Les moteurs à combustion interne à quatre temps doivent être équipés de collecteurs pour permettre le changement de charge des cylindres. En d'autres termes, il faut s'assurer que les gaz d'échappement quittent la chambre de combustion à temps et ne se mélangent pas au mélange air frais/carburant, car cela réduirait le rendement de la combustion.
Aux débuts de l'automobile, les moteurs à combustion interne n'avaient qu'une soupape d'échappement à commande mécanique, car la soupape d'admission fonctionnait par dépression. Le déplacement du piston vers l'orifice inférieur provoque une dépression dans le cylindre, ce qui ouvre la soupape d'admission, et la chute de la dépression provoque la fermeture de la soupape par un ressort. Cependant, cette méthode d'actionnement de la valve n'est pas pratique.
Elle est liée au principe de fonctionnement du moteur à combustion interne à quatre temps. Il y a quatre phases dans un cycle et dans chacune d'elles, le vilebrequin tourne d'un demi-tour, ce qui signifie que le vilebrequin et les commandes de soupapes doivent être reliés dans un rapport de deux à un. L'arbre à cames commande les soupapes, il a la moitié de la vitesse du vilebrequin. Le mécanisme de synchronisation idéal est rigide et léger pour obtenir une faible inertie et une vitesse élevée.
L'actionnement des soupapes a une grande incidence sur le rendement des moteurs, car toute l'énergie supplémentaire dépensée est gaspillée. Par exemple, les ressorts de retour des soupapes posent problème, la force du ressort doit être ajustée de manière optimale. Si la soupape est posée à une vitesse trop élevée, la plaque de soupape pourrait tomber, ce qui endommagerait le moteur. C'est pourquoi on utilise parfois deux ressorts dont les enroulements sont opposés afin qu'ils ne puissent pas se coincer l'un dans l'autre.
Les ressorts sont résolus sur les moteurs Ducati en forçant les soupapes à se fermer, c'est ce qu'on appelle le contrôle desmorodique, où il y a deux cames par soupape - l'une ferme et l'autre ouvre. Le problème de ce système est la difficulté d'ajustement. La principale différence entre les types de calage est l'emplacement de l'arbre à cames.
● SV (valve latérale).
● N'étant plus utilisé aujourd'hui, il est rigide et léger, mais la chambre de combustion y est défavorablement adaptée.
● Utilisé dans le célèbre modèle T de Ford et, aujourd'hui, parfois dans les petits moteurs des équipements de jardinage et des outils à main.
● L'arbre à cames et le vilebrequin sont très proches l'un de l'autre.
● La soupape repose sur la came et est parallèle à l'axe du cylindre.
OHV (overhead valve)
● L'arbre à cames se trouve dans le carter, à proximité du vilebrequin.
● Les culbuteurs et les tiges de levage assurent la transmission de la puissance aux soupapes.
● La rigidité était un problème, elle ne convient pas aux moteurs à couple élevé.
● Plus sur les motos - Harley Davidson, Yuki.
● Dans les voitures, par exemple les moteurs LS pour les Corvettes.
OHC (arbre à cames en tête)
● L'arbre à cames se trouve dans la culasse et agit soit sur le culbuteur, soit directement sur la soupape.
● L'arbre à cames en tête est une variante de l'arbre à cames en tête, un seul arbre à cames est utilisé pour les soupapes d'admission et d'échappement.
● Le double arbre à cames en tête (DACT), qui comporte deux arbres à cames dans la culasse, est préférable pour les moteurs à grande vitesse car il s'agit d'une solution très solide, et il est possible de régler le moteur en modifiant le calage des soupapes d'admission et d'échappement.
Une autre distinction est faite entre la manière dont la puissance est transférée du vilebrequin à l'arbre à cames :
● Arbre séparé.
● Ce que l'on appelle l'arbre principal est doté d'engrenages coniques et va du vilebrequin le long du cylindre jusqu'à la culasse, où se trouve l'arbre à cames.
● Le vilebrequin est l'arbre où le vilebrequin est relié à la poupée fixe.
● Chaîne.
● Le vilebrequin et l'arbre à cames sont parallèles et comportent des roues dentées, pour une transmission par chaîne.
● La chaîne s'étire avec le temps en raison d'une mauvaise conception, il faut donc utiliser un tendeur, et la chaîne doit être lubrifiée.
● Ce modèle est le plus courant sur les motos, mais il existe aussi sur les voitures.
● Ceinture.
● Au lieu d'une chaîne, on utilise une courroie à haute résistance, qui est munie de dents afin qu'elle ne glisse pas et n'affecte pas le changement de calage.
● La courroie, contrairement à la chaîne, n'est pas lubrifiée (il y a des exceptions) et doit être conservée dans un environnement sec et propre.
