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Le diagramme de distribution



par François Dovat

La forme des courbes de couple et de puissance d'un moteur 4 temps est déterminée principalement par son diagramme de distribution, induit par la configuration des cames. Un moteur à essence de 300 à 600cm3 par cylindre dont les soupapes commenceraient à s'ouvrir et à se fermer aux points morts hauts et bas du piston (PMH et PMB) aurait une puissance spécifique fort limitée et située en dessous de 2500 t/mn. Afin de tenir compte, d'une part, d'une ouverture et d'une fermeture progressive des soupapes, on commence à les ouvrir en avance et leur fermeture se termine en retard. Ces avances et retards s'ajoutent aux 180° théoriques de rotation au vilebrequin et ils sont désignés par les acronymes AOA pour avance à l'ouverture de l'admission et RFA pour retard à sa fermeture, AOE et RFE étant leurs pendants à l'échappement. D'autre part, afin d'améliorer le remplissage des cylindres à des régimes accélérés et pour obtenir une puissance supérieure, ils sont encore augmentés pour tirer parti de l'inertie des colonnes gazeuses dans les collecteurs et dans le cylindre. Cette inertie augmente avec la vitesse et en conséquence plus le moteur tourne vite plus il faut des angles d'ouverture des soupapes importants, donc des cames plus dodues.

Le diagramme de distribution est toujours un compromis. Tels arbres à cames produiront la p.m.e. maxi – et en corollaire le couple maxi – à 2500 t/mn, tels autres à 4000 t/mn. Sans vouloir généraliser outre mesure, on peut avancer que la puissance maxi d'un moteur d'automobile est située ~ 2000 t/mn plus haut que le régime du couple maxi.

AOARFAAOERFETotal ATotal ECouple Maxi.Puissance maxi.
35°35°215°215°~ 1750t/m~ 3750t/m
45°45°230°230°~ 2500t/m~ 4500t/m
15°55°55°15°250°250°~ 3250t/m~ 5250t/m
25°65°65°25°270°270°~ 4000t/m~ 6000t/m
35°75°75°35°290°290°~ 4750t/m~ 6750t/m

Un diagramme de 25°-65°-65°-25° indique des angles d'ouverture totaux de 180°+25°+65°= 270° et un croisement de 25°+25°= 50°. Si la rangée de cylindres comporte deux arbres à cames, le diagramme peut être modifié sans les changer mais en les calant à des angles différents. Il est possible d'obtenir ainsi par exemple 35°-55°-60°-30° et donc un croisement de 65°car les angles totaux restent de 270°. Le couple à bas et moyen régime est alors amélioré, au détriment de la régularité du ralenti et de la puissance à haut régime. De nombreux constructeurs montent maintenant des dispositifs de variation du calage de l'arbre à cames d'admission (dossier en préparation).

Chaque type d'arbre à cames est adapté pour un remplissage optimal autour d'un régime déterminé; lorsque le régime du moteur s'éloigne de cet optimal, le couple maximum développé diminue. A un régime inférieur les angles d'ouverture des soupapes sont trop longs et à un régime supérieur ils sont excessivement courts. Le système Valvetronic de BMW – actuellement le plus perfectionné – optimise en continu les angles d'ouverture et les levées de soupapes en fonction de la charge et du régime.

Le tableau ci-dessus donne une bonne approximation des caractéristiques de puissance et couple produits par divers types d'arbres à cames. Il convient de noter que des cames qui donnent des angles d'ouverture plus importants assureront en principe également des levées de soupapes plus importantes. Il faut que l'ouverture et la fermeture des soupapes s'effectuent le plus rapidement possible, mais d'autre part les accélérations de soupapes sont soumises à des limites.

On remarque une dissymétrie des angles entre AOA et RFA (5°- 45° par ex.) ainsi qu'entre AOE et RFE. Cela provient de plusieurs paramètres dont la différence des volumes en jeu. En outre, entre AOA et RFE, les deux soupapes sont ouvertes simultanément et une ouverture simultanée (croisement) excessivement longue cause une réversion à bas régime par introduction de gaz d'échappement dans l'admission, puis un passage direct des gaz frais dans l'échappement. Un troisième facteur est le fait que les éloignements du piston (et par là ses accélérations) par rapport au PMH et au PMB en fonction de la position angulaire du vilebrequin sont asymétriques. C'est une question de géométrie de l'ensemble bielle-manivelle : il faudrait une bielle de longueur infinie pour obtenir un mouvement symétrique. En bref, à cause de l'obliquité de la bielle, le piston reste plus longtemps autour du PMB et la différence dépasse la douzaine de degrés.

Diagramme d'un moteur de course : 47°-79°-84°-52°

(© François Dovat)
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Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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