Ce blog présente les différents sytèmes de distribution à arbre(s) à cames permettant l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement des moteurs 4 temps et qui déterminent pour une grande part leurs capacités de performance, en particulier pour les moteurs atmosphériques à haut régime de rotation ou ceux de forte cylindrée unitaire.
Les organes de distribution comportent (voir détails suivant menu à droite, ou suivant bouton en haut à droite sur smartphone) :
- un ou plusieurs arbre(s) à cames par cylindre ou pour l'ensemble du moteur, disposé(s) soit en tête dans la culasse, ou dans le bloc moteur en position dite latérale près du vilebrequin, et tournant à demi vitesse du vilebrequin.
- une ou plusieurs soupapes d'admission et d'échappement par cylindre, dont l'ouverture est commandée par les cames en rotation par l'intermédiaire de poussoirs ou de différents systèmes à leviers mécaniques, et dont le rappel est généralement assuré par des ressorts hélicoïdaux.
Le choix du système de distribution dépend :
- des performances attendues liées au remplissage du moteur et au rendement thermodynamique (nombre et disposition des soupapes et forme de la culasse, levée des soupapes et temps d'ouverture), et du régime maxi de rotation suivant la cylindrée unitaire
- des possibilités de performances en accord avec l'ancienneté de conception (cotes longue course ou supercarré, taux de compression, refroidissement par air ou liquide).
- de l'encombrement et du centre de gravité lié à l'emplacement des arbres à cames, en fonction de la disposition et du nombre de cylindres
- du positionnement des goujons de fixation de la culasse en fonction du nombre et de la disposition des cylindres
- d'un compromis entre complexité, masse, coût, facilité du réglage de jeu aux soupapes
- de la qualité du carburant disponible à l'époque de conception du moteur, en fonction des additifs augmentant l'indice d'octane (actuellement 95 ou 98) et permettant un taux de compression et un rendement supérieur, la suppression du plomb ayant en revanche favorisé l'emploi de soupapes plus petites pour une meilleure étanchéité des sièges, les culasses multisoupapes n'étant pas toujours liées à une recherche de performance, notamment en automobile.
- du rendement énergétique et respect des normes de pollution de plus en plus sévères
En fonction de l'évolution de la métallurgie et des coûts de production, des régimes de rotation, et des normes de pollution, on peux globalement classer les systèmes de distribution les plus répandus sur véhicules de série en fonction des périodes ci-après :
- avant 1940 : 1 arbre à cames et 2 soupapes latérales
- années 50 à 70 : 1 arbre à cames latéral et 2 soupapes en tête culbutées (commandées par tiges et culbuteurs)
- années 70 à 80 : 1 ou 2 arbre(s) à cames en tête et 2 soupapes
- années 80 à 90 : Double arbre à cames en tête et 4 soupapes sur motos japonaises performantes.
- années 90 à 2000 : Double arbres à cames en tête et 4 soupapes sur tous les moteurs essence atmosphériques performants autos et motos
- après 2000 : Double arbre à cames en tête et 4 soupapes sur tous les nouveaux moteurs atmosphériques autos et motos
- après 2010 : Double arbre à cames en tête et 4 soupapes avec apparition des distributions variables en moto , déjà appliquées en automobile et associées au downsizing et à la suralimentation.
Le simple arbre à cames en tête subsiste encore sur des monocylindres pour des questions de poids et de compacité de la culasse (par ex Unicam Honda avec 4 soupapes) ou sur des moteurs utilitaires.
Les distributions culbutées subsistent également pour les mêmes raisons sur les moteurs en V peu poussés et permettent parfois de n'utiliser qu'un seul arbre à cames (V twin refroidi par air type Moto Guzzi, moteurs en V américains) avec deux culasses compactes et un centre de gravité plus bas.
Les moteurs à soupapes latérales ont complètement disparu dans les années 50 (sauf en motoculture où ils ont subsisté jusque dans les années 80) car leur rendement est inférieur à celui des moteurs à soupapes en tête.
