Technique : La distribution

La distribution constitue l'ensemble des organes qui assurent l'ouverture et la fermeture des conduits amenant l'air ou le mélange aux cylindres.

Les éléments fondamentaux de la distribution sont : les clapets, soupapes ou diaphragmes qui obturent les conduits et leur système de commande.

On distingue deux types de distribution :

- Distribution par soupapes (l'ouverture est réalisée par le soulèvement d'un disque dans le sens du mouvement du fluide) ;

- Distribution par fourreau ou tiroir (l'ouverture est réalisée par le glissement d'un clapet sur un siège fixe dans la même direction que le mouvement du fluide).

Dans le premier cas, l'ouverture des soupapes peut être automatique ou commandée (les soupapes d'admission automatiques, qui étaient très courantes au début du siècle, ne sont plus utilisées actuellement que pour les gros moteurs Diesel lents à deux temps.

Dans tous les autres cas, on utilise des soupapes commandées aussi bien pour l'admission que pour l'échappement. Les fourreaux, tiroirs ou barillets sont également commandés.

La distribution à fourreau

Cette solution fut assez courante après 1905. Le type le plus répandu, étant communément surnommé " à fourreau ", comprenait une ou deux chemises coaxiales au cylindre dont la rotation ouvrait ou fermait les ouvertures de passage des gaz .

La différence entre les phases d'admission et d'échappement exige que le déplacement de la chemise. ou fourreau, suive deux mouvements successifs : une rotation et une translation, ou encore l'utilisation de deux manchons.

L'absence de chocs, une plus grande surface et un fonctionnement silencieux représentent les qualités de ce système. En revanche, une plus grande inertie, une étanchéité insuffisante et des difficultés sur le plan de la lubrification se placent en tête des inconvénients. On a proposé également des distributions à manchon tournant, véritables robinets (Aspin, Barison) qui solutionnaient les problèmes d'inertie en permettant, théoriquement, de grandes vitesses de rotation, mais qui présentaient les défauts déjà signalés de la distribution à fourreau et qui avaient, de plus, un rendement très faible. Les divers systèmes de distribution "sans soupapes" ont atteint une grande diffusion dans les années vingt (Voisin, Panhard), mais sont désormais abandonnés dans les moteurs à quatre temps.

Distribution à soupapes

Cette solution est universellement adoptée sur la plupart des moteurs automobiles, pour ne pas dire sur tous les moteurs, où, pour l'admission comme pour l'échappement, on utilise des soupapes en forme de "champignon".

Les mécanismes de commande assurent l'ouverture et la fermeture des soupapes au moment le plus opportun afin de garantir le meilleur remplissage du cylindre et la plus faible contre-pression à l'échappement. L'évolution historique de la distribution va de pair avec celle du moteur.

Du dispositif à soupapes latérales avec arbre à cames dans le bloc- moteur caractérisant les premiers moteurs (conditionnant un faible rapport volumétrique et une chambre de combustion de forme très allongée), on est passé aux soupapes en tête sans modifier la position de l'arbre à cames. On obtint ainsi une plus grande liberté dans le dessin de la culasse tout en réalisant des chambres de combustion plus compactes (rapport surface-volume inférieur), la chaleur dispersée dans le liquide de refroidissement étant moindre et le rendement du moteur augmenté d'autant.

Avec des soupapes latérales, il n'était pas possible d'atteindre des régimes moteur supérieurs à 4 000 tr/mn, surtout à cause de la forme peu adaptée du conduit d'admission. Toutefois, pour une plus grande facilité d'usinage et pour des raisons de prix de revient, ces moteurs furent utilisés durant de longues années sur les voitures de tourisme.

La quasi-totalité des moteurs d'automobiles de grande série a conservé cette architecture jusqu'à la fin des années trente et même au-delà. En France, les 402 Peugeot et 2 CV Citroën marquèrent le début des voitures de grande série équipées de moteurs à soupapes en tête. Signalons également certaines firmes, comme Bugatti, ayant toujours adopté la disposition à soupapes en tête, mais dont la production fut surtout limitée aux modèles sport.

