La distribution

Définition

Ce sont les différents systèmes permettant la régulation des échanges gazeux c’est à dire les étapes d’admission et d’échappement. Dans un moteur 2 temps, cette fonction est assurée par le piston. Sur un moteur quatre temps, la distribution se fait au niveau de la culasse par les soupapes et tous les systèmes qui permettent leurs ouvertures et fermetures. Avant d’exposer la plupart de ces différents systèmes, nous allons d’abord préciser certains termes qui vont nous permettre de définir le diagramme de distribution qu’on trouve dans certaine critique moto mais qu’on ne comprend pas nécessairement.

Le diagramme de distribution

Définissons d’abord les points caractéristiques du parcours d’un piston. C’est simple, ce sont le point le plus haut qu’il peut atteindre qu’on appelle point mort haut (PMH) et inversement le point le plus bas qu’on appelle point mort bas (PMB). Enfin, on appelle la course, la longueur du parcours entre le PMH et le PMB. L’alésage est le diamètre du cylindre. Ces données et le volume de la chambre de combustion permettent de calculer le taux de compression ou rapport volumétrique.

Point mort haut et point mort bas

Recommençons par l’étape 1 : L’admission, la soupape d’admission est ouverte et la soupape d’échappement est fermée. Cependant, l’arrivée d’un gaz dans le cylindre et l’ouverture de la soupape d’admission ne sont pas instantanée donc il faut commencer à ouvrir la soupape d’admission un peu avant l’arrivée au PMH, c’est ce qu’on appelle l’avance d’ouverture d’admission (AOA). La soupape d’admission reste ouverte un peu plus tard après le PMH, c’est le retard à la fermeture d’admission(RFA). Ce retard est dû au fait que l’ouverture de la soupape d’admission doit être maximum à l’arrivée en PMB et comme la fermeture de la soupape n’est pas instantanée, la lumière d’admission reste ouverte un peu après le PMB.

Les deux étapes suivantes (compression et détente) ne font pas parties de la distribution car les deux soupapes sont fermées.

On arrive donc à l’étape 4 : l’échappement. Comme l’ouverture de la soupape d’échappement n’est pas instantanée, il faut ouvrir la soupape un peu avant le PMB afin d’avoir une section maximum pour l’échappement au moment de la remonté du piston. C’est l’avance à l’ouverture d’échappement (AOE). Il en va de même lors de la fermeture de la soupape d’échappement. Ainsi donc il y a un retard de fermeture d’échappement (RFE) par rapport au PMH.

Ainsi, on voit qu’entre le AOA et le RFE, la soupape d’admission et d’échappement sont ouvertes en même temps, c’est le croisement. Le croisement a une fonction importante. En effet, le mélange frais air/essence venant de l’admission va aider à l’évacuation des gaz brulés. C’est le système de balayage que nous avons déjà décrit dans les moteurs 2 temps.

Représentons un cercle qui représente le parcours du vilebrequin, et plaçons le PMH, le PMB, l’AOA, le RFA, l’AOE, et le RFE, on peut voir que AOA et le RFE font un angle bien défini avec le PMH alors que le AOE et le RFA font un angle fixe avec le PMB. Toutes ces valeurs vont composer le diagramme de distribution.

Vous vous demandez peut être à quoi ca sert tout ça, c’est déjà un premier pas vers l’estimation d’un caractère moteur. En effet, plus le croisement est élevé ainsi que le RFE, plus la moto risque d’avoir un moteur « pointu » (qui est fait pour fonctionner parfaitement à haut régime) comme le sont souvent les « sportives ».

Cycle de distribution d'un moteur 4 temps

Le système de contrôle des soupapes

Au vue de la complexité d’un diagramme de distribution, il faut que les soupapes d’admission et d’échappement soient parfaitement synchronisées pour que le cycle s’exécute dans de bonnes conditions.
Depuis l’invention du moteur 4 temps, vous imaginez combien de système contrôlant l’abaissement et le retour à la position fermée des soupapes ont pu être inventé devenant de plus en plus compliqué avec l’augmentation du nombre de soupapes par cylindre. Nous ne parlerons que de la commande par arbre à came en tête (ACT) qui est maintenant la plus répandue et de loin.

  • La came est l’objet qui permet la commande d’une ou de plusieurs soupapes. Son profil est calculé très précisément afin de :
  • fixer la hauteur de la levée de soupape
  • amortir le choc entre la came et le poussoir dû au jeu initial
  • reposer doucement la soupape dans son siège lors de la fermeture par ressort.
Basculateur

La came peut commander la soupape directement avec un poussoir,  mais elle peut également utiliser des basculeurs tels que des lingets ou des culbuteurs.

