Moteur à soupapes en tête

Les moteurs à soupapes en tête (« overhead valve » ou OHV en anglais) sont des moteurs à quatre temps et soupapes commandées. Celles-ci, contrairement à celles des moteurs à soupapes latérales ( "side valve" ou SV en anglais), sont situées dans la culasse au-dessus des cylindres. La disposition en tête permet d'avoir un meilleur rendement, une meilleure circulation des gaz et un meilleur taux de compression que ceux des moteurs à soupapes latérales. Les moteurs à soupapes en tête existent en toutes sortes d'architectures (en V, en ligne, etc.), ainsi qu'à allumage commandé ou de type Diesel. Ils sont les plus répandus dans l'industrie automobile depuis plusieurs décennies, et sont également utilisés dans l'aviation et divers autres secteurs.

Il en existe deux grandes variantes : les moteurs culbutés, historiquement les plus anciens, qui ont leur arbre à cames en bas du moteur, et ceux à arbre à cames en tête (ACT ou, en anglais, OHC)[1].

Historique

Les premiers moteurs à combustion interne étaient basés sur des moteurs à vapeur et utilisaient des soupapes glissantes[2]. Ce fut le cas pour le premier moteur Otto qui fonctionna avec succès pour la première fois en 1876.

À partir de 1885 et du Daimler Reitwagen, les moteurs à soupapes deviennent de plus en plus courants. Apparaissent ainsi :

  • les moteurs "semi-culbutés" (ou "ioe" en anglais)  : leurs soupapes d'admission, situées dans la culasse et actionnées par l'aspiration créée par le piston, étaient qualifiées d' "automatiques" ou « atmosphériques » ; leurs soupapes d'échappement, étaient elles entraînées par un arbre à cames situé dans le bas du bloc moteur. Cette configuration fut utilisée sur des voitures, des motos et des avions, notamment ainsi par les frères Wright entre 1904 et 1910 pour les premiers moteurs d'avions jamais réalisés[3];
  • les moteurs à soupapes latérales ("sv" ou "flathead" en anglais) qui équiperont la plupart des véhicules automobiles terrestres jusqu'aux années 1950[4].

Les premiers moteurs dont toutes les soupapes sont en tête apparaissent à la fin des années 1890 : le prototype du moteur diesel de 1894 utilisait des soupapes en tête actionnées par un arbre à cames, des tiges de poussée et des culbuteurs, devenant ainsi l'un des premiers moteurs OHV[5], et, en 1896, William F. Davisle dépose le brevet américain no 563 140 relatif à un moteur OHV utilisant un liquide de refroidissement pour maintenir la culasse à la bonne température[6]. Certaines sources suggèrent que quelques véhicules équipés de moteurs à soupapes en tête auraient été construits avant 1900, notamment en Italie[7] et aux États-Unis[8], mais aucun moteur de ce type ne semble avoir été construit en série avant le début du XXème siècle.

Moteurs culbutés : les premiers OHV en production

En 1904 Buick dépose un brevet pour un moteur à soupapes en tête[9] et lance le premier moteur OHV produit en série au monde. Ce bicylindre à plat culbuté aux cylindres opposés avec deux soupapes par cylindre équipe la Model B en 1904 puis la Model C à partir de 1905 : c'est un grand succès, avec 750 exemplaires vendus dès 1905[10].

Plusieurs autres fabricants commencent à cette époque à produire des moteurs OHV.

Les constructeurs de motos participent activement à l'évolution des moteurs vers l'OHV. Ainsi Indian, le plus grand fabricant de motos au monde jusqu'à la première guerre mondiale, équipe dès 1910 ses modèles de course de moteurs OHV culbutés à 4 soupapes par cylindre, alors que ses modèles commerciaux seront IOE ou à soupapes latérales jusqu'après la seconde guerre mondiale[réf. souhaitée].

Les moteurs à soupapes latérales restèrent d'ailleurs la norme dans l'industrie jusqu'à la fin des années 1940, années à partir desquelles ils commencèrent à être supplantés par les moteurs OHV.

Arrivée des moteurs à arbre à cames en tête

Le premier moteur à arbre à cames en tête (et soupapes en tête) remonte à 1902[11], mais l'utilisation de cette conception jugée coûteuse fut longtemps limitée aux voitures luxueuses ou à hautes performances (Rolls-Royce, Isotta Fraschini, Duesenberg, Mercedes-Benz, Hispano-Suiza, Bugatti, etc.). Les moteurs à arbre à cames et soupapes en tête sont progressivement devenus courants à partir des années 1950.