D'autres constructeurs, Morris et Simca, par exemple, abandonnèrent beaucoup plus tard les soupapes latérales (entre 1940 et 1950). Une solution intermédiaire existait également : une distribution à soupapes d'admission en tête et à soupapes d'échappement latérales, utilisée encore récemment par Rolls Royce et par Rover. La nécessité de simplifier la chaîne cinématique de commande de la soupape a déterminé les techniciens à disposer l'arbre à cames en tête.

Cette solution, qui élimine un certain nombre de composants susceptibles de se déformer ou de prendre du jeu, diminue l'inertie des organes en mouvement alternatif, permettant ainsi un meilleur remplissage de la chambre de combustion et une plus grande vitesse de rotation. Adoptée depuis 1898 par l'ingénieur Wilkinsons et, par la suite, en 1904 par Welch, dans un moteur à chambre hémisphérique et à arbre à cames en tête, cette technique s'est affirmée sur la Peugeot à deux arbres à cames en tête qui prit part au Grand Prix de Dieppe en 1912.

L'arbre à cames en tête, limité aux automobiles de course, n'atteindra que plus tard, dans les années 1920-1930, les véhicules de grande diffusion (Bugatti, Salmson en France, Bentley et M.G. en Angleterre et Alfa Romeo). Mais la véritable grande série sera aussi touchée avec, comme précurseurs, l'Alfa Romeo Giulietta, les Fiat 124-125 et les Peugeot 204, 304 et 104.

Chaque soupape est ouverte à chaque cycle, directement ou indirectement, par un excentrique. Dans un moteur à quatre temps, le renouvellement des gaz s'effectue tous les deux tours de l'arbre moteur.

De ce fait, l'arbre sur lequel sont montés les excentriques (arbre à cames) tourne à une vitesse deux fois moins grande que celle du vilebrequin.

Pour les deux-temps, les deux vitesses sont identiques. La disposition et le nombre des arbres à cames conditionnent la forme de la chambre de combustion (triangulaire, hémisphérique, plate) et la position des soupapes (parallèles, inclinées).

On peut choisir :

- L'arbre à cames dans le carter. Avec cette disposition, les soupapes peuvent être latérales ou bien en tête et commandées par tiges et culbuteurs ;

- L'arbre à cames en tête avec soupapes (forcément en tête).

Les moteurs à cylindres en ligne utilisent soit un arbre à cames (dans le bloc ou en tête), soit deux arbres à cames en tête.

Les moteurs en V peuvent recevoir un arbre à cames dans le carter (V8 américain et moteur Rolls Royce), deux arbres en tête (V6 Fiat 130 et Mercedes),- ou quatre arbres en tête - deux par rangées de cylindres - (Fiat Dino ou Alfa Romeo Montreal).

Les moteurs à cylindres opposés (boxer) emploient un arbre à cames central (Volkswagen, Panhard et 2 CV Citroën), deux arbres en tête, un par ligne de cylindres (Alfasud), ou quatre arbres en tête - deux par rangée de cylindres - (12-cylindres Boxer Ferrari).

Une solution particulièrement originale est fournie par le moteur à trois arbres à cames. Ce montage particulier existait sur la Fiat 806/406 Grand Prix de 1927. Il s'agissait d'un 12-cylindres (disposés sur deux rangs parallèles) avec deux vilebrequins moteurs et trois arbres à cames en tête. L'arbre central commandait l'admission et les deux autres, extérieurs, l'échappement. La synchronisation entre l'arbre moteur et l'arbre à cames est d'une importance primordiale.

La liaison est assurée soit par un assemblage d'engrenages (le plus souvent à dentures hélicoïdales), pour diminuer le bruit, soit par chaîne, soit enfin par courroie crantée, solution qui tend à s'imposer. La courroie crantée a été adoptée en 1960 sur la Pontiac et, en France, en 1965 sur la Peugeot 204 (n'oublions pas non plus le moteur de la V 8 Glas) à cause de sa plus grande simplicité de fabrication. De plus, elle assure sa fonction avec silence.

Les courroies sont constituées par une structure de support de brins de fibre de verre noyés dans du néoprène embouti, qui est revêtue d'un tissu antifriction. La fibre de verre assure l'inextensibilité de la courroie, le néoprène constitue la partie élastique et le crantage, tandis que le revêtement sert de protection à la courroie elle-même.

