Thèmes:
- Général
- Arbre à cames en tête
- Arbre à cames sous-jacent
- Arbres à cames rapides
- Chevauchement des vannes
- Calage variable des soupapes et levée de soupape
- Lubrification
Général:
L'arbre à cames est une partie importante du moteur. L'arbre à cames garantit que le soupapes sont ouverts et fermés permettant à l’air de circuler dans et hors du cylindre. L'arbre à cames tourne de telle sorte que la came ouvre la soupape contre la force du ressort de soupape. Le ressort de soupape garantit que la soupape ouverte est fermée lorsque la came continue de tourner.
L'arbre à cames est situé en haut ou en bas de la culasse, ou en bas du bloc moteur. L'arbre à cames est entraîné par la courroie de distribution, la chaîne ou les pignons. Pour en savoir plus, consultez le chapitre distribution.
Arbre à cames en tête :
L'arbre à cames en tête n'est utilisé que de nos jours. L'arbre à cames est ensuite placé dans la culasse. L’avantage des moteurs équipés d’un arbre à cames en tête est qu’ils peuvent gérer des régimes plus élevés que les moteurs équipés d’un arbre à cames sous-jacent.
Sur l'image de gauche, vous pouvez voir que la soupape est fermée parce que le ressort de soupape appuie sur la soupape pour la fermer et que l'arbre à cames tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Dans l'image de droite, l'arbre à cames est tordu, ce qui pousse la came vers le bas. Le ressort est maintenant comprimé, poussant la valve vers le bas. Lorsque l'arbre à cames a continué à tourner, le ressort de soupape pousse à nouveau la soupape vers le haut. Le ressort de soupape exerce une contre-pression d'environ 20 kg.
Les soupapes d'un moteur à quatre temps sont ouvertes par 1 ou 2 arbres à cames. Dans la version avec 1 arbre à cames, il actionne à la fois les soupapes d'admission et d'échappement.
Dans la version à 2 arbres à cames, un arbre à cames actionne la ou les soupapes d'admission et l'autre la ou les soupapes d'échappement. Les 2 arbres à cames peuvent être entraînés l'un après l'autre par la courroie de distribution, mais il existe aussi des systèmes dans lesquels un arbre à cames entraîne l'autre au moyen d'une courroie ou d'une chaîne séparée (voir les images ci-dessous)
Les images ci-dessous ne sont que des exemples de la construction de la courroie de distribution. Le principe est le même avec une chaîne de distribution.
L'image ci-dessus à gauche représente un moteur équipé d'un seul arbre à cames. Cela fait fonctionner à la fois les soupapes d’admission et d’échappement. Ceci s'applique généralement, par exemple, aux moteurs quatre cylindres à 8 ou 12 soupapes (c'est-à-dire avec 2 ou 3 soupapes par cylindre).
L'image du milieu représente un moteur à double arbre à cames, entraîné par deux courroies de distribution. Le pignon d'arbre à cames (1) est entraîné directement par le vilebrequin avec la grande courroie. À l’arrière de la poulie du rapport 1 se trouve un petit engrenage sur lequel passe la courroie arrière. Cette (petite) courroie arrière entraîne le pignon d'arbre à cames (2). La petite courroie nécessite un tendeur séparé. Ceci est généralement appliqué aux moteurs à quatre cylindres avec 16 soupapes ou plus. (donc 4 soupapes ou plus par cylindre)
L'image de droite est celle d'un moteur de moto avec deux arbres à cames. Les arbres à cames sont entraînés à la fois par une courroie et une chaîne. L'arbre à cames 1 est entraîné par la courroie de distribution, elle-même entraînée par le vilebrequin. L'arbre à cames 2 est entraîné par la chaîne qui est entraînée par l'arbre à cames 1. Cette chaîne est montée sous le couvercle de soupape avec un tendeur ou un mécanisme de réglage. Ceci s'applique généralement, par exemple, aux moteurs à quatre cylindres dotés de 16 soupapes ou plus. (quatre soupapes ou plus par cylindre)
Arbre à cames sous-jacent :
Autrefois, les moteurs étaient équipés d'un arbre à cames sous-jacent. De nos jours, les moteurs des voitures particulières ne sont équipés que d’un arbre à cames en tête. La construction avec l'arbre à cames sous-jacent disparaît. L'inconvénient de cette construction est que ces moteurs ne peuvent pas supporter des régimes élevés car il y a beaucoup de masse entre l'arbre à cames et la soupape. À des vitesses élevées, un jeu trop important se produira et la vanne ne s'ouvrira plus et ne se fermera plus aux bons moments.
Le vilebrequin entraîne au moyen de une petite chaîne ou courroie de distribution à l'arbre à cames sous-jacent (voir image ci-dessous). L'arbre à cames pousse le poussoir de soupape et la tige de poussée vers le haut. Le côté droit du culbuteur est relevé. Le culbuteur « bascule » autour de l’axe du culbuteur, poussant le côté gauche vers le bas. Cela force la valve vers le bas contre la force du ressort de valve. Lorsque l'arbre à cames continue de tourner, le ressort de soupape presse la soupape pour la fermer et le culbuteur revient à sa position de départ.
