distribution des moteurs 4 temps

ENTRAINEMENT DES ARBRES A CAMES

L'arbres à cames est entraîné par pignon depuis le vilebrequin s'il est latéral et proche de celui-ci dans le cas d'un moteur culbuté.

Dans tous les autres cas et le plus souvent sur les motos, il est souvent entraîné par chaîne munie d'un tendeur, qui peut durer la vie du moteur. Cette chaîne peut être classique à rouleaux ou silencieuse type Morse ou "Hi-Vo" à denture interne (plus silencieuse mais à la longévité moindre).

Certains moteurs et notamment en automobile sont équipés de courroie(s) crantée(s), système plus léger et silencieux que ceux avec chaîne(s)  mais plus encombrant et à la durée de vie limitée nécessitant des remplacements préventifs.

Il existe également d'autres systèmes d'entraînement comme la cascade de pignon (très fiable mais bruyante et très coûteuse, donc plutôt réservée à la compétition), l'arbre avec couple conique (coûteux donc peu utilisé aujourd'hui si on excepte la Kawasaki W800), ou encore l'entraînement à biellettes et excentriques utilisé par NSU dans les années 50.

Pour avoir des pignons d'entraînement d'arbres à cames de plus faible diamètre et donc une culasse plus compacte, on peut avoir un entraînement mixte, par exemple par chaîne pour un des arbres à cames lui même couplé au deuxième arbre par pignon (Aprilia RSV4), ou avec 2 chaînes avec pignon intermédiaire (Kawasaki KLX 650).

Entraînement simple ACT par chaîne à rouleaux (HONDA 750 Four 1969)

Entraînement double ACT par chaîne morse double (Yamaha 500 XS 1976)

Entraînement simple ACT par courroies crantées (DUCATI V2 2 soupapes)

Entraînement double ACT par cascade de pignons (V4 HONDA VFR 1ère génération des années 80)

Entraînement simple ACT par cascade de pignons

(monocylindre 125 JONGHI de 1951)

Entraînement simple ACT par arbre et couple conique

(KAWASAKI W 650 de 1999, et W 800 à partir de 2011)

Entraînement simple ACT par arbre et couple conique

(DUCATI V2 et mono des années 60/70)

Entraînement double ACT par arbre à couple conique et cascade de pignons,

(monocylindre Norton Manx de course des années 50) 

Entraînement double ACT par 2 arbres à couple conique,

chacun des arbres entraînant individuellement un ACT

(bicylindre double arbre 500 NSU à compresseur du record de vitesse de 1951 à 290 km/h)

Entraînement double ACT par  2 arbres à couple conique,

le premier entraînant l'ACT d'échappement depuis le vilebrequin, et le deuxième reliant les 2 ACT

(monocylindre double arbre 250 CZ de course des années 50)

Entraînement simple ACT par biellettes et excentriques (NSU 250 Max de 1952)

OUVERTURE ET FERMETURE DES SOUPAPES

Les soupapes sont entraînées par l'arbre à cames en rotation par l'intermédiaire de :

• • poussoirs, avec réglage de jeu par pastilles d'épaisseur ou rattrapage de jeu hydraulique
  • différents systèmes à leviers mécaniques, avec réglage du jeu par système vis/écrou, excentriques, ou plus rarement avec rattrapage de jeu hydraulique :

• • • tiges et culbuteurs (uniquement si arbre à cames latéral)
    • basculeurs (identiques aux culbuteurs, mais généralement associés à un arbre à cames en tête et pouvant actionner plusieurs soupapes)
    • linguets (avec axe de rotation en extrémité et contact direct ou par rouleaux, associés à un double arbre à cames en tête, permet de dissocier levées de soupapes et profil de cames par rapport aux poussoirs)

Le rappel (fermeture) des soupapes d'admission et d'échappement  est assuré généralement par des ressorts hélicoïdaux, et plus rarement par d'autres types de ressorts ou par un système desmodromique ou pneumatique.

