour du vilebrequin, donc tous les 1/5ème du tour rotor. On est donc conduit à adopter un rotor en forme de pentagone régulier dont la courbure des faces est fonction de la forme enveloppe de l'épitrochoide.

2.1.3. Dynamique:

En disposant sur l'épitrochoide 2 admissions AI et A

2, 2 échappements El et E

2, 2 bougies BI et B2, chaque face du rotor produira 2 temps moteurs par tour du rotor, suivant un cycle à 4 temps. Comme il y a 5 faces, nous aurons au total 10 temps moteurs par,tour de rotor, ce qui correspond à 5 tours de vilebrequin. Nous aurons donc finalement 2 temps moteur,par tour de vilebrequin.

2.1.4. Equivalence

Ce moteur pentagonal monorotor est donc équivalent à un moteur 4 temps à 4 pistons coulissants. Si, pour l'équilibrage~ nou~ placions 2 rotors pentagonaux opposés, nous aurions un birotor êqu i.val.ent; li un moteur

8 cylindres, classique.

2.1.5. Etude critique

AVANTAGES

- Moteur très peu encombrant et léger

- Très bon équilibrage, peut tourner vi te

- Fabrication simple

- Utilisation possible d'un carburant à faible indice d'octane

INCONVENlliJNTS

- Faible couple n:.<,:,teur

(faiblGexç~ntricité)

- rapport vo Iumét ri.que inférieur au moteur NSU

(baisse de rendem~nt

?)

2.2. Et~~_t~~~~i~~~~bI~_~~~~_~~~~~~~~~~~~~_~~~~~f_~§2!~a~~~l 2.2.1. Génération: (voir figure 3)

L'épitrochoïde du stator est obtenue sur l'appareil de tracé en utili-sant le couple de roues :

Z stator Z rotor 60 70 6 7

(5)

P\-lAS~S

a: FiV'\

b F"iV'l

c : Fin cl ~ Fin

S\JCCESSIVËS POUR LA FACE: '1-2 d'o.,h""is~io"'" €'" A-1

àG!. c:ol'Y\jOre:!>~'aV'\ • Allv"""'c:\je eo"", 6 ....

cl~ d.ha ...l-ct. - O€bvl- d,'écl.-1a.jOr-'''''''''''e + e.., E ...

c1/-éc.~~jOjOc...f! ....1- e...., E. ... _ o.Jbvt d.'<:\J ·slbiD.... e A:z..

...

. F l 9 ure 3

1 - - - i

NOUVEAU MOTEUR

WANKEL

~EPTAGONAL

2.2.2. Cinématique

La formule de Willis de ce mouvement s'écrit N rotor - N vileb. 60

comme N 0 N rot. - N vil 6

=

+ stator ₎ =

-N stator - -N vileb. 70 0 - N vil 7

d'où - N rotor + 1

= - -

6 / N rotor

(6)

Le rotor fait donc un tour quand le vilebrequin en fait 7. Si l'on veut définir un mouvement périodique, le rotor doit se rctroùV8r en positions analogues à chaque tour du vilebrequin, donc tous lesl/7ème de tour du iotor. On est donc conduit à' adopter un rotor en forme d'heptagone régu~

lier dont la courbure des faces est fonction de la formt:! enveloppe de "

l'~pitrochblde. " .2.2.3. Dynamique

En disposant. ~ur 1:épitrocholde3 admissions A , A

Z' A3, 3ê~happemcnts

El' E

2, E3, 3 boug i.e s BI' Bi' B3, chaque face du rotor produl::<l 3 temps moteurs par tour du rotor, suivant un cycle à 4 temp sv Comme 1.1 y a 7 fa-.

ces, nous aurons au total 21 temps moteurs -par tour de: rotor, 'ce qui cor-respond à 7 tours de vilebrequin. Nous aurons donc finalement 3 temps Dmteurs par tour de vilebrequin.

2.2.4. ~uivalence :

Ce moteur heptagonal monorotor est donc équivalent à un moteur 4 temps à 6 pistons coulissants. Si, pour l'êquili~rage, nous placions 2 ro-tors heptagonaux opposés, nous aurions un birotor équivalent à un moteur classique à 12 cylindres.

