Notions de base | Arbre à cames

Arbre à cames pour M8
Cam profile terms

PMH / TDC : Point Mort Haut / Top Dead Center

PMB / BDC : Point Mort Bas / Bottom Dead Center

Le positionnement des cames sur l’arbre va influencer grandement le comportement moteur.
Il faut considérer ce positionnement individuellement pour chaque came et globalement pour les positions relatives des deux cames entre elles.
On peut diviser ces différentes variables en deux groupes suivant qu’elles sont liées à la forme ou au positionnement de la came.

Exemple de came

1 – Variables liées à la forme des cames

Durée / Duration : La durée est la période de temps pendant laquelle la soupape est ouverte, mesurée en degré de rotation du vilebrequin (Angle d’ouverture).

Levée / Lift : La levée est directement liée à la hauteur de la came et correspond à l’ouverture de la soupape mesurée en 100ème de pouce.

2 – Variables liées au positionnement des cames

a) Positionnement individuel des cames

Camshaft running Scheme

Intake Opening Point : Point d’ouverture de l’admission ou Angle d’Avance de l’Ouverture de l’Admission (AOA).
Sa valeur est calculée par rapport au PMB, PMH ou TDC qui le suit, donc plus la valeur augmente, plus l’ouverture est précoce.
Ce point influence la quantité de mélange frais qui est admise dans le moteur et par là-même la réponse de la poignée de gaz, la consommation et les émissions polluantes.
A bas régime, une ouverture précoce entraine une augmentation de la durée du croisement de soupapes, ce qui peut provoquer une contamination de la charge de gaz frais par les gaz d’échappements, avec pour conséquence un ralenti irrégulier et des émissions polluantes en hausse.
Dans les mêmes conditions, une ouverture tardive donnera un fonctionnement régulier au ralenti et dans les régimes les plus bas.
A moyens et hauts régimes, par contre, l’ouverture précoce permet de profiter de l’effet de siphon des gaz d’échappement lors du croisement des soupapes pour améliorer le remplissage de la chambre de combustion, au risque d’augmenter légèrement la consommation car une partie de la charge fraiche peut passer dans l’échappement.
On réservera donc les ouvertures précoces (> 15°) aux arbres destinés aux hauts régimes qui profitent plus du croisement des soupapes. De plus, cela permet d’augmenter l’efficacité volumétrique, à condition que les culasses le permettent.
Ouverture tardive : inférieure à 10°
Fonctionnement régulier au ralenti et à bas régime, mais durée d’ouverture insuffisante pour un bon remplissage à haut régime, consommation réduite.
Ouverture moyenne : entre 10 et 15°
Permet de profiter de l’effet de siphon du croisement de soupapes pour améliorer le remplissage à moyen régime, sans nuire à la régularité à bas régime.
Ouverture précoce : au-delà de 15°
A réserver aux hauts régimes, fonctionnement irrégulier à bas régimes avec hausse de la consommation et des émissions polluantes.

Compression statique vs dynamique
Intake Closing Point : Point de fermeture de l’admission ou Angle de Retard de Fermeture de l’Admission (RFA).
Des quatres points, c’est celui qui va avoir le plus d’influence sur le caractère du moteur.
En effet, ce n’est que lorsque la soupape d’admission est fermée que la compression va commencer réellement à se créer à l’intérieur de la chambre de combustion et que le moteur va construire sa puissance (compression dynamique).
Une fermeture précoce de la soupape d’admission va favoriser le couple à bas régime et permettre une large courbe de puissance, tout en réduisant la consommation et les émissions polluantes.
Cependant, lorsque le régime augmente, le temps pendant lequel la soupape reste ouverte est trop faible pour permettre l’admission d’une quantité suffisante de gaz frais et les performances à haut régime en souffriront. De plus, si le taux de compression est déjà relativement élevé (proche de 10:1), le mélange risque d’être « sur-compressé » et on s’expose à l’apparition de cliquetis.
Si, par contre, on retarde la fermeture, on favorise les hauts régimes au détriment du couple car la compression maximale ne se fait qu’à partir d’un régime moteur élevé.
Si le taux de compression est inférieur à 10:1, le mélange est « sous-compressé » et les performances en souffrent.
Idéalement des arbres « performance » ayant des durées importantes devront toujours être combinés avec une élévation du taux de compression statique, pour combiner un remplissage important à haut régime avec une compression importante (et donc du couple) à bas régime.
Mais le spectre du cliquetis n’est jamais éloigné et le comportement à bas régime sera très mauvais.
Fermeture précoce : entre 30 et 38°
La compression dynamique est importante, le couple est bien présent dès les bas régimes et aux moyens régimes et le ralenti bien stable.
La compression statique doit être raisonnable < 10:1 pour éviter le cliquetis. Les performances à haut régime sont faibles au-delà de 4800 trs/mn.
Fermeture moyenne : entre 40 et 45°
Le couple à moyen régime reste équivalent, mais la puissance augmente car le nombre de tours/minute s’élève au-delà des 5000 trs/mn.
Le couple au démarrage est un peu réduit, à moins que l’on n’augmente la compression statique en utilisant des joints de culasse plus fins.
Les caractéristiques du système d’échappement deviennent plus critiques.
La température moteur s’élève et le risque de cliquetis augmente.
Fermeture tardive : au-delà de 45°
Le régime utilisable grimpe au-delà des 5500 trs/mn et l’augmentation du taux de compression est indispensable.
Les risques de cliquetis et de chauffe moteur sont importants et les réglages primordiaux pour les éviter.
Ce type de came n’est pas conseillé pour une utilisation routière car son comportement à bas régime est trop instable.

