Leçon de mécanique : le moteur à 4 temps

Son cycle se décompose en 4 temps moteur, et sur deux tours complet, soit 720^o.
On retiendra, de manière générale, ce mode de fonctionnement. Il est devenu le standard. Ce type de moteur s'est généralisé sur plus de 95% de la production des motos de séries actuelles.

Son cycle se décompose en 2 temps moteur, et ce sur un tour complet, soit 360^o.
Ce moteur très répandu, s'utilise principalement sur les motos de course de haut niveau et paradoxalement sur beaucoup de scooters et de motos de faibles cylindrée.

Pour comprendre le fonctionnement d'un moteur "4 temps" il faut connaître les pièces qui le composent.

1. CAME: (Rouge)
Montée sur un arbre, cette pièce non circulaire sert à transformer un mouvement rotatif en mouvement de poussée.

2. SOUPAPE: (Orange)
Obturateur mobile maintenu en position fermée par un ressort. Elle s'ouvre momentanément sous la pression de la came.

3. BOUGIE: (Jaune)
Elle fait jaillir une étincelle qui met le feu au mélange air/essence, créant une explosion.

4. PISTON: (Bleu)
Pièce cylindrique mobile, qui sert à comprimer les gaz en vue d'une explosion, et qui après l'explosion transforme un énergie thermique en énergie mécanique.

5. BIELLE: (Turquoise)
Tige rigide, articulée à ses deux extrémités. Elle transforme un mouvement linéaire en mouvement rotatif.

6. VILEBREQUIN: (Vert)
Arbre articulé en plusieurs paliers excentrés. Transmet indirectement l'énergie mécanique à la boîte.

7. DISTRIBUTION: (Violet)
Mécanisme de régulation d'entrée et de sortie des gaz à travers la chambre de combustion. Créant une parfaite coordination entre les arbres à came et le vilebrequin.

8. CHAMBRE DE COMBUSTION: (Gris)
Chambre hermétique où est injecté le mélange air/essence pour y être comprimé, enflammé, et créer une énergie mécanique.

9. LUBRIFICATION: (Marron)
Les pièces situées sous le piston baignent dans l'huile. Cette huile n'est jamais en contact avec le dessus du piston. Elle lubrifie: Vilebrequin, Bielle, Piston, et parfois c'est la même qui lubrifie la boîte de vitesse. (A la différence des 2 temps, ou la boite est séparée du moteur.)

Etape 1 : L'admission
Durant l'admission, la soupape d'échappement est fermée et la soupape d'admission est ouverte. Le piston descend donc créer 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'auto-allumage.

Etape 3 : La détente (ou explosion)
Le piston arrivé à son point le plus haut, une étincelle jaillit entre les électrodes de la bougie provoquant l'inflammation des gaz. Il en résulte une élévation de la pression et de la température poussant 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 ce seul orifice.

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.

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.

Les deux étapes suivantes (compression et détente) ne font pas parties de la distribution car les deux soupapes sont fermées.

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

La came peut commander la soupape directement avec un poussoir, mais elle peut également utiliser des basculeurs tels que le linget ou le culbuteur.

Les soupapes peuvent être commandées par un simple arbre à cames en tête. Cela signifie que l'arbre à came s’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, poussoirs ou basculeurs.

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 hémisphérique pour favoriser le flux des gaz, un angle entre la soupape d'admission et d'échappement très élevé (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, on la trouve encore sur la Honda Goldwing 1200.

Au vue de la limitation des performances des 2 soupapes et la difficulté à adapter le double arbre à came en tête, le nombre de soupapes par cylindre a doublé pour arriver à 4 soupapes par cylindre. Les études ont en effet montré que la disposition de 4 petites soupapes à angle fermé offre un meilleur rendement que 2 grosses soupapes.

Mais attention, cette architecture n'a pas été inventée dans ces années. Elle était déjà largement utilisée en automobiles avant la première guerre mondiale...
Les angles entre les soupapes d'admission et d'échappement varient entre 35 et 50°. Cette technologie est aujourd'hui la plus utilisée dans le monde de la moto. En effet, la disposition du double arbre à cames en tête ne pose aucun problème mais il existe une proximité entre le ou les arbres à cames et les fixations de la culasse.