2.Z.5. Etude critique

AVANTAGES

- Moteur peu encombrant

Très bon équilibrage,

peut tourner très rapidement

Fabrication simple

Utilisation possible d'un carburant à faible indice d'octane

INCONVENIENTS'

Faible couple moteur (faible excentr~cité)

- Assez faible rapport volumé-trique à Cause des formes an-. guleuses (baisse de rendement)

.--3 - ENSEl·I.~l:!~~~ HOTEURS A STATORS INTERIEURS

Les épitrocholdes obtenues avec les rapports d'engrenages 3/4, 5/6,

7/8, ...

présentent un nombre impair de lobes et nous ne pouvons plus

dis-poser les orifices d'admission, d'allumage et d'échappement d'une façon analogue à celle de 1.a solution NSU-Hanke1. Nous sommes alors logiquement anlenés Ù nous intéresser à la pièce intérieure à l'épitrochoideJ qui

pos-sède un nombre pair de faces.

Nous dispo60ns alors les orifices d'admission et d'échappement sur la pièce intérieure qui devient statorJ et l'épitrochoidc extérieure

(7)

Les angles du stator qui reçoivent les bougies sont rainurés pour n'être pas étanches tandis que les angles recevant les orifices d'admission et d'échappement sont étanches et évitent ainsi un mauvais mélange.

Pour assurer l'étanèhéité en suivant le profil curviligne du stator, le rotor doit porter des segments montés glissants dans leurs rainures et poussés par des ressorts. Pour assujettir la poussée sur les segments à la vitesse de ,rotation du mbtèur et équilibrer les

ac-t.Loris centrifuges, on peut prévoir une poussée d 'huile dont la pression

est fonction de la vitesse. .

e

.~

<-=-_=2.~'L"!Slu no)O\ -lh",u:.he$

9

...

PHASE 5 SuceE::SS'V~s POUR L.A Ç"AeE: 11L.

2-Cl Adl'Y\ls$,'on cz.n A1

b Fin dll& c.orn.pr.essi0 .... _ AllvV"o'\o.g. 'en 51 c Fin de d.lreV'l/-c. 1 écho..ppe ...Glnr ~n E: ...

d NovVc.U. ad ...is~;ol'\ CV\ A:z.

IUT Raim$

(8)

3.1.1. Génération: (voir figure 4)

L'êpitrochoÏ.de est obtenue sur l'appareil de tracé en utilisant le couple de roues : Z stator Z rotor 54 72 3

=

4

3.1.2. Cinématique étudiée sur l'appareil ,de tracé La formule deWillis de ce mouvement s'étrit

N rotor - N vileb. N stator - N vileb.

=+~

72 3 = -4 comme N stator =

o

1 N rotor - N vil. 3

7-

N rotor 3 ~ N rotor = - -₁ ₊ 1 = - ₁ =

0 - N vil. 4 N vil. 4 N vil. 4

Le rotor de l'appareil de tracé fait donc un tour quand le vilebrequin en fait 4. si l'on veut définir un mouvement périodique, ce rotor doit se retrouver en positions analogues à chaque tour du vilebrequin, donc tous les 1/4 de tour du rotor. On est donc conduit à adopter un rotor, en 'forme de carré ,dont la courbure des faces est fonction de la forme enveloppe de l'épitrochoIde.

3.1.3. Thermodynamique

L'épitrochoÏ.cie obtenue comporte un nombre impair'de lobes (3) et i l n'est pas ,possible de disposer sur cette courbure un nombre pair d'orifices d'admission et d'échappement. Pour réaliser un moteur nous sommes alors amenés logiquement à disposer les orifices d'admission et d'échappement sur la pièce comportant un nombre pair de faces, donc sur la partie

central~quadrilatérale. Le rotor est alors extérieur et le stator in~

térieur.

3.1.4. Dynamique

En disposant sur le stator 2 admissions AI et A

2, 2 échappements El et E2" 2 bougies BI et B

2, chaque face du rotor produira 2 temps moteurs par tour de rotor suivant un cycle à 4 temps. Comme il y a 3 faces, nous au-rons au total 6 temps moteurs par tour de rotor, ce qui correspond à 4 tours de vilebrequin. Nous aurons donc finalement 1,5 temps moteurs par tour de vilebrequin.

3.1.5. Equivalence

Ce moteur quadrilatéral monorotor est 'donc équivalent à un moteur 4 temps. à 3 pistons coulissants. Si, pour l'équilibrage, nous placions 2 rotors opposés, nous aurions un birotor équivalent à un 6 cylindres classiques.

