Double arbre à cames en tête
La distribution à double ACT (Arbre à Cames en Tête) ou DOHC en anglais (Double Over Head Camshaft) permet une commande plus directe des soupapes par l'intermédiaire de poussoirs ou linguets à la place des culbuteurs, ce qui entraîne :
- une inertie réduite par rapport à une distribution à simple ACT et à fortiori à celle cubutée, ce qui diminue les risques d'affolement mécanique à haut régime (ou en cas de surrégime par exemple lors d'une chute ou d'une erreur dans le passage des vitesses, notamment en tout terrain ou pour les moteurs non équipés d'un rupteur)
- un tarage réduit des ressorts de rappel et donc une réduction des pertes mécaniques mais en considérant celles liées à l'entraînement du 2ème arbre à cames
Le double ACT, autrefois réservé aux engins à hautes performances et considéré comme une sophistication ultime pour un moteur à 4 temps, est désormais toujours associé à 4 soupapes permettant, à section de passage identique à 2 soupapes plus grosses et de matériau identique :
- une inertie réduite des soupapes nécessaire si la cylindrée unitaire est importante et/ou le régime maxi élevé
- une combustion optimale favorisé par un angle réduit entre les soupapes d'admission et d'échappement avec chambre de combustion plus compacte (en toit), bougie d'allumage centrale et piston léger à calotte plate (contrairement aux moteurs de course des années 50 à 70 à double ACT avec un angle important dépassant parfois 90° entre soupapes et autorisant une taille plus importante de celles-ci si limitées à 2 par cylindre, avec un piston plus lourd à calotte bombée évacuant moins bien la chaleur, et souvent une suralimentation à compresseur associée à un carburant contenant de l'alcool pour augmenter le taux de compression et limiter l'échauffement)
- une meilleure résistance des soupapes et étanchéité de leur siège, rendue nécessaire par la suppression du plomb dans l'essence, en particulier à l'échappement avec une température de fonctionnement plus élevée qu'à l'admission
La Peugeot 500 M de Grand Prix a été dès 1913 l'une des premières motos équipées d'un bicylindre parallèle à double ACT et 4 soupapes par cylindre.
bicylindre parallèle à 4 soupapes par cylindre
de la Peugeot M compétition de 1913
4 cylindres en ligne 1300 tout alu "Bialbero" à 2 soupapes par cylindre
de l'Alfa Roméo Giulietta de 1955
La Honda CB 450 de 1965 a été une des premières motos 4 temps de grande série équipée d'un double ACT (avec rappel des soupapes par barres de torsion ! ).
Son bicylindre parallèle à 2 soupapes par cylindres développait déjà près de 100 ch/l.
bicylindre parallèle à rappel des soupapes
par barre de torsion de la HONDA CB 450 de 1965
La MV Agusta 600 de 1966 dont le moteur était inspiré de la version de Grand Prix a été la première moto 4 cylindres de série à double ACT (avec 2 soupapes par cylindre)
4 cylindres de la MV AGUSTA 600 de 1966
La Kawasaki 900 Z1 de 1972 a été l'une la première moto japonaise de grande série équipée d'un 4 cylindres avec double ACT et 2 soupapes par cylindres. Mise à part Honda encore fidèle au simple ACT sur les moteurs dérivés du 750 four de 1969, la majorité des motos japonaises seront désormais équipées de 4 cylindres DOHC, avec 2 soupapes par cylindre jusque dans les années 80, et souvent une commande des soupapes par poussoirs avec un jeu à régler par pastilles, ce qui imposait la dépose des arbres à cames. Le 4 cylindres DOHC refroidi par air à 2 soupapes par cylindre subsistera jusqu'en 2003/2004 sur les Yamaha Diversion et Kawasaki ZR7.
4 cylindres à 2 soupapes par cylindre de la Kawasaki 900 Z1 de 1972
Les Yamaha 500 TX de 1973 (moteur repris sur la XS de 1976), qui étaient motorisées par un bicylindre parallèle calé à 180°, étaient les premières motos de grande série équipées à la fois d'un double ACT et de 4 soupapes par cylindre, technologie également appliquée à la 500 Laverda de 1977. Les 1000 et 1200 3 cylindres Laverda seront également équipées d'un double arbre, mais avec seulement 2 soupapes par cylindre.
bicylindre en ligne double arbre à 4 soupapes par cylindre de la Yamaha 500 TX/XS
A la fin des années 70, le double ACT avec 4 soupapes par cylindre devient un standard sur les motos japonaises performantes avec la sortie des HONDA 1000 CBX 24 soupapes en 1978, 900 Bol d'Or 16 soupapes en 1979 et 750 V4 en 1982.
