La soupape qui permet le mélange dans le cylindre est la soupape d'admission; celle par laquelle s'échappent les gaz usés est la soupape d'échappement. Ils sont conçus pour s'ouvrir et se fermer à des moments précis, afin de permettre au moteur de fonctionner efficacement à toutes les vitesses.
L'opération est contrôlée par des lobes en forme de poire, appelés cames, sur un arbre rotatif, l'arbre à cames, entraîné par une chaîne, une courroie ou un ensemble d'engrenages du vilebrequin.
Là où l'arbre à cames est monté dans le bloc moteur, de petits poussoirs de cylindres métalliques reposent dans des canaux au-dessus de chaque came et, à partir des poussoirs, la tige de poussée métallique s'étend jusque dans la culasse. Le haut de chaque poussoir rencontre un culbuteur qui s'appuie contre la tige d'une soupape, qui est maintenue en position relevée (fermée) par un ressort hélicoïdal puissant, le ressort de soupape.
Lorsque la tige de poussée monte sur la came, elle fait pivoter le culbuteur, qui pousse la soupape vers le bas (ouverte) contre la pression de son ressort. Au fur et à mesure que le lobe de came tourne davantage, le ressort de soupape agit pour fermer la soupape. C'est ce qu'on appelle un système à soupapes en tête (OHV).
Certains moteurs n'ont pas de poussoirs; les soupapes sont actionnées plus directement par des arbres à cames simples ou doubles dans la culasse elle-même le système à cames en tête.
Comme il y a moins de pièces mobiles entre l'arbre à cames et la soupape, la méthode de l'arbre à cames en tête (OHC) est plus efficace et produit plus de puissance pour une cylindrée donnée qu'un moteur à poussoirs, car elle peut fonctionner à des vitesses plus élevées. Quel que soit le système, il doit y avoir un certain jeu dans l'engrenage de commande, de sorte que la vanne puisse toujours se fermer complètement lorsque les pièces se sont dilatées sous l'effet de la chaleur.
Un jeu de poussoir d'écart préréglé est essentiel entre la tige de soupape et le culbuteur ou la came, pour permettre l'expansion. Les dégagements des poussoirs varient considérablement d'une voiture à l'autre, et un réglage défectueux peut avoir de graves conséquences.
Si l'écart est trop grand, les soupapes s'ouvrent tard et se ferment tôt, ce qui réduit la puissance et augmente le bruit du moteur.
Un jeu trop petit empêche les soupapes de se fermer correctement, avec une perte de compression conséquente.
Certains moteurs ont des poussoirs à réglage automatique, qui sont actionnés hydrauliquement par la pression d'huile moteur.
Le système de soupapes en tête (OHV), actionné par des poussoirs, a le vilebrequin adjacent et parallèle au vilebrequin dans le bloc-cylindres.
Lorsque le vilebrequin tourne, chaque soupape est ouverte au moyen d'un poussoir, d'une tige de poussée et d'un culbuteur. La vanne est fermée par la pression du ressort.
Le pignon de la chaîne d'entraînement de l'arbre à cames a deux fois plus de dents que le pignon du vilebrequin, de sorte que l'arbre à cames tourne à la moitié de la vitesse du moteur.
Un moteur à arbre à cames en tête (OHC) nécessite moins de pièces pour faire fonctionner les soupapes. Les cames agissent directement sur les poussoirs à godets ou sur des leviers courts - appelés doigts - qui à leur tour agissent directement sur les tiges de soupapes.
Le système élimine le poids supplémentaire et la complexité mécanique des poussoirs et des culbuteurs.
Une longue chaîne est fréquemment utilisée pour entraîner l'arbre à cames à partir d'un pignon sur le vilebrequin, mais une chaîne aussi longue a tendance à " fouetter ". Le problème est surmonté dans certaines conceptions en installant des pignons intermédiaires et deux chaînes d'entraînement plus courtes, maintenues sous tension.
