Si vous avez lu l’article Comment fonctionnent les moteurs de voiture , vous connaissez les vannes qui permettent au mélange air / carburant de pénétrer dans le moteur et les gaz d’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 vannes les ramènent en position fermée. C’est 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 vous montrer la différence entre un arbre à cames performant 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 montrent comment différentes configurations de moteur, telles que les caméscopes simples (SOHC) et les doubles caméscopes (DOHC), fonctionnent vraiment. Et nous passerons ensuite en revue quelques-unes des manières astucieuses dont certaines voitures ajustent l’arbre à cames de manière à pouvoir gérer plus efficacement différents régimes de moteur.
Commençons par les bases.
Bases 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 en fonction du mouvement du piston. Il se trouve qu’il existe une relation directe entre la forme des lobes de cames et la manière dont le moteur fonctionne dans différentes gammes de vitesses.
Pour comprendre pourquoi c’est le cas, imaginons que nous faisons tourner un moteur extrêmement lentement, à seulement 10 ou 20 tours par minute (RPM), pour que le cycle prenne quelques secondes. Il serait impossible de faire fonctionner un moteur normal aussi lentement, mais imaginons que nous pourrions le faire. À cette vitesse lente, nous voudrions que les lobes de came soient en forme pour que:
- Au moment où le piston commence à se déplacer vers le bas lors de la course d’admission (appelé point mort haut ou PMH ), la soupape d’admission s’ouvre. La soupape d’admission se fermerait à droite lorsque le piston ressortrait.
- La soupape d’échappement s’ouvrirait à mesure que le piston déboucherait (appelé point mort bas ou BDC ) à la fin de la course de combustion, et se fermerait lorsque le piston achèverait la course d’échappement.
Cette configuration fonctionnerait très bien pour le moteur tant qu’elle fonctionnerait à cette vitesse très lente. Mais que se passe-t-il si vous augmentez le RPM? 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 vannes s’ouvrent et se ferment 2 000 fois par minute ou 33 fois par seconde. À ces vitesses, le piston se déplace très rapidement, si bien que le mélange air / carburant qui se déverse dans le cylindre se déplace 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 / le carburant se déplace à une vitesse assez élevée. Si nous fermions la soupape d’admission, tout cet air / carburant s’arrêterait et ne pénétrerait pas dans la bouteille. En laissant la soupape d’admission ouverte un peu plus longtemps, le moment où le carburant / l’air circule rapidement continue de forcer l’air / le carburant à pénétrer dans le cylindre lorsque le piston commence sa course de compression. Ainsi, plus le moteur tourne vite, plus les mouvements air / carburant se font rapidement et plus la vanne d’admission reste ouverte longtemps. Nous souhaitons également que la vanne s’ouvre plus largement à des vitesses plus élevées – ce paramètre, appelé levée de la vanne , est régi par le profil des lobes de came.
Comment fonctionnent les arbres à cames
Les constructeurs automobiles peuvent modifier le calage des soupapes de plusieurs manières différentes. Un système utilisé sur certains moteurs Honda s’appelle VTEC .
Le VTEC (contrôle électronique de la distribution et du calage des soupapes variables) 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 sa propre bascule , 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, cette bascule n’est connectée à aucune vanne. À haut régime, un piston bloque le culbuteur supplémentaire sur les deux bascules qui contrôlent les deux soupapes d’admission.
Certaines voitures utilisent un appareil capable de faire avancer le calage des soupapes . Cela ne maintient pas les valves 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 (TDC) et se ferment à 190 degrés après le TDC, la durée totale est de 200 degrés. Les temps d’ouverture et de fermeture peuvent être décalés en utilisant un mécanisme qui fait tourner la came un peu en avant.Ainsi, la vanne pourrait s’ouvrir à 10 degrés après le TDC et se fermer à 210 degrés après le TDC. La fermeture de la soupape à 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 façon très efficace de le faire. Les arbres à cames de certains moteurs Ferrari sont coupés avec un profil en trois dimensions qui varie le long du lobe de la came. À l’une des extrémités 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 mélange harmonieusement ces deux profils. Un mécanisme peut faire glisser l’ensemble de l’arbre à cames latéralement, de sorte que la soupape engage différentes parties de la came. L’arbre tourne toujours comme un arbre à cames normal – mais en faisant glisser latéralement l’arbre à cames lorsque la vitesse du 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, imaginons que chaque vanne soit équipée d’un solénoïde qui puisse ouvrir et fermer la vanne à l’aide d’un ordinateur, plutôt que sur un arbre à cames. Avec ce type de système, vous obtiendrez une performance maximale du moteur à chaque régime. Quelque chose à espérer dans le futur …