A noter certaines dispositions originales :
- la distribution desmodromique de Ducati permettant un rappel mécanique des soupapes, ce qui autorise des profils de cames agressifs et des régimes de rotation très élevés même avec de grandes soupapes, avec parfois 3 arbres à cames comme sur la 125 course Trialbero des années 50
- l'entraînement d'arbre à cames par biellettes et excentriques (NSU des années 50)
- le rappel des soupapes par barres de torsion (Honda CB 450 de 1965)
- les soupapes radiales (Rudge 1934, Honda mono 600/650 RFVC et Rotax/Aprilia, 1000 MV Agusta, ...)
- le simple arbre 3 soupapes des Honda bicylindres des années 80 (400 et 250 N, 600 Transalp, Africa Twin, NTV 650, ...)
- les culasses 5 soupapes Yamaha avec double arbre (FZ et Super Ténéré 750, 850/900 TDM, 1000 R1 1998 à 2006, ...) ou simple arbre (monocylindre XTZ Ténéré 660)
- le double arbre 8 soupapes de la 750 Honda NR à pistons oblongs de 1992
- le bicylindre culbuté à arbre(s) à cames surélevé(s) et tiges de culbuteurs courtes (Honda CX, 1000 et 1200 8V Moto Guzzi, flat twin BMW R1100, et R1200 de 2004)
- les V-Twins américains longue course avec distribution culbutée à poussoirs hydrauliques et avec 1 à 4 arbre(s) à came(s) (4 sur Harley 883/1200 Sportster, 2 sur Twin Cam 88/96/103, 1 sur Milwaukee Eight 107/114/117 et Evolution 1340, 3 sur Indian Thunderstroke 111/116)
- les 3 arbres à cames en tête et 3 soupapes par cylindre de la 1200 Horex VR6
- les distributions variables (VTEC Honda, DVT Ducati, Shiftcam BMW motos, Valvetronic + Vanos BMW autos, VVT Harley Davidson 1200 Révolution Max, ... )
- le système de distribution avec un seul arbre à cames mais avec commande directe par poussoirs ou linguets des soupapes d'admission et par culbuteurs des soupapes d'échappement, utilisé d'abord en automobile sur la Triumph Dolomite Sprint de 1973, puis en 1979 par Alfa Roméo sur le V6 « Busso » , et en moto par Honda (Unicam), par Aprilia (V2 SXV) et par KTM (monocylindre LC4 de dernière génération)
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le système de distribution avec un seul arbre à cames pour 4 rangées de soupapes du V16 à 45° de l'AUTO UNION type B-C de 1935-1936 avec commande par tiges et culbuteurs pour les 2 rangées externes et par culbuteurs sur les 2 rangées centrales
- le système de distribution avec 3 arbres à cames en tête et culbuteurs pour 4 rangées de soupapes du V12 de l'AUTO UNION type D de 1939, les 2 arbres à cames externes entraînant chacun une seule rangée de soupapes
- le système Fiat MultiAir à simple arbre à cames à commande par poussoirs des soupapes d’échappement et à commande par basculeurs et système électro-hydraulique des soupapes d’admission permettant une durée et levée variable d’ouverture par cylindre avec suppression du papillon de gaz.
- les moteurs expérimentaux à distribution rotative (par ex Norton Manx d'usine des années 50), très peu répandus suite à des problèmes d'étanchéité et de rendement faible.
- les moteurs expérimentaux "Camless" dont les soupapes sont commandées directement par électro-aimants.
- la culasse Apfelbeck utilisée sur certains monocylindres de compétition avec 4 soupapes radiales disposées en diagonale pour l'admission et pour l'échappement, ce qui permet des soupapes plus grosses et un meilleur rendement à haut régime mais complique le positionnement de l'admission (conduits verticaux entre les 2 arbres à cames) et de l'échappement (une sortie de chaque côté de la culasse).
Retour sur l'architecture et les sons de moteurs :