Soupape fermée
Soupape en train de s'ouvrir
Soupape ouverte

Les soupapes peuvent être commandées par un simple arbre à cames en tête. Cela signifie que l’arbre à came s’est placé au dessus de la culasse et qu’il actionne les soupapes d’admission et d’échappement par l’intermédiaire de culbuteur. Ceci a été popularisé par Honda avec son légendaire CB750 en 1969. Il existe aussi le système de double arbre à cames en tête, où dans ce cas, il y a deux arbres à came, l’un commande les soupapes d’admission et l’autre les soupapes d’échappement. Ici les soupapes peuvent être actionnées par tous les systèmes possibles, poussoirs ou basculeurs.

Cycle d'une came

Moteur 2 arbres à cames

2 arbres à cames en tête

Entrainement des arbres de distribution

Comment tourne l’arbre à cames ?

Ce sont les vilebrequins qui en tournant transmettent leur position aux arbres à cames. Il faut bien comprendre que les vilebrequins sont dépendants les uns des autres : l’un ne peut pas tourner sans l’autre car ils sont reliés entre eux. Ceci est souvent appelé l’arbre moteur.

Arbre à cames en tête

Arbres à cames en tête

Cette commande se fait le plus souvent par chaine comme présenté sur la photo ci dessous. C’est ce qu’on appelle la chaine de distribution qui a fait rappeler bien des motos.

On trouve également la commande par courroie crantée mais c’est très rare en moto.

Enfin on trouve la commande par pignon qui est très résistant mais cher à mettre en place. Cette commande est encore utilisée aujourd’hui pour le Honda VFR.

Chaine de distribution

La chaine de distribution

Nombre de soupapes par cylindre

Bien sur l’augmentation du nombre de soupapes, vous vous en doutez, favorise le rendement de distribution. Mais ceci n’est pas la seule raison.

Commençons simplement par le nombre de soupapes le plus répandu dans les années 80 en moto, c’est à dire 2 soupapes par cylindre. Les culasses de ces motos ont une chambre de combustion hémisphérique pour favoriser le flux des gaz, un angle entre la soupape d’admission et d’échappement très élevé (proche de 90°) et enfin un taux de compression élevé. Cependant, malgré tous ces efforts pour favoriser la distribution, il est devenu difficile d’accroitre les performances du moteur. Pour cela il y avait une solution : augmenter le diamètre des soupapes mais cela est devenu vite impossible dû à l’encombrement… les soupapes auraient fini par se toucher…

Par ailleurs, l’utilisation du double arbre à cames en tête devenait difficile. En effet, imaginez la distance des arbres à cames pour commander des soupapes, donc l’encombrement moteur était important et surtout l’entrainement des 2 arbres à cames était difficile. Il a donc été utilisé des cascades de pignons, mais cela rendait la distribution très bruyante et les contraintes dues à l’échauffement étaient difficiles à gérer. En revanche, cette disposition à deux soupapes est mécaniquement simple et on peut facilement placer d’une part les vis de fixation de la culasse et d’autre part la bougie.

Moteur à 2 soupapes par cylindre

Ne pensez pas que cette architecture n’existe plus, on la trouve encore sur la Honda Goldwing 1200.

Au vue de la limitation des performances des 2 soupapes et la difficulté à adapter le double arbre à came en tête, le nombre de soupapes par cylindre a doublé pour arriver à 4 soupapes par cylindre. Les études ont en effet montré que la disposition de 4 petites soupapes à angle fermé offre un meilleur rendement que 2 grosses soupapes.

4 soupapes par cylindre/piston

Mais attention, cette architecture n’a pas été inventée dans ces années. Elle était déjà largement utilisée en automobiles avant la première guerre mondiale…

es angles entre les soupapes d’admission et d’échappement varient entre 35 et 50°. Cette technologie est aujourd’hui la plus utilisée dans le monde de la moto. En effet, la disposition du double arbre à cames en tête ne pose aucun problème mais il existe une proximité entre le ou les arbres à cames et les fixations de la culasse.

Au milieu des années 80, Yamaha invente une culasse à 5 soupapes sur le FZ 750 Genesis, encore utilisée aujourd’hui sur les sportives de la gamme. Ainsi, ce moteur comptant 3 soupapes d’admission et 2 soupapes d’échappement permet un meilleur remplissage de la chambre de combustion. La difficulté rencontrée est le logement des 5 soupapes. Les trois soupapes d’admission ont été placées sur des plans différents mais de façon à converger vers l’arbre à cames évitant le montage de culbuteurs. Cette architecture mécanique provoque une difficulté d’accessibilité mécanique.

5 soupapes par cylindre

Pour en finir, il existe également, inventée par Honda sur sa NR 750, une culasse à 8 soupapes. L’angle entre les soupapes est seulement de 29° favorisant l’admission. Mais dans ce cas, le cylindre est ovale et il y a 2 bougies par cylindre.