Avec des soupapes rappelées par ressorts, les dispositifs d'ouverture par basculeurs ou culbuteurs, surtout si actionnés par tiges, présentent une inertie incompatible avec les très hauts régimes, d'où l'utilisation de commandes plus directes par poussoirs ou linguets qui nécessitent un arbre à cames au dessus de chaque rangée de soupapes, voire seulement sur les soupapes d'admission (plus grosses) avec un simple arbre qui commande également les soupapes d'échappement par basculeurs ou culbuteurs, ce système de commande mixte ayant été utilisé pour la première fois en automobile sur la Triumph Dolomite Sprint de 1973 (premier 4 cylindres 16 soupapes de série), puis sur le V6 Alfa Roméo "Busso" de 1979, et en moto par Honda avec le système Unicam.

>> voir article Simple arbre à cames en tête

Le rappel desmodromique des soupapes, présent sur les 8 cylindres Mercedes Benz de course dans les années 50, est utilisé en moto uniquement par Ducati depuis les années 70 avec 1, 2, ou 3 ACT. Il consiste à fermer la soupape mécaniquement, ce qui permet des régimes très élévés sans risque d'affolement et autorise des profils de cames très agressifs. L'inconvénient est une plus grande complexité mécanique, la nécessité de maîtriser la dilatation des matériaux avec  un réglage de jeu très précis et assez fréquent.

Le rappel pneumatique, utilisé d'abord en Formule 1 puis en moto GP, permet par une pression d'air de garder le contact entre la soupape et la came à des régimes dépassant les 20 000 tr/min.

Le système MultiAir de Fiat permet des levées et durées variables d’ouverture de l’admission pour chaque cylindre et une suppression du papillon des gaz grâce avec un arbre à cames en tête unique qui commande à la fois par poussoirs les soupapes d’échappement et par basculeurs un dispositif électro-hydraulique actionnant les soupapes d’admission.

Commande directe des soupapes par poussoirs avec réglage du jeu par pastilles calibrées

nécessitant la dépose des arbres à cames, et rappel par ressorts hélicoïdaux,

avec double ACT 2 soupapes entraîné par chaîne sur  motos japonaises

à 4 cylindres des années 70 à 80 (SUZUKI GS 750 de 1977) 

Commande des soupapes par tiges de culbuteur avec poussoirs hydrauliques

(V-twin HARLEY-DAVIDSON 1200 Panhead 1948, idem pour séries plus récentes)

Commande des soupapes par poussoirs hydrauliques

(moteur à double ACT)

 Commande des soupapes par basculateurs avec réglage du jeu par système vis-écrou

et rappel par ressorts hélicoïdaux avec simple ACT 3 soupapes entraîné par chaîne morse

(HONDA 250/400 N des années 80)

Commande des soupapes par tiges et culbuteurs avec réglage du jeu par système vis-écrou

et rappel par ressorts hélicoïdaux avec moteur culbuté 2 soupapes classique

(bicylindre TRIUMPH 500/650 des années 50/60) 

Distribution originale du V16 à 45° de l'AUTO UNION type B-C de 1935-1936 avec simple arbre à

cames pour 4 rangées de soupapes avec commande par tiges de culbuteurs uniquement pour

les 2 rangées externes

Commande originale des soupapes par tiges travaillant en traction

(monocylindre DUCATI 50 Cucciolo de 1946 avec came unique)

    Commande desmodromique des soupapes MERCEDES BENZ

(8 cylindres en ligne double arbre de course Mercedes Benz 1955)

Commande desmodromique des soupapes "DESMO" DUCATI

sur simple ACT 2 soupapes avec ouverture et fermeture des soupapes par basculeurs  

Commande desmodromique des soupapes "Desmoquattro" DUCATI

sur double ACT 4 soupapes avec ouverture des soupapes par linguets et rappel par basculeurs

Commande desmodromique des soupapes "DESMO" DUCATI à 3 ACT 2 soupapes

utilisée sur  les monos 125 et bicylindres de  course de 1958

avec ouverture des soupapes par linguets et rappel par basculeurs

Commande des soupapes par linguets et rappel par barres de torsion

avec double ACT 2 soupapes  (HONDA CB 450 de 1965)

réglage du jeu par excentriques sur axe des linguets

 Rappel  des soupapes par ressorts externes en épingle

(monocylindre culbuté 500 FN 86 de 1937 à double échappement)

DISTRIBUTION VARIABLE

Le diagramme de distribution précise les temps d'ouverture  des soupapes d'admission et d'échappement en fonction de la position angulaire sur 2 tours de vilebrequin.