Alfa-Romeo développe ainsi des moteurs à double arbres à cames et soupapes en tête sur ses modèles sport (Alfa Romeo 6C) dès 1927 puis démocratise ce système en 1950 avec un moteur 4-cylindres en fonte d'aluminium de 1 900 cm3 sur l'Alfa Romeo 1900[12].

Lors de la course automobile des 500 miles d'Indianapolis de 1994, l'équipe Penske engage une voiture propulsée par le moteur Mercedes-Benz 500I OHV construite sur mesure. En raison d'une faille dans le règlement, ce moteur OHV fut autorisé à utiliser une plus grande cylindrée et une pression de suralimentation plus importante, augmentant considérablement sa puissance par rapport aux moteurs à soupapes latérales utilisés par les autres équipes[réf. nécessaire]. L'équipe Penske se qualifia en pole position et remporta la course avec une confortable avance. Au début du XXIe siècle, plusieurs moteurs V8 OHV de General Motors et Chrysler utilisaient une cylindrée variable pour réduire la consommation de carburant et les émissions d'échappement.

Au début du XXIe siècle, la majorité des moteurs automobiles (à l'exception de certains moteurs V8 nord-américains) utilisent une conception à soupapes en tête. En 2008, le premier moteur OHV de production à utiliser un calage variable des soupapes a été introduit sur la Dodge Viper de quatrième génération[13].

Conception

Les moteurs OHV présentent plusieurs avantages par rapport aux moteurs à soupapes latérales :

  • ensemble globalement plus compact : la conception à cames en bloc d'un moteur OHV se traduit par une taille globalement plus petite par rapport à un moteur à soupapes latérales équivalent[14] [source insuffisante];
  • utilisation du même moulage de culasse pour les deux rangées de cylindres : un moteur à soupapes latérales nécessite que les culasses soient (plus ou moins) conçues en miroir l'une par rapport à l'autre, en raison du système d'entraînement d'arbre à cames (par exemple, courroie/chaîne de distribution) à l'avant de chaque banc de cylindres. Un moteur OHV peut utiliser le même moulage de culasse pour les deux bancs, simplement en le retournant pour le deuxième banc[pas clair] ;
  • système d'entraînement d'arbre à cames plus simple : les moteurs OHV ont un système d'entraînement moins complexe pour l'arbre à cames par rapport aux moteurs à soupapes latérales[14]. La plupart des moteurs à soupapes latérales entraînent l'arbre à cames (ou les arbres à cames) en utilisant une courroie de distribution, une chaîne ou plusieurs chaînes. Ces systèmes nécessitent l'utilisation de tendeurs, ce qui ajoute de la complexité. En revanche, un moteur OHV avec son arbre à cames positionné à proximité du vilebrequin peut être entraîné par une chaîne beaucoup plus courte ou même un train d'engrenages direct[réf. nécessaire]. Cet avantage est cependant un peu compensé par un train de soupapes plus complexe nécessitant des poussoirs ;
  • système de lubrification plus simple : les culasses OHV nécessitent uniquement une lubrification pour les culbuteurs à l'extrémité de la tige de poussée, au tourillon et à l'extrémité du culbuteur. Cette lubrification est généralement fournie par les poussoirs eux-mêmes plutôt que par un système de lubrification dédié dans la culasse. Les besoins de lubrification réduits peuvent également permettre l'utilisation d'une pompe à huile plus petite et de moindre capacité[réf. nécessaire].

Par rapport aux moteurs à soupapes latérales, les moteurs OHV présentent cependant des inconvénients :

  • régimes moteur limités (dans le cas d'un arbre à cames latéral) : bien que les moteurs OHV aient des systèmes d'entraînement plus simples pour l'arbre à cames, il y a un plus grand nombre de pièces mobiles dans le train de soupapes (comprenant les poussoirs, les tiges de poussée et les culbuteurs). L'inertie de ces pièces du groupe de soupapes rend les moteurs OHV plus sensibles à l'affolement des soupapes à des régimes moteur élevés[15].
  • contraintes sur le nombre et l'emplacement des soupapes : dans les moteurs OHV, la taille et la forme des orifices d'admission et d'échappement ainsi que la position des soupapes sont limitées par la nécessité de les loger dans le moulage de la culasse.