6 cylindres en ligne refroidi par air à double ACT et 24 soupapes de la HONDA 1000 CBX de 1978
En 1985, Yamaha utilise pour la 1ère fois une culasse à 5 soupapes par cylindre (technologie Genesis) sur ces moteurs 4 cylindres à haute performance en commençant par la 750 FZ , puis reprend également cette technologie sur le bicylindre de la 750 Super Ténéré 850 TDM/TRX et 900 TDM.
La culasse à 5 soupapes sera également utilisée sur les gros monocylindres en 1991/1992 (Yamaha XTZ 660 OHC, Aprilia Pegaso 650 DOHC), et également en automobile (V12 Ferrari F1 tipo 641 de 1990 et F50, Audi V8 4.2 L) puis complètement abandonnée sur l'ensemble des moteurs (y compris en compétition) car n'apportant pas d'avantage significatif par rapport aux 4 soupapes compte tenu de la complexité plus importante, et pour incompatibilité sur les culasses équipées d'injection directe.
bicylindre double arbre à 5 soupapes par cylindre de la Yamaha 750 Super Ténéré
de 1989 et dont dérivent les versions 850 TDM/TRX et 900 TDM
V4 DOHC avec pistons oblongs à 2 bielles et 8 soupapes par cylindre de la HONDA 750 NR RC40
de 1992, inspirée de la NR 500 de Grand Prix et de la 750 endurance. Les 32 soupapes du V4
permetttent un remplissage et une vitesse de rotation proche de celle d'un V8 de même cylindrée.
Kawasaki a été le premier constructeur a utiliser un monocylindre DOHC à 4 soupapes et
refroidissement liquide sur un trail avec la 600 KLR de 1984 (553 cm3),
puis les 650 KLR, Tengaï, et KLX.
monocylindre DOHC 4 soupapes de la Kawasaki 650 KLX de 1993, avec
un angle réduit entre les soupapes et une culasse compacte permise par
le diamètre réduit des pignons d'arbre à cames dont l'entraînement est assuré
par 2 chaînes de distribution avec une démultiplication intermédiaire.
Simple arbre à cames en tête
La distribution à simple ACT (Arbre à Cames en Tête) ou OHC en anglais (Over Head Camshaft) ou SOHC (Single Over Head Camshaft) permet d'éviter l'inertie et l'imprécision de la distribution culbutée en supprimant les tiges de culbuteurs, tout en restant une technologie plus simple et surtout plus compacte qu'un double ACT.
Elle s'associe parfaitement avec une culasse à 2 soupapes par cylindres mais peut également être utilisée avec une culasse multisoupapes, notamment sur les gros monocylindres dont le régime maxi reste limité et qui sont moins adaptés au double ACT plus encombrant et plus lourd.
bicylindre LAVERDA 750 SF de 1968 à 2 soupapes par cylindre
4 cylindres HONDA 750 four de 1969 à 2 soupapes par cylindre
La Honda 250 XL de 1972, équipée d'un monocylindre à simple ACT, a été la première moto japonaise de grande série avec une culasse à 4 soupapes.
Après les Yamaha 500 XT (1976) et Suzuki SP 370 (1978) qui avaient encore 2 soupapes, tous les gros monocylindres japonais avec un ou plusieurs arbres à cames en tête et cotes supercarrées ont été équipés d'une culasse à 4 soupapes, voire 5 pour le Yamaha 660, et d'un arbre d'équilibrage permettant de maintenir un niveau de vibration acceptable à haut régime.
monocylindre HONDA 250 XL de 1972 à 4 soupapes
monocylindre YAMAHA 600 XT 1983 à 4 soupapes
monocylindre HONDA des années 80/90 à 4 soupapes radiales
(600 XLR, 650 NX Dominator,XR 400, XR 600, etc...).
