Arbre à cames & distribution

1 Il existe beaucoup de systèmes de distribution différents, et autant d'arbres à cames. Du plus simple au plus sophistiqué, il existe des blocs-moteurs à 2 soupapes par cylindre (1 admission /1 échappement) sur la 106 XSI, la 205 GTI, la GT Turbo, puis à 3 soupapes par cylindre (2 admission /1 échappement) sur la Mitsubishi Colt 1,3 et 1,5 l, puis à 4 soupapes, sur les, 306 S16, Civic, Clio 16S, Golf GTI 16S, même des moteurs à 5 soupapes par cylindre (Ferrari F355, Maserati, Audi A4 1,8 l). Par ailleurs, on distingue également les moteurs à un arbre à cames (Civic Vtec, Mitsubishi, 106...) et ceux à deux arbres à cames (306 GTI, Clio16S, Golf GTI 16S); les moteurs culbutés, c'est-à-dire à soupapes latérales (Renault Twingo), et ceux à arbre(s) à cames en tète ou ACT (la majorité des moteurs actuels).

2 Voici un arbre à cames d'amission (moteur 16 soupapes), sur lequel on distingue les cames et les portées. Sur un moteur à un seul arbre à cames et deux soupapes par cylindre, il y aura deux fois plus de cames que de cylindres. Sur un moteur à deux arbres à cames et quatre soupapes par cylindre (16 soupapes) il y aura quatre fois plus de cames que de cylindres. Cet arbre à cames possède 8 cames, il équipe donc un moteur 4 cylindres. Certains arbres à cames possèdent en bout d'arbre, un pignon d'entraînement taillé directement dans la masse, et parfois un second pour l'entraînement de la pompe à essence.
3 Sur les moteurs à arbre(s) à cames en tête, l'arbre à cames s'installe par le dessus, et les portées sont maintenues par des paliers en deux parties. C'est le cas de la plupart des moteurs occidentaux. Un grand nombre de moteurs américains sont encore à arbre à cames central et renvoi par poussoir et basculeur. Dans ce cas, l'arbre à cames se monte latéralement, et le diamètre des portées est supérieur au diamètre équivalent des cames.
4 L'arbre à cames est entraîné par le vilebrequin, généralement au moyen d'une chaîne. Mais il existe également des distributions par pignonnerie (plus précis, inusable, mais coûteux) ou par courroie (silencieux, difficile à régler, problématique à haut régime). Dans tous les cas, l'arbre à cames effectue un tour complet pour un demi-tour de vilebrequin. Il faut deux rotations d'arbre à cames, et donc une rotation de vilebrequin, pour compléter un cycle moteur. Il est primordial que l'arbre à cames soit parfaitement "accordé" au vilebrequin, afin de commander l'ouverture des soupapes au bon moment. La relation entre l'ouverture des soupapes et l'angle de vilebrequin est appelé loi de levée ou diagramme de levée des soupapes. Les pignons sont généralement marqués en un point précis afin qu'à l'installation ils soient placés à la dent près l'un par rapport à l'autre. Un décalage de ces marques entraînera une avance ou un retard dans la loi de levée.
5 Pour transmettre l'effort de poussée engendré par la rotation de la came au profil excentré sur la soupape, on place un poussoir entre deux éléments. La fonction de cet ment est d'une part d'assurer en permanence la liaison par son intermédiaire entre la soupape et sa came, d'autre part de rattraper le jeu provoqué par l'usure due au frottement avec la came. La plupart des poussoirs actuels sont chromés, mais d'autres à pastille céramique (inusable) font leur apparition. Il existe différents types de poussoirs, dont le poussoir hydraulique et le poussoir à compensateur de jeu mécanique (plus efficace à haut régime).

6 Dans le cas d'un arbre à cames en tète (ACT), la came n'attaque pas toujours directement la soupape. Elle transmet son effort de poussée par l'intermédiaire d'une pièce basculante, qui permet d'utiliser l'effet de bras de levier. Suivant les configurations, on parlera de culbuteur ou de linguet. Dans le cas d'un arbre à cames latéral, une pièce supplémentaire, la tige, est intercalée entre le culbuteur et le poussoir. Cette solution technique permet de déplacer l'encombrement de la distribution sur le côté ou vers le bas (moteur moins haut), mais augmente les pertes mécaniques et les frottements.
7 Parmi les composants présents dans la "tête du moteur", ou culasse, l'un des plus importants est la soupape. Cette photo montre une soupape d'admission avec la terminologie qui s'y réfère. Le dessin de la soupape intervient de façon très importante dans le comportement du flux de gaz lorsqu'il pénètre dans la chambre de combustion (admission) et lorsqu'il en sort (échappement). La soupape doit également être parfaitement ajustée par rapport à son siège (c'est-à-dire la pièce emmanchée dans l'alésage pratiqué dans la chambre de combustion à cet effet), afin d'assurer une étanchéité optimale lorsqu'elle se ferme. Enfin, la soupape doit être capable de supporter des températures élevées car elle est en contact avec les gaz brûlants pendant la phase de détente dans la chambre de combustion, notamment la soupape d'échappement, qui ne bénéficie pas du refroidissement procuré par l'arrivée des gaz frais. Ainsi, on rencontre souvent des soupapes d'échappement chargées de sodium liquide, excellent dissipateur de chaleur.

8 Voici une culasse et l'ensemble des pièces qui composent la distribution. À l'intérieur de la culasse, dans le haut des chambres de combustion de chaque cylindre, avec les logements dans lesquels sont placées les soupapes. Les ressorts servent à maintenir en permanence en contact l'ensemble tête de soupape/poussoir/came, car tout jeu entre ces pièces entraînerait un décalage dans l'ouverture ou la fermeture de la soupape, et donc un décalage entre le fonctionnement effectif de la soupape et celui prévu par le profil de la came. Sur la plupart des moteurs à haut rendement (qui fonctionnent à haut régime), on place deux ressorts imbriqués par soupape, afin d'obtenir une raideur plus élevée, c'est-à-dire un rappel de soupape plus rapide.
9 Pour faciliter les explications, on considère parfois que les soupapes s'ouvrent et se ferment exactement lorsque le piston se trouve au PMH ou au PMB (Point Mort Haut et Point Mort Bas). En fait, elles s'ouvrent avant et se ferment un peu après. Commençons par étudier le fonctionnement de la soupape d'échappement. Lorsque le piston commence sa descente vers le PMB après la phase de détente. la soupape d'échappement s'ouvre un peu avant que le piston n'atteigne le PMB, afin de permettre à la pression résiduelle régnant dans le cylindre de s'évacuer. Ensuite, le piston remonte vers le PMH, chassant les gaz brûlés. Mais la soupape d'admission s'ouvre alors avant que le piston atteigne le PMH, et avant que la soupape d'échappement se soit refermée. Cela permet de profiter du courant d'air créé par l'évacuation des gaz brûlés, pour provoquer un " appel " de mélange air/essence. Pour compliquer le tout, la soupape d'admission se referme en fait après que le piston ait dépassé le PMB et ait commencé à remonter, afin de profiter d'un effet d'inertie de la colonne de gaz frais.

Les diagrammes ci-contre montrent de façon différente le fonctionnement des soupapes d'admission et d'échappement l'une par rapport à l'autre, en fonction de l'angle du vilebrequin