Dans notre dernière chronique, nous avons introduit la notion du calage des soupapes, soit le timing d’ouverture et de fermeture des soupapes, en passant par un réexamen du fonctionnement essentiel d’un moteur quatre-temps. Comme c’est souvent le cas dans la vie, la réalité quant au fonctionnement du moteur à cames est plus nuancée que ce dont nous avons présenté. En effet, un moteur fidèle au calage présenté (soit avec les valves qui ouvrent précisément au PMH et PMB) serait efficace qu’à très bas régime. Dans les moteurs de motos modernes, on demande aux soupapes de rester ouvertes plus longtemps que dans notre moteur symbolique. Pourquoi, donc?
Inertie et vitesse obligent
Avant de procéder, il est important de comprendre que les gaz (ou l’air), tout comme les liquides et les solides, sont assujettis à l’inertie, soit la tendance à maintenir leur vitesse. En d’autres mots, lorsqu’immobiles, les gaz cherchent à rester ainsi et une fois en mouvement, ils veulent rester en mouvement (pensez aux difficultés à freiner un autobus scolaire, par exemple). Par inférence, l’accélération n’est pas instantanée et activer un corps au repos requiert du temps et de l’énergie.
Autre point important est que les processus en question (l’ouverture et la fermeture des soupapes dans un moteur) ont lieu dans un milieu où tout se passe très rapidement, soit celui d’un moteur en pleine révolution. La période de temps disponible est donc plutôt courte (et dans certains cas, très, très courte!)
L’art de respirer
Alors, en gardant en tête les deux points soulevés ci-dessus, nous pouvons maintenant nous tourner vers notre moteur modèle afin de comprendre la nécessité et les avantages de prolonger le calage. Cette fois, toutefois, notre examen va débuter durant le cycle de combustion. Donc, les deux soupapes sont fermées et la bougie vient de faire feu. La flamme se propage et les gaz sont en expansion (leur volume augmentant de façon importante), créant une hausse importante de pression. Les gaz sont captifs, mais le temps approche rapidement où ils devront être expulsés du cylindre. Les ingénieurs, prenant en considération l’inertie de ceux-ci, ensemble avec le temps très limité pour les évacuer, choisissent donc d’ouvrir la soupape d’échappement avant que le piston se rende au PMB. Dans les faits, la grosse majorité de l’énergie dégagée par la combustion (et donc l’expansion) des gaz est épuisée, mais il en reste assez pour débuter leur expulsion par la lumière d’échappement. Le vidage du cylindre débute, le piston atteint le PMB et commence à remonter vers le PMH. Le piston approchant le PMH, la vaste majorité des gaz est sortie du cylindre, les derniers vestiges de ceux-ci se déplaçant maintenant très rapidement (et créant de l’inertie). Ce déplacement rapide crée un vide partiel derrière eux et, par le fait même, crée la condition idéale pour l’ouverture de la soupape d’admission. Aussitôt celle-ci ouverte, les gaz d’admission se font pousser dans le cylindre par la pression atmosphérique. À ce moment précis, les deux soupapes sont ouvertes simultanément, créant un phénomène que l’on appelle le chevauchement des soupapes. Le piston arrive ensuite au PMH et la soupape d’échappement se ferme, évitant que le flux d’air sorte directement par la lumière d’échappement. La course du piston se poursuit vers le PMB et le mélange continue à entrer dans le cylindre. Sans grande surprise, le mélange, maintenant rendu à haute vélocité, crée de l’inertie à son tour. Une fois le piston arrivé au PMB, le piston ne crée plus de vide, mais les gaz d’admission, eux, en raison de leur inertie, continuent à entrer dans le cylindre. Cherchant à tirer un avantage maximal de cette tendance, les ingénieurs tiendront la soupape ouverte jusqu’à ce que la pression montante dans le cylindre (produite par la remontée du piston) neutralise l’inertie du flux d’air, maximisant ainsi le volume d’air dans le cylindre. Dans le meilleur des cas, avec un design et une calibration efficaces, il est possible d’avoir un moteur qui possède une efficacité volumétrique plus haute que 100%. En d’autres mots, le volume d’air admis dans le cylindre dépasse sa cylindrée.