Les soupapes radiales, déjà utilisées sur les 250, 350, et 500 Rudge
culbutées de course des années 30, permettent un remplissage et
un rendement optimal.
bicylindre en V HONDA 650 NTV de 1989 à 3 soupapes par cylindres
monocylindre YAMAHA 660 XT à 5 soupapes
Système Unicam multisoupapes Honda à simple arbre à cames en tête
mais à commande mixte des soupapes :
- par poussoirs (parfois par linguets) à l'admission
- par basculeur unique dédoublé à contact par rouleau à l'échappement (soupapes plus petites)
Ce système, inspiré de celui déjà utilisé en automobile en 1973 sur le 4 cylindres de la Triumph Dolomite Sprint (voir ci-après) puis en 1979 sur le V6 12V Alfa Roméo "Busso", permet des régimes moteurs plus importants qu'avec un simple ACT classique tout en restant plus compact et plus léger qu'un double ACT. Il est utilisé sur les monocylindres de compétition tout terrain CRF 250/450, sur V4 1200, bicylindres parallèles 1000/1100, et 750 de 2023. Une distribution similaire à été utilisée également sur les V2 SXV Aprilia 450/550 et sur les derniers monocylindres 690 KTM/Husqvarna.
Les soupapes d'admission sont commandées directement par deux cames individuelles disposées de part et d'autre de l'unique came d'échappement qui actionne un basculeur à rouleau dédoublé, ce qui permet avec 3 cames par cylindre d'avoir un diagramme de distribution indépendant entre admission et échappement, ce que ne permettait pas la distribution de la Triumph Dolomite Sprint.
Distribution du V6 Alfa Roméo "Busso" ou "Arese" 12V de 1979 à simple arbre à cames en tête par rangée de cylindre avec une came qui commande la soupape d'admission par poussoir et une autre came actionnant la soupape d'échappement (plus petite) par tige et culbuteur.
Distribution du 4 cylindres 2.0 l 16 soupapes de la Triumph Dolomite Sprint de 1973 à simple
arbre avec pour chaque cylindre 2 cames actionnant chacune un poussoir à l'admission et un
culbuteur à l'échappement, ce qui impose une durée d'admission et d'échappement égale, des
levées de soupapes et une durée de croisement liées à la géométrie et au positionnement du
culbuteur et des soupapes.
Soupapes en tête culbutées
La distribution culbutée, en anglais OHV (Over Head Valve) comprend des soupapes en tête commandées par tiges et culbuteurs entraînés par un arbre à cames latéral (ou plusieurs) situé généralement au niveau du vilebrequin et qui peut à lui seul assurer la distribution d'un moteur à 2 rangées de cylindres, en V ou à plat. Celà permet un abaissement du centre de gravité et une relative compacité de la culasse qui est souvent de forme hémisphérique, tout en limitant la complexité mécanique.
Les moteurs anciens avec soupape d'admission culbutée et soupape d'échappement latérale (et plus rarement l'inverse) sont dits "semi-culbutés".
La longueur des tiges entraîne plusieurs inconvénients :
- Le jeu de fonctionnement au niveau des soupapes n'est pas constant en fonction de la dilatation des tiges et des cylindres, ce qui entraîne une imprécision de fonctionnement, un bruit important, et des réglages fréquents de jeu aux soupapes, sauf si on utilise des poussoirs hydrauliques qui augmentent toutefois l'inertie des tiges.
- L'inertie importante freine les montées en régime et peut entraîner un "affolement" des soupapes qui ne se ferment plus assez vite à hauts régimes , les ressorts de rappel n'assurant plus un contact permanent de la queue de soupape avec la came, ce qui peut entraîner un contact destructeur entre soupapes et piston lorsque celui-ci atteint le point mort haut.
L'inertie du mécanisme peut être limitée avec un arbre à cames surélevé ou une course de piston plus courte, ce qui réduit la longueur des tiges de culbuteurs, mais ce type de distribution reste globalement peu compatible avec un régime de rotation élevé.
La distribution culbutée a été majoritairement utilisée des années 1950 à 70 en particulier sur les motos anglaises mais elle souffre d'une réputation rustique et n'est plus employée que sur des gros moteurs "paisibles" à 2 rangées de cylindres (V Twin longue course de customs américains, V twin Moto Guzzi, V4 Motus, big boxer 1800 8 soupapes BMW de 2020, ...), l'évolution de la métallurgie voire l'emploi de matériaux nobles sur des moteurs de compétition (soupapes en titane, tiges en carbone, ...) ayant réduit les inconvénients cités plus haut.
