Si vous avez lu l'article Comment fonctionnent les moteurs de voiture, vous connaissez les soupapes qui laissent entrer le mélange air/carburant dans le moteur et les gaz d'échappement hors du moteur. L'arbre à cames utilise des lobes (appelés cames ) qui poussent contre les soupapes pour les ouvrir lors de la rotation de l'arbre à cames ; des ressorts sur les soupapes les ramènent en position fermée. Il s'agit d'un travail critique qui peut avoir un impact important sur les performances d'un moteur à différentes vitesses. Sur la page suivante de cet article, vous pouvez voir l'animation que nous avons créée pour vraiment vous montrer la différence entre un arbre à cames de performance et un arbre à cames standard.
Dans cet article, vous apprendrez comment l'arbre à cames affecte les performances du moteur. Nous avons de superbes animations qui vous montrent comment différentes configurations de moteur, comme un seul arbre à cames en tête (SOHC) et double arbre à cames en tête (DOHC), fonctionne vraiment. Et puis nous passerons en revue quelques-unes des façons astucieuses que certaines voitures ajustent l'arbre à cames afin qu'il puisse gérer plus efficacement différents régimes moteur.
Commençons par les bases.
Les éléments clés de tout arbre à cames sont les lobes . Lorsque l'arbre à cames tourne, les lobes ouvrent et ferment les soupapes d'admission et d'échappement au rythme du mouvement du piston. Il s'avère qu'il existe une relation directe entre la forme des lobes de came et la façon dont le moteur fonctionne dans différentes plages de vitesse.
Pour comprendre pourquoi c'est le cas, imaginez que nous faisons tourner un moteur extrêmement lentement - à seulement 10 ou 20 tours par minute (RPM) - de sorte qu'il faut au piston quelques secondes pour terminer un cycle. Il serait impossible de faire tourner un moteur normal aussi lentement, mais imaginons que nous le puissions. À cette vitesse lente, nous voudrions des lobes de came formés de sorte que :
Cette configuration fonctionnerait très bien pour le moteur tant qu'il fonctionnerait à cette vitesse très lente. Mais que se passe-t-il si vous augmentez le RPM ? Découvrons.
Lorsque vous augmentez le RPM, la configuration 10 à 20 RPM pour l'arbre à cames ne fonctionne pas bien. Si le moteur tourne à 4 000 tr/min, les soupapes s'ouvrent et se ferment 2 000 fois par minute, soit 33 fois par seconde. À ces vitesses, le piston se déplace très rapidement, de sorte que le mélange air/carburant qui se précipite dans le cylindre se déplace également très rapidement.
Lorsque la soupape d'admission s'ouvre et que le piston commence sa course d'admission, le mélange air/carburant dans le canal d'admission commence à accélérer dans le cylindre. Au moment où le piston atteint le bas de sa course d'admission, l'air / carburant se déplace à une vitesse assez élevée. Si nous devions claquer la soupape d'admission, tout cet air / carburant s'arrêterait et n'entrerait pas dans le cylindre. En laissant la soupape d'admission ouverte un peu plus longtemps, l'élan de l'air/carburant en mouvement rapide continue de forcer l'air/carburant dans le cylindre lorsque le piston commence sa course de compression. Ainsi, plus le moteur tourne vite, plus l'air/carburant se déplace rapidement et plus longtemps nous voulons que la soupape d'admission reste ouverte. Nous voulons également que la soupape s'ouvre plus largement à des vitesses plus élevées -- ce paramètre, appelé levée de soupape , est régi par le profil du lobe de came.
L'animation ci-dessous montre comment une caméra normale et une caméra de performance avoir un calage des soupapes différent. Notez que les cycles d'échappement (cercle rouge) et d'admission (cercle bleu) se chevauchent beaucoup plus sur la came de performance. Pour cette raison, les voitures équipées de ce type de came ont tendance à tourner très grossièrement au ralenti.
Tout arbre à cames donné ne sera parfait qu'à un seul régime moteur. À chaque autre vitesse du moteur, le moteur ne fonctionnera pas à son plein potentiel. Un arbre à cames fixe est donc toujours un compromis. C'est pourquoi les constructeurs automobiles ont développé des schémas pour faire varier le profil de la came lorsque le régime moteur change.
Il existe plusieurs dispositions différentes d'arbres à cames sur les moteurs. Nous parlerons de certains des plus courants. Vous avez probablement entendu la terminologie :
Dans la section suivante, nous examinerons chacune de ces configurations.
Cette disposition désigne un moteur avec une came par tête . Donc, s'il s'agit d'un moteur 4 cylindres en ligne ou 6 cylindres en ligne, il aura une came; s'il s'agit d'un V-6 ou V-8, il aura deux cames (une pour chaque tête).
La came actionne les culbuteurs qui appuient sur les soupapes, les ouvrant. Ressorts remettre les vannes en position fermée. Ces ressorts doivent être très résistants car à haut régime, les soupapes descendent très rapidement, et ce sont les ressorts qui maintiennent les soupapes en contact avec les culbuteurs. Si les ressorts n'étaient pas assez solides, les soupapes pourraient se détacher des culbuteurs et revenir en arrière. Il s'agit d'une situation indésirable qui entraînerait une usure supplémentaire des cames et des culbuteurs.