Les avantages de cette solution en ont suggéré l'adoption sur des moteurs très différents ; de la Fiat 128 à l'Alfasud, de la Lamborghini Urraco à la Dino V 8 et sur des diesels Ford Transit). Il faut aussi signaler un autre type de transmission par biellettes calées sur deux pivots excentriques. Ce système, toutefois, n'est pas très répandu (NSU Prinz).

Autre genre de commande utilisée aussi dans le passé (par exemple sur les voitures Salmson et encore aujourd'hui sur quelques types de motocyclettes) afin de réduire les parties en mouvement alternatif (poussoirs, tiges) et éviter l'encombrement de la commande par chaîne : il s'agit d'un arbre perpendiculaire à l'arbre moteur, qui reçoit et renvoie le mouvement aux soupapes en tête grâce à deux couples d'engrenages coniques. Le profil de la came commande la levée et le temps d'ouverture de la soupape.

Il est formé par :

- Un cercle de base, partie circulaire qui correspond à la phase de repos de la soupape ;

- Deux côtés tangents à ce dernier, curvilignes ou rectilignes, correspondant aux phases d'ouverture ou de fermeture ;

- Une partie curviligne raccordant les côtés, qui correspond à l'ouverture maximale. La conception des profils de carne est très délicate ; elle détermine en effet les accélérations des soupapes et, partant, toutes les forces entrant en jeu dans la distribution.

Le profil des cames fabriquées dans le passé comme un ensemble d'arcs de cercle raccordés opportunément (cames polycentriques) est déterminé actuellement à partir des accélérations maximales que peuvent supporter les soupapes en phase d'ouverture et de fermeture, du moment d'ouverture et de sa durée.

En utilisant une loi adéquate de variation des accélérations, on en détermine les valeurs à chaque moment du mouvement et, au moyen d'un procédé mathématique, on peut obtenir ensuite le rayon de courbure de chaque point de la came s'y rapportant ainsi que celui du culbuteur. Il est également possible de calculer la marche de l'outil qui crée le profil en cours d'usinage.

La rotation de l'excentrique commande le déplacement d'un organe intermédiaire, qui est appelé poussoir si son mouvement est rectiligne (alternatif), ou culbuteur s'il a un mouvement rotatif.

Cet organe a pour fonction d'absorber les poussées latérales provoquées par le contact avec l'excentrique. Les rouleaux cylindriques sont peu employés en automobile, leur domaine d'application concernant un certain nombre de moteurs pour véhicules industriels.

Dans les deux cas, le contact avec la came est linéaire. On déplace parfois latéralement le poussoir par rapport à l'axe de la came pour répartir l'usure sur l'ensemble de sa surface. Les dilatations subies par les organes de la distribution ne sont pas uniformes. La tige de la soupape se dilate plus que la structure environnante, ce qui nécessite un certain jeu (entre 0,15 - 0,50 mm) pour éviter, pendant la phase de fermeture, que les soupapes restent en appui sur la distribution au lieu de reposer sur leur siège, n'assurant donc plus l'étanchéité. Par suite de l'existence de ce jeu, les contacts poussoir-soupape et soupape-siège seront accompagnés de chocs.

De plus, l'ouverture de la soupape sera retardée en fonction de l'angle correspondant au rattrapage du jeu, et la fermeture sera avancée dans les mêmes conditions. On remédie à ces inconvénients par la modification des profils de la première partie de la rampe d'ouverture en les usinant avec une inclinaison moins accentuée pour limiter la vitesse du choc. On utilise aussi sur certaines voitures de luxe telles que la Rolls Royce, et dans presque toute la production américaine, des poussoirs à rattrapage de jeu automatique (poussoirs hydrauliques).

Il s'agit de petits cylindres remplis d'huile, fermés par un petit piston qui commande la tige de soupape. Le cylindre communique avec le circuit de graissage. L'huile ne peut entrer (mais non sortir du cylindre) que grâce à une soupape unilatérale.

S'il existe un certain jeu à la fermeture de la soupape entre la tige et le petit piston, l'huile afflue dans le cylindre en déplaçant le piston, ce qui rattrape automatiquement le jeu. Cette solution assure le silence de fonctionnement, mais elle ne peut être adaptée sur des moteurs rapides ou de compétition.