Risque

Sur un moteur à soupapes en tête, l'affolement de soupapes (impossibilité pour la soupape de revenir à temps sur son siège) peut provoquer la casse du moteur si les têtes de soupapes se déplacent dans la zone balayée par le piston[16].

Solution

Pour éviter l’affolement des soupapes il faut réduire le nombre de pièces en mouvement et leur inertie.

La solution adaptée est celle d'un arbre à cames en tête par rangée de soupapes (soit un ou deux arbres à cames par rangée de cylindres). Ainsi on évite l'emploi de pièces intermédiaires entre l'arbre à cames et la tige de la soupape, ce qui permet d'atteindre des régimes moteur élevés. Une distribution desmodromique permet de supprimer tout ressort de rappel et ainsi d'atteindre des régimes encore plus élevés en limitant les risques de casse moteur.

Cas des moteurs à distribution culbutée

Sur les moteurs à distribution culbutée, de nombreuses pièces en mouvement (soupapes, tiges de culbuteurs, culbuteurs) ont une inertie importante. Les difficultés à surmonter pour faire fonctionner correctement un moteur culbuté à haut régime en limitent la puissance spécifique. Le caractère compact et la simplicité de conception et d'entretien de ces moteurs en a pourtant longtemps justifié l'utilisation dans les véhicules automobiles. Cette utilisation persiste sur des moteurs peu poussés, par exemple les grosses cylindrées américaines.

Notes et références

  1. ↑ Anderson 1977, p. 23-24.
  2. ↑ (en) « Engine history », sur topspeed.com (consulté le ).
  3. ↑ Gunston 1986, p. 171-173.
  4. ↑ « Automotive History: The Curious F-Head Engine », sur web.archive.org, (consulté le )
  5. ↑ (en) Diesel, Rudolf, 1858-1913., Die Entstehung des Dieselmotors., Springer, (ISBN 978-3-642-64948-6, 3-642-64948-3 et 978-3-642-64940-0, OCLC 608881966, lire en ligne), p. 5-62
  6. ↑ (en) William F. Davis, « Cylinder for explosive engines », US Patent,‎ , http://patentimages.storage.googleapis.com/pages/US563140-0.png
  7. ↑ (en) Marco Matteucci, History of the motor car, New York, Crown Publishers, , 400 p. (ISBN 978-0-7064-0000-7, lire en ligne), p. 36
  8. ↑ (en-US) « 1903 Marr Runabout », sur conceptcarz.com (consulté le )
  9. ↑ Dunham 1985, p. 15.
  10. ↑ Dunham 1985, p. 46-48.
  11. ↑ Georgano, G. N. et Andersen, Thorkil Ry., The New encyclopedia of motorcars, 1885 to the present, Dutton, (ISBN 0-525-93254-2 et 978-0-525-93254-3, OCLC 9760660, lire en ligne)
  12. ↑ Jack Stou, « Histoire : L’Alfa Romeo 6C 1750 domine son époque et anticipe l’avenir | Rétro Passion Automobiles » (consulté le )
  13. ↑ « CPDC1_088.4LV10: J1349 Certified Power Engine Data for DaimlerChrysler as used in 2008 Dodge Viper SRT 10 Level 1 - SAE International », sur sae.org (consulté le )
  14. « The Pushrod Engine Finally Gets its Due - Column - Car Reviews - Car and Driver », sur web.archive.org, (consulté le ).
  15. ↑ « Camshaft Configurations - How Camshafts Work | HowStuffWorks », sur web.archive.org, (consulté le ).
  16. ↑ Cela est souvent le cas sur les moteurs a fort taux de compression.

Bibliographie

  • (en) Edwin P. Anderson, Gas engine manual, Indianapolis, T. Audel, , 408 p. (ISBN 978-0-672-23245-9, lire en ligne). 
  • (en) Terry B. Dunham, The Buick : a complete history, Princeton, Princeton Publishing, , 488 p. (ISBN 978-0-915038-47-3, lire en ligne). 
  • (en) Bill Gunston, World encyclopaedia of aero engines, Wellingborough, Patrick Stephens, , 192 p. (ISBN 978-0-85059-717-2, lire en ligne). 

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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