Exhaust Opening Point : Point d’ouverture de l’échappement ou Angle d’Avance Ouverture de l’Échappement AOE).
C’est le deuxième point le plus important du cycle moteur.
Plus il est tardif et meilleures sont les performances à bas régime car la pression dans le cylindre est importante.
Plus il est précoce et meilleures sont les performances à haut régime, car le balayage de la chambre de combustion est plus long et le remplissage meilleur.
Ouverture précoce : supérieur à 50°
Perte de couple à bas et moyen régimes, favorise les hauts régimes.
Ouverture moyenne : entre 40 et 50°
Bon nettoyage et remplissage de la chambre de combustion aux régimes élevés, petite perte de couple à bas régimes mais très bons à moyens régimes.
Ouverture tardive : inférieure à 40°
La plage de régime utilisable sera étroite avec un bon couple à bas régime mais un moteur manquant de stabilité.

Exhaust Closing Point : Point de fermeture de l’échappement ou Angle de Fermeture de l’Échappement (RFE).
Sa valeur est calculée par rapport au PMH qui le précède.
Il va avoir une action sur le croisement de soupapes, en l’augmentant si on le retarde.
Fermeture précoce : entre 0 et 4° = moins de croisement des soupapes
Permet un ralenti régulier et une bonne économie de carburant, sans trop gêner les hauts régimes surtout si elle est combinée avec une ouverture tardive de la soupape d’admission.
Fermeture moyenne : entre 8 et 12° = croisement moyen des soupapes
Donne un bon couple à bas et moyen régimes, une bonne réponse à l’accélération et une consommation raisonnable.
Fermeture tardive : entre 13 et 20° = croisement important des soupapes
Puissance disponible surtout à hauts régimes, avec augmentation des émissions polluantes, de la consommation et un ralenti irrégulier.

b) Positionnement relatif des cames

Positionnement relatif des cames

Croisement des soupapes / Over Lap : La valeur de croisement des soupapes est une caractéristique importante de l’arbre à came car durant cette période se produisent des phénomènes essentiels au fonctionnement du moteur.
Comme les soupapes ne peuvent pas s’ouvrir et se fermer instantanément, leur mouvement progressif impose cette phase de croisement qui permet à la fois une meilleure évacuation des gaz d’échappement et une meilleure admission des gaz frais, particulièrement à haut régime où la vitesse des gaz d’échappement élevée crée un effet de siphon important accélérant l’admission de gaz frais.
Cependant ses effets ne sont efficaces que pour une plage de régime assez étroite en fonction de sa valeur.
La valeur que l’on va lui donner doit donc à la fois permettre un bon rinçage de la chambre de combustion à haut régime tout en évitant la réversion des gaz d’échappement à bas régime, ce à quoi participe grandement le système d’échappement.
Cette valeur efficace est étroitement liée à la fois à la cylindrée, au régime d’utilisation, aux capacités de flux d’air des culasses et au système d’échappement.
On calcule la valeur du croisement en additionnant la valeur d’ouverture de l’admission et la valeur de fermeture de l’échappement pour un arbre donné.
Sans rentrer dans les détails, on peut considérer qu’un croisement important (> 30°) correspond plus à un arbre de moyen à haut régime, alors qu’un croisement plus réduit est plus adapté à un arbre pour bas régime.

Levée au point mort haut / Lift@TDC : Cette valeur indique quelle est la levée de la soupape au PMH durant le croisement des soupapes.
Des valeurs importantes indiquent un arbre qui favorise le croisement et par conséquent plus destiné aux hauts régimes.
En dessous de 0.115 pouces, de Lift@TDC, l’arbre est plus destiné aux bas régimes.

Calage du sommet de came / Lobe Center Line) & Angle de séparation des lobes / LSA : Ces valeurs indiquent le positionnement des centres des lobes sur l’axe de l’arbre et l’angle qui les sépare. Elles donnent une idée de l’allure du croisement des soupapes, l’angle LSA associé à la durée et à la levée permettant de définir le triangle de croisement.
L’angle LSA s’exprime en degré de rotation de l’arbre à came et se situe en général entre 98 et 108°.
Deux arbres à came ayant les mêmes durées et levées peuvent avoir des LSA différents et donc un croisement différent.

3 – Diagramme de distribution

Diagramme de distribution

Ces différentes valeurs caractéristiques que peuvent présenter les arbres à came se retrouvent sous la forme de ce que l’on appelle un « Diagramme de distribution » qui les présente de façon synthétique et comparable d’une came à l’autre (Admission & Échappement).

Djack du Forum V-Twin Injection