Pour optimiser le remplissage du moteur en tenant compte de l'inertie des gaz, les durées d'ouverture des soupapes sont supérieures à celles correspondant aux points morts hauts et bas, avec un angle de croisement (ouverture simultanée) des soupapes d'admission et d'échappement entre AOA et RFE, ces 2 valeurs étant pour un moteur atmosphérique souvent proches voire identiques et inférieures aux valeurs de RFA et AOE également proches ou identiques, ce qui donne un diagramme symétrique.

Certains moteurs ont toutefois des valeurs de calage atypiques pouvant dépendre du taux de compression ou de l’avance à l’allumage, avec l’une des valeurs AOA ou RFE proche de 0° ou négative, avec un croisement réduit ou nul (4 cylindres PSA 2 soupapes types XU7 ou TU9) ou avec un RFA très important (jusqu’à 90° sur Opel Kadett D des années 80) mais avec une précision des valeurs d’avance et de retard données par le diagramme qui dépend de la prise en compte ou non des jeux de fonctionnement.

L’écart entre le sommet des cames d’admission est d’échappement doit être généralement proche de 105° (210° de rotation du vilebrequin) sur un moteur performant.

Sur un moteur turbo la contre pression importante à haut régime nécessite d’anticiper la phase d’échappement, avec un croisement réduit.

Sur les V2 Ducati Testastretta 11°, la valeur de croisement des soupapes a été réduite à 11° au lieu d'environ 40° sur les anciens moteurs, d'où l'appellation "11°".

Pour plus d’infos, voir les documents ETAI « La préparation des moteurs » édition auto ou moto.

La distribution variable permet d'optimiser le couple et le rendement du moteur en fonction du régime et le cas échéant de la charge, en modifiant à partir d'un certain régime ou en continu le diagramme de distribution et/ou en agissant sur la levée des soupapes avec les systèmes ci-après :

• déphaseur d'arbres à cames modifiant en continu les points d'ouverture/fermeture des soupapes
• arbres avec 2 profils de cames différents modifiant la levée, le point et la durée d'ouverture des soupapes, souvent couplés avec un déphaseur d'arbre à cames
• système avec 2 des 4 soupapes restant fermées à bas régime (HONDA CBR 400 VTEC de 1983)
• système Valvetronic BMW (autos) avec levée des soupapes variable en continu couplée aux déphaseurs d'arbres à cames Vanos
• système Multi Air FIAT à commande électro-hydraulique des soupapes  d'admission avec modification en continu de la levée, du point et de la durée d'ouverture pour chaque cylindre

Exemples de distributions variables en moto :

Distributions à déphaseurs d'arbres à cames type VVT (Variable Valve Timing) :

• VVT Kawasaki (1400 GTR de 2010)
• DVT (Desmodromic Valve Timing) Ducati (V2 Testastretta 1200 de 2015 et 1260)
• SR VVT Suzuki (GSX R 1000 depuis 2016)
• VVT Harley Davidson (1250 Révolution max de 2021)

Distributions à plusieurs profils de cames :

• VTEC Honda (VFR 800 de 2002)
• Shiftcam BMW (boxer 1250 et 4 cylindres S 1000 RR 2019)
• VVA Yamaha (125 YZF-R 2019 et MT 2020)

Système MultiAir FIAT avec simple arbre à cames et commande des soupapes d'échappement par poussoirs et des soupapes d'admission par basculeur à rouleau actionnant un système électro-hydraulique permettant des levées et durées d'ouverture variables par cylindre et la suppression du papillon des gaz.