Comment fonctionnent les arbres à cames

Si vous avez lu l'article Comment fonctionnent les moteurs de voiture, vous connaissez les soupapes qui permettent au mélange air / carburant d'entrer dans le moteur et à l'échappement du moteur. L'arbre à cames utilise des lobes (appelés cames) qui poussent contre les soupapes pour les ouvrir lorsque l'arbre à cames tourne; les ressorts des soupapes les ramènent à leur 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 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 dispositions de moteur, comme caméra aérienne simple (SOHC) et double came aérienne (DOHC), fonctionne vraiment. Et puis nous passerons en revue quelques-unes des façons pratiques dont certaines voitures ajustent l'arbre à cames afin qu'il puisse gérer plus efficacement différents régimes moteur..

Commençons par les bases.

Principes de base de l'arbre à cames

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 pourrions. À cette vitesse lente, nous voudrions que les lobes de came soient formés de telle sorte que:

• Tout comme le piston commence à se déplacer vers le bas dans la course d'admission (appelé point mort haut, ou TDC), la soupape d'admission s'ouvrirait. La soupape d'admission se fermerait juste lorsque le piston descend.
• La soupape d'échappement s'ouvrirait dès que le piston descend (appelé point mort bas, ou BDC) à la fin de la course de combustion, et se fermerait lorsque le piston termine la course d'échappement.

Cette configuration fonctionnerait très bien pour le moteur tant qu'il tournait à cette vitesse très lente. Mais que se passe-t-il si vous augmentez le régime? Découvrons-le.

Lorsque vous augmentez le régime, la configuration de 10 à 20 tr / min 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, ou 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 claquions 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 va vite, plus l'air / carburant se déplace rapidement et plus nous voulons que la soupape d'admission reste ouverte. Nous voulons également que la vanne s'ouvre plus large 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 un came régulière et un came de performance ont un calage de soupape 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 approximativement au ralenti.

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Deux profils de came différents: cliquez sur le bouton sous le bouton de lecture pour basculer entre les cames. Les cercles indiquent combien de temps les soupapes restent ouvertes, bleu pour l'admission, rouge pour l'échappement. Le chevauchement des soupapes (lorsque les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes en même temps) est mis en évidence au début de chaque animation.

Tout arbre à cames donné ne sera parfait qu'à un seul régime moteur. À tous les autres régimes, le moteur ne fonctionnera pas à son plein potentiel. UNE 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 came lorsque le régime du moteur change..

Il existe plusieurs agencements d'arbres à cames sur les moteurs. Nous parlerons de certains des plus courants. Vous avez probablement entendu la terminologie:

• Caméra aérienne simple (SOHC)
• Double caméra aérienne (DOHC)
• Poussoir

Dans la section suivante, nous examinerons chacune de ces configurations.

Caméra aérienne simple

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 ramener les vannes dans leur position fermée. Ces ressorts doivent être très résistants car à des régimes moteur élevés, les soupapes sont abaissées 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 se replier. Il s'agit d'une situation indésirable qui entraînerait une usure supplémentaire des cames et des culbuteurs.

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Une seule caméra aérienne

Sur les moteurs à simple et double came en tête, les cames sont entraînées par le vilebrequin, via une courroie ou une chaîne appelée le 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 cessera de tourner et le piston pourrait heurter les soupapes ouvertes.

L'image ci-dessus montre ce qui peut arriver lorsqu'un piston heurte une vanne ouverte.

Double caméra aérienne

Un moteur à double came en tête a deux cames par tête. Les moteurs en ligne ont donc deux cames et les moteurs V en ont quatre. Habituellement, les doubles cames en tête sont utilisées sur les moteurs avec quatre soupapes ou plus par cylindre - un seul arbre à cames ne peut tout simplement pas s'adapter à suffisamment de lobes de came pour actionner toutes ces soupapes..

La principale raison d'utiliser des doubles cames en tête est de permettre plus de soupapes d'admission et d'échappement. Plus de soupapes signifie que les gaz d'admission et d'échappement peuvent s'écouler plus librement car il y a plus d'ouvertures pour les traverser. Cela augmente la puissance du moteur.

La configuration finale que nous aborderons dans cet article est le moteur pushrod.

Moteurs poussoirs

Comme les moteurs SOHC et DOHC, les soupapes d'un moteur à poussoir sont situées dans la culasse, au-dessus du cylindre. La principale différence est que l'arbre à cames d'un moteur à poussoir est à l'intérieur du bloc moteur, plutôt que dans la tête.

La came actionne de longues tiges qui remontent 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 ont rendu possible des régimes moteur plus élevés.

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Un moteur à poussoir

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 rupture que les transmissions par courroie, qui se trouvent souvent dans les moteurs à came en tête.

Une grande chose dans la conception de systèmes d'arbres à cames est de faire varier le calage de chaque soupape. Nous examinerons le calage des soupapes dans la section suivante.

-Les constructeurs automobiles peuvent varier le calage des soupapes de plusieurs façons. 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 un 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. À bas régime, ce culbuteur n'est relié à aucune soupape. À haut régime, un piston verrouille le culbuteur supplémentaire aux deux culbuteurs qui contrôlent 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 vers l'avant. 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 tourner la came vers l'avant lorsqu'elle tourne. Ainsi, la vanne peut s'ouvrir à 10 degrés après le PMH et se fermer à 210 degrés après le PMH. La fermeture de la soupape 20 degrés plus tard est bonne, mais il serait préférable de pouvoir augmenter la durée d'ouverture de la soupape d'admission.

Ferrari a une manière vraiment sympa de faire cela. Les arbres à cames de certains moteurs Ferrari sont coupés 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 profil de came le plus agressif. La forme de la came associe en douceur ces deux profils. Un mécanisme peut faire coulisser tout l'arbre à cames latéralement de sorte que la soupape s'engage dans différentes parties de la came. L'arbre tourne toujours comme un arbre à cames ordinaire - mais en faisant progressivement glisser l'arbre à cames latéralement à mesure que le régime moteur et la charge augmentent, le calage des soupapes peut être optimisé.

Plusieurs fabricants de moteurs expérimentent des systèmes qui permettraient une variabilité infinie du calage des soupapes. Par exemple, imaginez que chaque soupape avait un solénoïde qui pourrait ouvrir et fermer la soupape à l'aide de la 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 dans le futur…

Pour plus d'informations sur les arbres à cames, le calage des soupapes et des sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.

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