La plupart des moteurs possèdent deux soupapes par cylindre : une pour l'admission, l'autre pour l'échappement. Pour améliorer la puissance spécifique et limiter l'effort des soupapes lorsque celui-ci est trop important, on a adopté trois, et même, le plus souvent, quatre soupapes par cylindre, aussi bien dans les moteurs de compétition (Ferrari 512 S, Bugatti de 1919) que dans les moteurs Diesel à quatre temps lorsque l'alésage est supérieur à 150 mm (Scania, Volvo). Il existe quelques exemples de moteurs à une seule soupape en forme de champignon effectuant les deux phases, suivies par l'ouverture alternative des conduits d'admission et d'échappement commandés par une soupape spéciale ou un déflecteur.

L'avantage de la double voie de passage pour chaque phase présente, en contrepartie, l'inconvénient d'une étanchéité défectueuse de la soupape, ce qui en déconseille son utilisation dans les moteurs à carburation. Lorsque l'arbre à cames est dans le carter, le calage de la distribution est très simple. Par contre, le réglage des poussoirs (soupapes latérales) est peu aisé, l'accessibilité en étant réduite. Si les soupapes sont en tête, cette opération se trouve grandement facilitée. Dans le cas de commande indirecte, on agit en général sur une vis de réglage placée sur le culbuteur ou bien sur la position du palier du culbuteur lui-même.

Pour une commande directe (ACT), le réglage s'effectue au moyen de cales d'épaisseur placées entre le poussoir et la came, ou bien au moyen de petites calottes placées à l'extrémité de la tige de la soupape. Tout réglage suppose alors la dépose de l'arbre à cames.

Dans le moteur de l'Alfasud, on peut néanmoins régler la calotte à vis avec une clé spéciale, que l'on insère dans des orifices pratiqués dans la came elle-même. Dans certains autres moteurs, les calottes des poussoirs sont munies d'un plan incliné réglable en avant et en arrière (Vauxhall Victor et Chevrolet Vega).

Arbre à cames latéral, tiges et culbuteurs. C'était la solution la plus répandue, étant donné la simplicité de sa construction. Les soupapes d'admission et d'échappement sont parallèles. Le poids des organes en mouvement est considérable : rai- son pour laquelle il est en général impossible d'atteindre des régimes supérieurs à 8000 tr/mn. à cause de l'affolement des soupapes dû à l'importance des forces d'inertie. Le dessin se rapporte au moteur de la Fiat124.

Diagramme de la distribution

Les phénomènes dynamiques agissant sur les gaz à l'admission et à l'échappement d'un moteur à combustion interne et les intervalles de temps relativement brefs disponibles pour le mouvement des soupapes obligent à avancer ou à reculer les instants d'ouverture ou de fermeture. Ainsi, la soupape d'admission ne s'ouvrira pas au P.M.H., c'est-à-dire au début de la phase d'admission (comme cela suffirait dans un moteur tournant très lentement), mais quelques degrés avant afin que le conduit soit déjà en communication avec le cylindre au moment où le piston commence sa course descendante.

De la même façon, la fermeture de la même soupape est retardée d'environ 50° par rapport au P.M.B. pour permettre l'utilisation de l'énergie cinétique acquise par les gaz.

Le même processus se vérifie pour l'échappement : on donne de l'avance à l'ouverture de la soupape afin que la pression des gaz, au début de la phase d'échappement, soit légèrement supérieure à la pression atmosphérique, et on retarde la fermeture pour utiliser l'énergie cinétique imprimée aux gaz par le mouvement du piston. L'avance à l'admission et le retard à l'échappement déterminent un intervalle appelé croisement, durant lequel les deux soupapes sont ouvertes.

Chaque phase est composée de l'ouverture de la soupape (vitesse positive) et de sa fermeture (vitesse négative) qui sont en général symétriques.

L'ouverture se décompose en trois temps :

- Un déplacement à vitesse constante correspondant à la reprise du jeu de fonctionnement, c'est-à-dire se poursuivant jusqu'au moment du contact came-poussoir ;

- Un temps d'ouverture à accélération maximale, proportionnée aux charges de compression qui peuvent être supportées par la came ;

- Un dernier temps pendant lequel l'accélération diminue et change de sens, cependant que se poursuit le mouvement d'ouverture au cours duquel la soupape se rapproche graduellement du point d'ouverture maximal.