● Moins fréquent sur les motos (Ducati, Gilera), fréquent sur les voitures.
● Doit être changé après 100-150 mille km.
Engrenages:
● Va du vilebrequin à la culasse.
● Haute fiabilité, le problème est la complexité et la taille de la solution.
● Cette solution est très rare pour les motos (par exemple, la Honda VFR).
La tension des chaînes et courroies de distribution est résolue par des poulies et doit être entretenue selon les intervalles prévus par le fabricant. Sur les moteurs les plus anciens, les tendeurs étaient manuels, il s'agissait d'un axe poussé par un ressort contre le guide-chaîne. Les tendeurs doivent être entretenus régulièrement. Une solution plus moderne consiste à utiliser des tendeurs hydrauliques, qui n'ont pas besoin d'être réglés. Le tendeur est toujours situé du côté le plus léger de la chaîne.
Les vannes sont de forme circulaire et un nombre différent de vannes peut être utilisé pour augmenter le débit. Selon les besoins de la conception du moteur. En général, plus le moteur est ancien, moins il a de soupapes. Pour les moteurs atmosphériques quatre cylindres à essence, 16 soupapes sont désormais de série. Dans les années 1990, il s'agissait plutôt de 8 soupapes. L'utilisation d'un plus grand nombre de soupapes permet un meilleur échange du mélange dans le cylindre, mais le problème est une conception plus compliquée qui, si elle permet d'économiser du carburant et d'offrir une meilleure dynamique de conduite à des régimes plus élevés, peut ne pas être aussi fiable (cf. l'évolution générationnelle du 1.4 8v au 1.2 16v).
Avec le remplissage atmosphérique, il n'est pas possible de remplir le cylindre à 100%, on utilise donc un turbocompresseur ou un compresseur mécanique. Ce sujet a déjà été abordé dans cet article. /lien vers l'article sur le turbo/
Sur les motos, on trouve le plus souvent deux soupapes d'admission (Yamaha 3). L'emplacement de la bougie d'allumage est également important, un cylindre à 4 soupapes a une meilleure position pour la bougie d'allumage qu'un cylindre à 2 soupapes. Le calage de l'admission est très court, il se compte en millisecondes et diminue avec l'augmentation du régime.
Les meilleurs moteurs atmosphériques sont capables de remplir le cylindre à 90%, tandis que les moteurs suralimentés peuvent faire 160%. Les soupapes d'échappement sont plus sollicitées thermiquement que les soupapes d'admission, il est donc judicieux de penser à leur connexion à la culasse pour éviter que les soupapes ne brûlent.
Timing des collecteurs
Le mélange a sa propre inertie, il n'est donc pas pratique d'ouvrir la soupape d'admission exactement à l'orifice supérieur et de la fermer à l'orifice inférieur. Le vilebrequin est constamment relié à l'arbre à cames. Le temps d'ouverture et la taille de l'ouverture influent sur le comportement du moteur (couple). L'idéal serait d'ouvrir complètement la vanne le plus rapidement possible, de la laisser ouverte pendant exactement le temps nécessaire, et de refermer la vanne le plus rapidement possible.
Cependant, cela n'est pas possible car les soupapes (et l'ensemble du collecteur pèse quelque chose) et en raison des forces importantes et de l'inertie, les soupapes peuvent ne pas se fermer hermétiquement, elles peuvent rebondir. Une forme de came appropriée empêchera les soupapes de rebondir à grande vitesse.
Honda est devenu célèbre pour ses moteurs équipés du système VTEC (Variable Valve Timing & Lift Electronic Control), car il est avantageux de faire varier l'angle d'ouverture des soupapes ainsi que leur levée en fonction du régime moteur. Il est parfois possible de trouver une solution dans laquelle seules deux soupapes sont utilisées à bas régime et lorsque le moteur atteint un certain régime, les autres soupapes sont ajoutées. Honda résout ce problème de fixation de la valve en utilisant de l'huile haute pression. Le calage variable des soupapes est plus un truc de voiture qu'un truc de moto.
Robuste signifie que, contrairement à un turbo, il ne tombe pas en panne aussi souvent, plus simple dans la mesure où il comporte beaucoup moins de pièces susceptibles de tomber en panne et complexe parce qu'il s'agit d'une solution élégante et exceptionnelle.
VTEC Caractéristiques :
● Solution simple et fiable, il modifie la position et la levée des soupapes en fonction du régime moteur, ce qui permet d'obtenir plus de puissance à haut régime et moins de consommation à bas régime.
● La distribution variable des concurrents ne modifie que les temps d'ouverture et de fermeture des soupapes.