Arbres à cames rapides :
Si la came est plus ovale et plus longue, la vanne restera ouverte plus longtemps. Plus d’air peut alors circuler dans le cylindre. Cela se traduit par des plus-values. Ce principe est utilisé, entre autres, dans le réglage des moteurs. C'est ce qu'on appelle des « arbres à cames rapides ». Si l’extrémité est plus pointue (plus en forme de pointe), la valve se fermera plus rapidement. Il doit également être légèrement convexe, sinon la soupape reviendra brusquement sur le siège à une vitesse trop élevée, provoquant une usure importante des sièges de soupape. Lors de la conception d'un moteur, celui-ci est également soigneusement testé, afin que les arbres à cames installés soient les plus optimaux en termes de puissance, de consommation de carburant et de valeurs d'émission.
Chevauchement des vannes :
Pendant le chevauchement des vannes, les vannes d'entrée et de sortie sont ouvertes brièvement en même temps. En fin de course d'échappement, lorsque le piston est presque au PMH, la soupape d'admission s'ouvre avant que la soupape d'échappement ne soit fermée. Dans cette situation, la vitesse des gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion est si élevée que l'air d'admission est déjà aspiré par l'effet de vide. Une fois la soupape d'échappement fermée et le piston déplacé vers l'ODP, la soupape d'admission s'ouvre complètement. L'air d'admission remplira ainsi l'espace de combustion.
L'avantage du chevauchement des soupapes est que la vitesse de l'air entrant augmente lorsque la soupape d'admission s'ouvre, ce qui entraîne un degré de remplissage plus élevé.
La figure montre la situation dans laquelle la soupape d'admission (à gauche) et la soupape d'échappement (à droite) sont ouvertes en même temps.
Le schéma montre l'ouverture et la fermeture des soupapes d'échappement et d'admission. Lorsque l'arbre à cames tourne, la soupape d'échappement s'ouvre et se referme (les lignes bleues). Le chevauchement des valves se produit au milieu du graphique. Ceci est représenté en rouge. La soupape d'admission (représentée par des lignes vertes) a déjà été légèrement ouverte ici.
Le chevauchement des valves est obtenu grâce à la forme de la came. Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir que sur l'arbre à cames supérieur, les cames les plus hautes sont espacées de 114 degrés. Au centre de la figure, le chevauchement des soupapes se produit car l'extrémité de la came d'admission et le début de la came d'échappement sont plus hauts que la partie ronde de l'arbre à cames. C'est la partie où les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes en même temps.
Plus les pattes sont rapprochées les unes des autres, plus il y a de chevauchement. Cela peut être vu dans la différence entre les arbres à cames supérieur et inférieur, les cames de l'arbre à cames inférieur étant espacées de 108 degrés.
Un chevauchement des soupapes se produit donc toujours et ne peut pas être modifié en raison de la forme fixe de la came sur l'arbre à cames. Le degré de chevauchement des soupapes est déterminé par le constructeur du moteur.
Calage variable des soupapes et levée de soupape :
La puissance du moteur dépend en grande partie de l'arbre à cames. S'il est doté de cames longues et ovales, les vannes resteront ouvertes plus longtemps. Cela signifie que plus d’air peut entrer et sortir du moteur, ce qui produit plus de puissance. Si les cames sont plus courtes et plus pointues, la vanne s'ouvrira moins et se fermera plus tôt, permettant à moins d'air d'entrer et de sortir, elle produira donc également moins de puissance. L'avantage est que cela permet de réduire la consommation de carburant.
Les bas régimes moteur avec de faibles charges nécessitent :
- Les soupapes d'admission s'ouvrent tard et se ferment tôt.
- Les soupapes d'échappement s'ouvrent tard et se ferment tôt.
Des régimes moteur élevés avec des charges élevées nécessitent :
- Ouvrir les soupapes d'admission tôt et les fermer tard.
- Ouvrir les soupapes d'échappement tôt et les fermer tard.
Les constructeurs automobiles recherchent toujours un juste milieu. Le calage variable des soupapes ajuste l'arbre à cames à la position requise à la vitesse à laquelle le moteur tourne. La levée variable des soupapes est également une technique permettant d'obtenir divers avantages en modifiant la distance d'ouverture de la soupape.
À calage variable des soupapes fait tourner l'arbre à cames par rapport au pignon d'arbre à cames réglable (voir image). Avec ce système, il est possible de faire en sorte que les vannes s'ouvrent plus tôt ou plus tard, mais il n'est pas possible de faire en sorte que les vannes restent ouvertes plus longtemps. Si la soupape s'ouvre plus tôt, elle se fermera également plus tôt, car la forme de l'arbre à cames reste la même. Sur la page calage variable des soupapes plus d'explications seront données à ce sujet.
Levée variable des soupapes est une technique qui garantit que la hauteur de levée de la vanne est réglable. Cela contrôle jusqu’où la vanne s’ouvre. Ceci est bénéfique à la fois pour la consommation de carburant et pour la puissance du moteur. L'image ci-dessous en est un exemple. Il s'agit du Valvetronic de BMW.
La levée variable des soupapes s'applique uniquement à l'arbre à cames d'admission. Il existe plusieurs techniques utilisées par différents fabricants. À la page levée de soupape variable les différentes techniques sont décrites en détail.
Lubrification:
L'arbre à cames doit être lubrifié, comme tous les autres composants mobiles du moteur. L'arbre à cames est alimenté en huile aux bons endroits via des tuyaux percés de trous ou de buses. Le fonctionnement de l'ensemble du système de lubrification est décrit sur la page Système de lubrification.