En automobile elle a été utilisée très longtemps sur les gros V8 américains, et sur les fameux 4 cylindres "Billancourt" et "Cléon fonte" de Renault, depuis la 4CV des années 50 jusqu'à la Twingo 1 de 1995 en passant par les Alpine A110 1300/1600 des années 60/70, et même les versions suralimentées des années 80 dont les régimes de rotation restaient limités comme la Supercinq GT Turbo.
V-Twin à 2 soupapes par cylindre INDIAN Thunderstroke 111 (environ 1800 cm3)
à 3 arbres à cames et poussoirs hydrauliques
V-Twin à 2 arbres à cames surélevés et entraînés par courroies crantés
de MOTO GUZZI V10 Centauro de 1996 à 4 soupapes par cylindre
V-Twin à arbre à cames surélevé
de HONDA CX 500 de 1978 à 4 soupapes par cylindre
4 cylindres Renault C1J turbo à arbre à cames surélevé des années 80 (R9, R11, R5 GT turbo,...)
bicylindre Triumph Bonneville de 1973 à 2 soupapes par cylindre
3 cylindres en ligne Triumph T 150 de 1969 à 2 soupapes par cylindre
flat twin BMW R51 à 2 soupapes par cylindre des années 50
V-Twin à 2 arbres à cames surélevés de VINCENT HRD 1000 des années 50
monocylindre 500 4 soupapes Motobécane B5C Grand Sport de 1932
Soupapes semi-culbutées
La distribution semi-culbutée était une technologie dérivée et contemporaine des moteurs à soupapes latérales mais utilisant à la fois des soupapes latérales et des soupapes en tête avec les avantages et aussi les inconvénients de chaque système.
La distribution est de type IOE (Intake Over Exhaust) lorsque :
- l'admission est commandée par une soupape en tête avec tige et culbuteur, ce qui permet de meilleures performances qu'avec une soupape latérale ou automatique à dépression
- l'échappement est commandé par une soupape latérale
La distribution est plus rarement de type EOI (Exhaust Over Intake) lorsque :
- l'admission est commandée par une soupape latérale
- l'échappement est commandé par une soupape en tête avec tige et culbuteur
Les soupapes d'admission et d'échappement peuvent être opposées (dans le même axe mais tête bêche) ce qui permet d'avoir une chambre de combustion plus compacte avec un meilleur rendement.
moteur semi-culbuté de type IOE à soupapes opposées
Monet-Goyon K 500 de 1929 à monocylindre MAG semi culbuté de type IOE
Moto Guzzi 500 Normale de 1922 avec monocylindre horizontal semi-culbuté de type EOI
Soupapes latérales
Les moteurs dits "flathead" (tête plate) qui étaient très courants jusqu'à la 2ème guerre mondiale avaient une distribution à soupapes latérales ou "side valves"(SV) constituée d'une chambre latérale au cylindre contenant les soupapes en position inversée avec les têtes positionnées côté culasse et les queues de soupapes actionnées par un arbre à cames latéral proche du vilebrequin.
L'aspect extérieur du moteur était souvent proche d'un 2 temps par la forme de la culasse qui ne contenait aucun organe de distribution.
Les moteurs les plus anciens et à faible régime n'avait que l'échappement commandé par une soupape latérale, l'admission étant à soupape automatique (par dépression et ressort de rappel).
La distribution à soupapes latérales était simple, silencieuse, et n'entraînait aucun risque d'accrochage des soupapes en cas de surrégime mais la forme de la culasse posait des problèmes d'étanchéité et ne permettait qu'un faible taux de compression ce qui était adapté à un carburant à faible indice d'octane mais limitait beaucoup la puissance et le rendement thermodynamique, d'où l'abandon définitif de cette technologie dans les années 50 au profit de moteurs à soupapes en tête (sauf sur les engins de motoculture qui ont eu des soupapes latérales jusque dans les années 80, avec utilisation d'essence ordinaire au plomb).
Terrot 750 VA de 1934
V8 FORD flathead (tête plate) 221 Ci (3.6 l) de 1932
BMW flat twin R11 de 1930
MAGNAT-DEBON 350 de 1930
V-Twin Harley Davidson flathead (tête plate) produit de 1929 à 1974