● Le VTEC peut également faire varier l'action de l'arbre à cames (généralement deux modes en fonction du régime, parfois trois).
● Le moteur VTEC optimise l'action de l'arbre à cames pour les basses et hautes vitesses en utilisant la pression d'huile.
● Deux profils de came sur un arbre de commande d'admission.
● Les cames contrôlent également les culbuteurs, l'huile de talc permet aux culbuteurs d'être engagés par les axes de connexion.
● La solution de Honda était en avance sur son temps en termes de performances. Il était robuste, mais avec beaucoup moins de composants que ce dont les moteurs turbo ont besoin. Pourtant, ils étaient plus complexes que les moteurs des concurrents. À titre de comparaison, les moteurs B18C de la Honda Integra 1995 comportaient un quatre cylindres 1.8 d'une puissance de 147 kW. En revanche, la BMW Série 3 avec VANOS avait un moteur 6 cylindres de 2,5 litres avec 141 kW. Étonnamment, même les moteurs modernes 1,8 TSI turbocompressés de VW ne fournissent pas plus de puissance que la Honda.
● Honda a poursuivi le développement du système VTEC en produisant des moteurs SOHC VTEC (système à arbre à cames unique), DOHC VTEC (double arbre à cames), VTEC-E a des culbuteurs à rouleaux, i-VTEC est le système que Honda développe le plus aujourd'hui, basé sur DOHC VTEC, contrôlé par ordinateur, a des soupapes d'échappement à variation continue.
● Le turbo VTEC a changé le concept du système, ici le VTEC contrôle les soupapes d'échappement au lieu des soupapes d'admission.
● La Honda Accord est une voiture assez grande qui réussit à avoir une conduite sportive et relativement économe en carburant en même temps, avec une consommation de 8 litres aux 100 km grâce aux moteurs VTEC.
Distribution à programme variable
Les moteurs à distribution fixe ont des pertes plus importantes que les moteurs à distribution variable. Le calage variable conventionnel des soupapes est très différent du VTEC. Un certain nombre de solutions ont été inventées pour économiser du carburant. Si le calage des soupapes est invariable, il est difficile d'optimiser le changement de charge dans le cylindre. Le calage variable des soupapes permet au moteur de fonctionner selon un cycle d'Atkinson plus économique (temps d'expansion prolongé pour un meilleur rendement).
La distribution variable a été inventée par les Italiens Giovanni Torazza et Dante Giacosa dans les années 1960. Cependant, ce n'est qu'en 1986 qu'Alfa Romeo a introduit cette technologie dans la production en série que son système était incapable de modifier la levée des soupapes. Le BMW Vanos est arrivé sur le marché en 1992. Il s'agissait d'un système de distribution, une évolution du système Double VANOS qui, contrairement à son prédécesseur, permettait également de modifier la distribution du côté échappement du collecteur. Le Toyota VVT-i ne modifie que le calage et non la levée des soupapes. Toyota a tenté l'analogie avec le VTEC avec un seul moteur, un V8 VVTL-i. Toyota Valvematic offre une distribution et une levée de soupape variables sur les unités à essence. Elle a ajouté un mécanisme qui régule en permanence la levée des soupapes d'admission au système VVT-i (calage variable des soupapes) déjà utilisé. Il n'y a pas de soupape d'étranglement, Valvematic possède également une deuxième came qui fait varier la levée de la soupape.
Contrairement aux solutions conventionnelles, le Fiat MultiAir ne dispose pas d'une pédale d'accélérateur reliée par de la mousse à la pédale d'accélérateur. La résistance du papillon crée des pertes qui seraient dues à l'égalisation des pressions entre la pression du mélange brûlé et la pression atmosphérique à l'échappement. MultiAir est un système de contrôle actif de l'air frais entrant dans les cylindres, un système électro-hydraulique de commande des soupapes pour contrôler l'admission individuellement pour chaque cylindre et chaque course, sans papillon dans la technologie d'admission. Cette technologie convient aux moteurs à essence et diesel, turbocompressés et atmosphériques. L'essence de cette solution est l'inclusion d'un composant hydraulique (chambre haute pression remplie d'huile) entre la came et la soupape d'admission. Les cames n'agissent pas directement sur les poussoirs de soupapes mais par l'intermédiaire de pistons hydrauliques avec des soupapes de commande. Le profil de la course de la soupape d'admission peut être librement modifié en fonction du besoin de remplissage d'air du cylindre. Aujourd'hui, pratiquement tous les constructeurs automobiles proposent un moteur à calage variable des soupapes. Porsche a son système Vario Cam, Nissan VVL, Mitsubishi MIVEC, Mazda S-VT, Ford VCT, Citroën VTS et VTi...
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26.09.2022 
12 min 
Thibault 