Sur les moteurs à simple et double arbre à cames en tête, les cames sont entraînées par le vilebrequin, via une courroie ou une chaîne appelée courroie de distribution ou chaîne de distribution . Ces courroies et chaînes doivent être remplacées ou ajustées à intervalles réguliers. Si une courroie de distribution casse, la came s'arrêtera de tourner et le piston pourrait heurter les soupapes ouvertes.
Un moteur à double came en tête a deux cames par tête . Ainsi, les moteurs en ligne ont deux cames et les moteurs V en ont quatre. Habituellement, les doubles cames en tête sont utilisées sur les moteurs à quatre soupapes ou plus par cylindre - un seul arbre à cames ne peut tout simplement pas contenir suffisamment de lobes de came pour actionner toutes ces soupapes.
La principale raison d'utiliser des cames en tête doubles est de permettre plus de soupapes d'admission et d'échappement. Plus de soupapes signifie que les gaz d'admission et d'échappement peuvent circuler plus librement car il y a plus d'ouvertures pour qu'ils s'écoulent. Cela augmente la puissance du moteur.
La configuration finale que nous aborderons dans cet article est le moteur de la tige de poussée.
Comme les moteurs SOHC et DOHC, les soupapes d'un moteur à poussoir sont situées dans la tête, au-dessus du cylindre. La principale différence est que l'arbre à cames d'un moteur à poussoir se trouve à l'intérieur du bloc moteur , plutôt que dans la tête.
La came actionne de longues tiges qui montent à travers le bloc et dans la tête pour déplacer les culbuteurs. Ces longues tiges ajoutent de la masse au système, ce qui augmente la charge sur les ressorts de soupape. Cela peut limiter la vitesse des moteurs à poussoir; l'arbre à cames en tête, qui élimine la tige de poussée du système, est l'une des technologies de moteur qui a rendu possible des régimes plus élevés.
L'arbre à cames d'un moteur à poussoir est souvent entraîné par des engrenages ou une chaîne courte. Les transmissions par engrenages sont généralement moins sujettes à la casse que les transmissions par courroie, que l'on trouve souvent dans les moteurs à arbre à cames en tête.
Une grande chose dans la conception des systèmes d'arbre à cames est de faire varier le calage de chaque soupape. Nous examinerons le calage des soupapes dans la section suivante.
Il existe quelques nouvelles façons par lesquelles les constructeurs automobiles font varier le calage des soupapes. Un système utilisé sur certains moteurs Honda est appelé VTEC .
VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) est un système électronique et mécanique de certains moteurs Honda qui permet au moteur d'avoir plusieurs arbres à cames. Les moteurs VTEC ont une came d'admission supplémentaire avec son propre culbuteur , qui suit cette came. Le profil de cette came maintient la soupape d'admission ouverte plus longtemps que l'autre profil de came. A bas régime, ce culbuteur n'est relié à aucune soupape. À haut régime, un piston verrouille le culbuteur supplémentaire aux deux culbuteurs qui commandent les deux soupapes d'admission.
Certaines voitures utilisent un appareil qui peut avancer le calage des soupapes . Cela ne maintient pas les vannes ouvertes plus longtemps; au lieu de cela, il les ouvre plus tard et les ferme plus tard. Cela se fait en faisant tourner l'arbre à cames de quelques degrés. Si les soupapes d'admission s'ouvrent normalement à 10 degrés avant le point mort haut (PMH) et se ferment à 190 degrés après le PMH, la durée totale est de 200 degrés. Les heures d'ouverture et de fermeture peuvent être décalées à l'aide d'un mécanisme qui fait légèrement avancer la came pendant qu'elle tourne. Ainsi, la vanne peut s'ouvrir à 10 degrés après le PMH et se fermer à 210 degrés après le PMH. Fermer la soupape 20 degrés plus tard, c'est bien, mais il serait préférable de pouvoir augmenter la durée d'ouverture de la soupape d'admission.
Ferrari a une très bonne façon de faire cela. Les arbres à cames de certains moteurs Ferrari sont taillés avec un profil tridimensionnel qui varie sur la longueur du lobe de came. À une extrémité du lobe de came se trouve le profil de came le moins agressif et à l'autre extrémité, le plus agressif. La forme de la came mélange en douceur ces deux profils. Un mécanisme peut faire coulisser latéralement tout l'arbre à cames de sorte que la soupape engage différentes parties de la came. L'arbre tourne toujours comme un arbre à cames ordinaire, mais en faisant glisser progressivement l'arbre à cames latéralement à mesure que le régime et la charge du moteur augmentent, le calage des soupapes peut être optimisé.
Plusieurs motoristes expérimentent des systèmes qui permettraient une variabilité infinie du calage des soupapes. Par exemple, imaginez que chaque soupape ait un solénoïde qui peut ouvrir et fermer la soupape à l'aide d'une commande par ordinateur plutôt que de compter sur un arbre à cames. Avec ce type de système, vous obtiendrez des performances maximales du moteur à chaque régime. Quelque chose à espérer à l'avenir...
Pour plus d'informations sur les arbres à cames, le calage des soupapes et les sujets connexes, consultez les liens ci-dessous.
Publié à l'origine :13 décembre 2000