(9)

l'

AVANTAGES

- Bon équilibrage

INCONVENIENTS

- Etanchéité difficile sur segments coulissants (usure) - Masse en mouvement importante. - Faible rapport volumétrique

à cause de la forme angulairè du stator (baisse de rendement)

11

..

Al"\'31es rair'\vr.t$

Co'"

_B../B .1 1B~

Sc.gn'l.,.,t-So c:oùli.\$q"l-,s e",_1/2,

a,

lt,5

..

I---~_. ... _._L ...- - - -..- ..-~---...,

PHASES SUCeES SIVËS POUR LA FACE: 1-Z

Cl : Pin d' adrni.ssion p~r A"

b : fI ... de! Gomprtlls,s.iol"l ,AII"h""""9Q pOor- 8 ₁

c : Fi""

ae.

déh!L~l-. 1 et,f'bvt d' éc~o.;:>pCIIW'leV\rpar E'1 cl : FiY'\ d'-e:c.(..,""pp.\o"Io'\e ...t- po.r E.-1 / d....bv~ d'""dm,'uio,,", pa.r" A2

F.'gvre. 5 IUT R<cil'">"l~

(10)

3.2.1 •. Génération : (voir figure 5)

L'êpitrochoide est obtenue sur l'appareil de tracé en utilisant le cou-ple de roùes:

Z

~tator

Z

rotor 60

=

---:-72 5 = -6

3.2.2.

Cinématique .étudiée sur l'appareil de tracé

La formule de Willis de ce mouvement s'écrit:

N

rotor

N

vileb.

N

stator - N vileb. comme N stator :: 0 , :: + - - = = - -60 5 ' 72 6 . N rotor

o

N vil Nvil N rot N vil + 1

_{= -}

5 6

,?

N

rot

N

vil

.,

-6

Lè totor de l'appareil de tracé fait donc un tour quand le vilebrequin

en fait 6. Si l'on veut définir un mouvement périodique, ce rotor doit

se retrouver en positions analogues à chaque tour du vilebrequin, donc

tous les 1/6ème de tour du rotor. On est donc conduit à adopter un

ro-tor de forme hexagonale dont la courbure des faces est fonction de la forme enveloppe de l'épitrochoide.

3.2.3. Thermpd:ynamique :

L'épitrocholde obten~e comporte un nombre impair de lobes (5) et il n'est

pas possible de disposer, sur cette courbure, un nombre pair d'orifices d'admission et d'échappement. Pour réaliser un moteur, nous sommes alors amenés logiquement à ,disposer les orifices d'admission et d'échappement

sur la pièce comportant un nombre pair de faces, donc sur la partie cen-trale hexagonale. Le rotor est alors extérieur et le stator intérieur.

3.2.4. Dynamique :

En

disposant sur le stator

3

admissions

Al'

_AZ'

A

3, 3 échappements

Et'

E

2, E3, 3 bougies BI' B2, B3, chaque face 1-2 du rotor produira 3 temps

moteurs par tour de rotor, suivant un cycle à 4 temps. Comme le rotor

comporte 5 faces, nous aurons au total 15 temps moteurs par tour de

ro-tor, ce qui correspond 'à 6 tours de vilebrequin. Nous aurons donc

finale-ment 15/p

=

2)5 temps moteurs par tour de vilebrequin.

3.2.5. Equivalence:

Ce moteur hexagonal monorotor est donc équivalent à un moteur à 4 temps

à 5 pistons coulissants. Si, pour l'équilibrage, nous placions 2 rotors

(11)

AVANTAGES

- Bon équilibrage

INCONVENIENTS

- Etanchéité difficile sur seg-ments coulissants (usure) - Masse en mouvement importante - Faible rapport volumétrique

à cause de la forme angulaire du stator (baisse de rendement)

( à suivre )

NOTA Si des collègues désirent faire construire les matériels

pédago-giques pour le tracé des éléments des moteurs, ils peuvent de-mander un tirage des plans d'ensemble à l'échelle 1 à :

Monsieur le Directeur de l'I.U.T. de Reims

BP N° 257

ARTheque - STEF - ENS Cachan | Créativité à propos du moteur rotatif Wankel

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CREATIVITE

à

Cette étude complète la troisième partie de l'article paru dans le

Bulletin N° 3.

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E--~

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li

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WANKEL

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7/8, ...

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AVANTAGES

INCONVENIENTS

..

Co'"

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Z

Z

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3.2.2.

N

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N

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AVANTAGES

INCONVENIENTS

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