Le mouvement de fermeture est en général symétrique. Lorsque le moteur tourne à haut régime, les brusques changements d'accélération imposés par la came provoquent des perturbations dans la distribution à cause de l'élasticité de l'ensemble poussoir - tiges - culbuteurs.

Ce phénomène est particulièrement grave lorsqu'il concerne les ressorts des soupapes ( affolement des soupapes) ; des vibrations s'amorcent et le poussoir ou le culbuteur heurtent violemment la soupape, pouvant parfois en provoquer la rupture.

On supprime, ou on tente de supprimer, l'affolement des soupapes en montant deux ressorts de rappel pour chacune (en général à hélices, opposées ou à pas variable), dont les spirales sont au contact les unes des autres pour amortir les vibrations par leur frottement.

Pour atteindre des vitesses encore plus élevées, comme dans certains moteurs grand tourisme (Mercedes 300 SLR) ou de compétition, on a parfois utilisé des commandes desmodromiques, réalisant mécaniquement l'ouverture et la fermeture des soupapes.

Moteurs à deux temps et moteurs Wankel

Dans les moteurs à deux temps, les problèmes sont d'un ordre différent, Avant l'admission des gaz frais dans le cylindre a lieu la phase de balayage (élimination forcée des gaz brûlés). Cette opération est généralement réalisée par le piston même qui, dans son mouvement, découvre des lumières pratiquées dans le cylindre. Le temps d'admission correspond au temps de balayage. La loi de distribution est donc symétrique par rapport au P.M.B. Pour pallier cette limitation excessive dans les moteurs à haut rendement, on adopte deux ou quatre soupapes d'échappement.

Le moteur Wankel ne possède pas de soupapes. La distribution est effectuée par le piston qui découvre les ouvertures d'admission et d'échappement pratiquées dans le trochoïde (moteur NSU). Dans le moteur Mazda, l'aspiration est latérale, l'échappement est périphérique mais toujours découvert par le piston. On trouve les distributions du même type dans d'autres genres de moteurs rotatifs.

Distribution variable

Pour chaque distribution, les valeurs choisies pour l'avance et le retard des soupapes conviennent uniquement à une vitesse donnée des gaz dans les conduits et, par conséquent, pour une vitesse donnée du moteur, et ce en raison des phénomènes dynamiques qui entrent en jeu et qui nécessiteraient des calages plus larges au fur et à mesure de l'augmentation de la vitesse et de la charge du moteur et des calages plus réduits à un régime de rotation moins élevé.

Par exemple, le retard à la fermeture des soupapes d'admission. qui se produit souvent entre 45° et 70° après le P.M.B., est calculé de façon à récupérer l'énergie cinétique des gaz à 5000 tr/mn, mais provoque un rejet du mélange à 1000 tr/mn lorsque cette énergie est faible par suite de la vitesse réduite des gaz frais.

Pour ces raisons, on a essayé à plusieurs reprises des systèmes de distribution à calage variable, c'est-à-dire susceptibles de changer, suivant le régime moteur, la levée et le temps d'ouverture des soupapes. Les dispositifs permettant d'obtenir ces variations sont basés sur des cames coniques à déplacement axial, ou bien des culbuteurs à point d'appui déplaçable.

Nous n'énumérerons pas ici les diverses solutions proposées, plus ingénieuses que pratiques, mais nous mentionnerons une distribution Fiat qui a donné d'intéressants résultats dans son application expérimentale sur des moteurs de type courant. Le mécanisme est formé par un quadrilatère articulé qui transforme en un mouvement alternatif le mouvement rotatif continu de l'arbre de commande. L'élément terminal du dispositif est constitué par une came qui commande, par culbuteur, l'ouverture de la soupape.

Les culbuteurs sont fixés sur un arbre qui peut osciller et dont la position est commandée automatiquement au moyen d'un appareil hydraulique sensible au régime et à la charge.

L'augmentation du couple, grâce à ce dispositif, peut atteindre à bas régime des valeurs voisines de 20 %. D'autre part, la consommation et l'émission de gaz polluants sont diminuées. Ces avantages ne sont toutefois pas assez importants pour compenser l'augmentation du prix de revient dans la production en série.