Comment ça marche

Dans les moteurs à combustion interne, il existe le moteur 2 temps, le moteur 4 temps. On compte parmi ces moteurs, le moteur à essence et le moteur diesel. Le moteur diesel ayant fait qu'une brève apparition dans le monde de la moto, il ne sera pas abordé dans cette page web.

Avant de se lancer dans l'explication de comment marche un moteur à combustion interne (quelque fois appelé abusivement "moteur à explosion"), il me semble indispensable de voir les différents organes d'un moteur afin d'être sûr que tout le monde parle de la même chose.
Suite à "l'explosion", le piston effectue un va et vient dans le cylindre. Par l'intermédiaire de la bielle, le mouvement du piston est transferé au vilebrequin transformant ainsi le mouvement alternatif du piston en un mouvement rotatif au niveau du vilebrequin. La tête de la bielle s'articule sur un maneton qui est un axe excentré par rapport au centre du vilebrequin et qui détermine la course du piston. La culasse couvre le cylindre et va permettre la compression des gaz ainsi que l'entrée des gaz frais et l'expulsion des gaz brulés. Par ailleurs, j'attire votre attention sur le fait qu'il y a au moins 2 soupapes. Une soupape d'admission (à gauche) et une soupape d'échappement (à droite) (Attention ceci est spécifique au 4 temps)
La soupape d'admission ouvre ou ferme un passage vers le carburateur qui permet de faire le mélange air/essence. La soupape d'échappement ouvre le passage vers l'extérieur ou échappement.

Le cycle du moteur 4 temps

Le moteur 4 temps est probablement le plus répandu dans le monde de la moto du particulier car pour la compétition il en va autrement.
Ci-dessus un schema vous décrit les étapes majeures d'un cycle d'un moteur 4 temps (Attention dans ce dessin la soupape d'admission est à droite et la soupape d'echappement à gauche)
Si vous avez assez de patience à la fin du chapitre il y a une animation fait de mes propres mains (alors un peu d'indulgence...:-)) vous montrant le cycle en action.
Alors comment ça marche? Tout d'abord pourquoi est-ce un moteur 4 temps? Parce que un cycle se fait en quatre allées/retours de piston. Le cycle se décompose en 4 étapes :

  1. Admission

  2. Compression

  3. Détente/Explosion

  4. Echappement

Etape 1 : L'admission
Durant l'admission, la soupape d'échappement est fermée et la soupape d'admission est ouverte. Le piston descend donc il crée une dépression permettant d'aspirer le mélange air/essence venant du carburateur.

Etape 2 : La compression
A cette étape, les deux soupapes sont fermées rendant la culasse hermétique. Le piston remonte et comprime le mélange air/essence. Cette simple compression va élever le mélange carburé à une température de 300°C environ. Si la température s'élève encore de 100°C supplémentaire, le mélange risque de s'enflammer spontanément. C'est ce qu'on appelle l'autoallumage

Etape 3 : La détente (ou explosion)
Le piston arrivé à son point le plus haut, une étincelle jaillit entre les éléctrodes de la bougie provoquant l'inflammation (et non l'explosion) des gaz. Il en résulte une élévation de la pression et de la température pousse alors le piston qui redescend alors vers son point le plus bas. Lorsque que le piston arrive à ce point, les deux soupapes sont encore fermées.

Etape 4 : L'échappement
La soupape d'échappement s'ouvre et le piston en remontant va pousser devant lui les gaz brulés qui s'échappent par cet seul orifice.

Le cycle 4 temps se déroule donc sur quatre courses de piston soit deux tours de vilebrequin. Tout cela est de la théorie car dans la pratique on s'expose à des problèmes de physiques mais nous ne retiendrons que la combustion n'est pas instantanée ou encore l'étanchéité entre piston et le cylindre n'est pas parfaite. Tout ces points et leurs conséquences seront abordés dans le chapitre de la distribution.

Le cycle du moteur 2 temps

le moteur 2 temps

Observons tout d'abord la différence flagrante entre la structure d'un cylindre d'un moteur 4 temps, et celle d'un moteur deux temps représenté ci-contre. On remarque :

L'absence de soupape

Une lumière de transfert

Le piston peut être prolongé par une jupe

Le cylindre est percé de plusieurs lumières

 

Cette dernière différence a permis d'appeler le moteur deux temps, le moteur à "cylindre à trous" si cher au Joe bar Team.


Cycle 2 temps

Pour les mêmes raisons qu'un moteur 4 temps, le moteur deux temps s'appelle ainsi car il y a 2 allées/retours du piston. Cependant les étapes sont les mêmes que celles du 4 temps comme l'illustre le schema ci-dessus. Afin de bien illustrer pourquoi c'est un deux temps on va décrire cela en deux étapes :

Etape 1 : Piston montant vers le point le plus haut
Au dessus du piston, le mélange air/essence est comprimé dans la culasse. Ainsi, on retrouve bien l'étape de compression du moteur 4 temps. Au-dessous du piston, en remontant il se crée une dépression dans le carter moteur. Le piston va alors démasquer la lumière d'admission et grace à la dépression qui règne alors, le mélange air/essence va pouvoir entrer à l'intérieur du moteur. Ceci correspond à l'étape d'admission du moteur 4 temps.

