La distribution des moteurs 4 temps

Un arbre à cames pour commander les soupapes

Constituées de soupapes et d’un ou plusieurs arbres à cames, la distribution est le cœur du moteur 4 temps. C’est essentiellement sur elle que reposent les performances de la moto.

Pour commander l’ouverture et la fermeture synchronisées des soupapes, on utilise un arbre à cames, c’est à dire un axe tournant sur lequel on a disposé des excentriques qui vont pousser les soupapes pour qu’elles s’enfoncent et s’ouvrent le moment venu. La commande des soupapes n’est pas toujours réalisée directement par le ou les arbres à cames. En effet tout dépend de leurs positions relatives. Sur les premiers moteurs 4 temps, les soupapes étaient implantées latéralement la tête en haut, sur le côté du cylindre. Elles étaient alors actionnées directement par l’arbre à cames, lui-même positionné près de l’axe du vilebrequin.

Gas Gas avait ainsi présenté à Milan en 2007, un prototype de moto équipé d'un moteur de trial à soupapes latérales. Une solution extrêmement simple et compacte, réminiscence du passé, que l’on n’avait peu ou pas vue en moto depuis les Harley « Flat head » arrêtées en 1951.

Des soupapes latérales aux soupapes en tête…

Le système, fort simple, présentait l’inconvénient d'une chambre de combustion « difforme », puisque les soupapes arrivaient à côté du cylindre. Le rendement du moteur s’en ressentait et l’on a très vite monté les « soupapes en tête ». Un terme issu d'une traduction, dans la mesure où culasse se dit « tête » dans de nombreuses langues étrangères : anglais, allemand, italien, par exemple. Dans les fiches techniques, ou parfois directement sur les carters, on peut voir le sigle anglais « OHV », ce qui signifie « Over Head Valves », soupapes en tête donc. Une abréviation aujourd'hui désuète qu’on ne retrouve plus guère que sur les tondeuses à gazon en guise d’argument de vente...

Peut mieux faire...

Pour rendre la chambre de combustion plus compacte, les soupapes ont donc été basculées afin de les ramener à la verticale du cylindre et du piston. On a alors parlé de moteurs « culbutés ». La combustion y a gagné en rendement. Cependant, l’arbre à cames étant, quant à lui, resté à la même place, on a dû implanter de longues tiges pour commander les soupapes, puis des basculeurs (culbuteurs) pour inverser le mouvement ascendant des cames en une poussée faisant descendre les soupapes.

Dans un passé relativement lointain, ce type de distribution était encore utilisé sur les motos essentiellement anglaises (années 60/70) et italiennes (Moto Guzzi).

OHV puis OHC

La solution du moteur simple ACT (arbre à came en tête) est encore bien adaptée aux monocylindres qui ne tournent pas à des régimes trop élevés, comme ici le 650 XR.

Cependant le poids et le nombre des pièces en mouvement nuisaient doublement à la recherche de puissance. En effet, plus les soupapes s’ouvrent et se ferment vite, plus elles peuvent rester ouvertes longtemps, ce qui favorise le remplissage du moteur, donc son couple et sa puissance. De même plus le moteur tourne vite, plus il délivre « d’explosions » et donc plus il est puissant. Mais la masse étant l’ennemie de l’accélération, ces systèmes lourds et complexes n’étaient guère performants pour des mouvements de va et vient. De fait on a eu l’idée de faire monter l’arbre à came dans la culasse (« en tête » donc..) pour éliminer les longues et lourdes tiges de culbuteurs. En anglais on parle d' «Over Head Camshaft » ce qui en abrégé s'écrit OHC. Une technologie finalement encore d'actualité puisque Honda (et Aprilia) l'utilisent toujours en série, moyennant quelques adaptations sous une appellation « Unicam ».

L'Unicam

L'Unicam Honda n'a qu'un seul ACT qui commande directement les soupapes d'admission alors que les soupapes d'échappement, plus petites, donc plus légères, utilisent des basculeurs.

La semaine prochaine, nous détaillerons le double ACT ...

Encadré : l'affolement de soupapes, c'est quoi ?

Ce phénomène est comparable à ce qui se produit quand une troupe marche au pas sur un pont. La fréquence des pas excite la structure du pont à une cadence qui correspond à son propre régime de résonance. Cela provoque des mouvements très amples du pont et au final sa destruction. Avec la distribution, c'est pareil. Quand la fréquence d'excitation de l'arbre à cames atteint celle du mécanisme d'ouverture et de fermeture des soupapes, le système entre en résonance. Cela provoque alors des mouvements incontrôlés des soupapes qui ne suivent plus le profil de l'arbre à cames. De fait, elles ne se ferment plus quand le piston monte … et bing, ça tape, provoquant la destruction du moteur. Plus on diminue la masse de la distribution, plus sa fréquence de résonance est élevée et s'éloigne ainsi de la fréquence de rotation du moteur (c'est à dire le régime auquel il peut tourner). CQFD.