Etape 2 : Piston decend vers le point le plus bas
Au dessus du piston, la bougie émet l'étincelle, l'inflammation du gaz se fait. La pression augmente et le piston est poussé vers le bas. C'est la détente. Arrivé à peu près au point le plus bas, le piston demasque la lumière d'échappement et les gaz d'échappement vont être poussés par le mélange frais qui arrive par la lumière de transfert qui est découvert peu après la lumière d'échappement. Ce mélange frais arrive d'autant plus vite qu'il se situe au dessous du piston et qu'il est comprimé par la descente du piston. Cette étape est appelé le balayage. Le gaz se retrouve alors au dessus du piston au moment où celui-ci remonte. Ainsi, la détente et l'échappement dans un moteur deux temps s'effectue dans le même temps.
Ainsi on voit bien qu'un moteur 2 temps effectue un cycle en effectuant un allée et un retour de piston soit un tour de vilebrequin.

Ici nous avons vu que le cycle d'un moteur deux temps avec un piston à jupe. C'est à dire que c'est le mouvement du piston qui ouvre et ferme les différentes lumières. Ce système n'est pratiquement plus utilisé. On le trouve encore dans les cyclomoteurs ou chez certaine MZ.

Pour les moteurs de compétition (et encore), il est plus souvent utilisé un moteur deux temps à admission par disque rotatif. Dans ce cas c'est un disque échancré, tournant à la même vitesse que le vilebrequin, qui régle l'admission et l'échappement. Cette technique a été utilisée pour la Suzuki RG500.

Enfin, dans les années 70 Yamaha invente l'admission par clapet. Les clapets sont des lamelles flexibles. Ces clapets recouvrent la lumière d'admission et lorsque la dépression est assez forte pour vaincre l'élasticité des lamelles, elles s'ouvrent automatiquement et laissent alors passer le mélange carburé. Lorsque la pression augmente, les lamelles se referment. Ce système est utilisé pour les Yamaha TZR125R.

Bien sur par la suite les quatres japonnais ont à la fois améliorés ce système et en ont trouvé d'autres pour augmenter le rendement du moteur 2 temps. Mais ceci sort des bases et je ne connais pas assez ces différents principes pour les exposer avec précision et sans erreur.

Voilà un bref exposé pour vous faire comprendre (je l'espère) les bases théoriques du moteur moto à quatre temps ou à deux temps. Les chapitres suivants seront surtout axés sur le quatre temps qui me semble le plus répandu du monde de la moto.

La distribution

Mais c'est quoi dont la distribution?
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.

les points morts

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.

Au moment de la théorie du cycle 4 temps, j'avais précisé que ce n'était que de la théorie et que dans la pratique il en allait autrement. Maintenant, nous allons voir pourquoi.

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 (Point Mort Bas) .

Les deux étapes suivantes (compression et détente) ne font pas parties de la distribution car les deux soupapes sont fermées donc si vous voulez voir les différences avec le cycle théorique rendez vous à l'allumage.

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, ben c'est déjà un premier pas vers l'estimation d'un caractére 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 pafaitement à haut régime) comme le sont souvent les "sportives".

diagramme GSXR750

Exemple : Suzuki GSX750R : AOA 38°, RFA 66°, AOE 65°, RFE 37° soit un croisement de 75°. Cagiva navigator 1000 : AOA 27°, RFA 63°, AOE 63°, RFE 27° soit un croisement de 54°.
Mais attention à ne pas être catégorique, il vous manque encore des données pour être sûr. Par exemple, de quelle hauteur se lève les soupapes. En effet, plus les soupapes se levent plus les gaz peuvent entrer ou sortir. Et il vous manque aussi le diamètre des soupapes d'admission et d'échappement ou encore du diamètre et de la longueur de la tubulure d'admission et d'échappement. Et bien sur, le nombre de soupapes par cylindre.

Les systèmes de controle 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'execute dans de bonnes conditions.
Depuis l'invention du moteur 4 temps, vous imaginez combien de système controlant 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. Dans cette page, limitée par mes connaissances, nous ne parlerons que de la commande par arbre à came en tête (ACT) qui est maintenant la plus répandue et de loin.

Tout d'abord qu'est ce qu'une came?
La came est l'objet qui permet la commande d'une ou de plusieurs soupape. Son profil est calculée très précisement 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

 La came peut commander la soupape directement avec un poussoir comme représenté ci-à gauche mais elle peut également utiliser des basculeurs tels que le linget (ci contre en bas) ou le culbuteur (ci contre en haut).

Ainsi l'arbre à came, contient plusieurs cames permettant de commander les soupapes de tous les cylindres afin de les synchroniser. Ici un arbre à came de CBR900RR.

Les soupapes peuvent être commandées par simple arbre à cames en tête. Cela signifie que l'arbre à cames 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, poussoir ou basculeurs.

Entrainement des arbres de distribution

La question qui vient après c'est : ben comment il tourne l'arbre à cames ?
  Ce sont les vilebrequins qui en tournant transmettent leur position au(x) arbre(s) à cames. Il faut bien comprendre que les vilebrequins sont dépendant 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.

Cette commande se fait le plus souvent par chaine comme présenté dans la figure des deux arbres à cames en tête (sur la droite). 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.

Petit Pignon

Nombre de soupapes par cylindre

Bien sur l'augmentation nombre de soupapes, vous vous en doutez, favorise le rendement de distribution Mais ceci n'est pas la seule raison. Nous allons voir ça tout de suite

2 soupapes

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 hemisphérique pour favoriser le flux des gaz, un angle entre la soupape d'admission et d'échappement très elevé (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.
Ne pensez pas que cette architecture n'existe plus. En effet, on la trouve encore sur la Honda GoldWing 1200.

 

Au milieu des années 80, Yamaha invente une culasse à 5 soupapes sur le FZ750 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 difficuté d'accessibilité mécanique.
Pour en finir, il existe également, inventée par Honda sur sa NR750, une culasse à 8 soupapes. L'angle entre les soupapes est seulement de 29° favorisant l'admission. Mais dans ce cas, le cylindre est oval et il y a 2 bougies par cylindre.