Où sont tous les moteurs sans came ?

Jul 11, 2023

Les voitures électriques font fureur ces derniers temps, mais n'oublions pas l'ancienne technologie de veille : la combustion interne. Le moteur à combustion interne moderne est une merveille d’ingénierie. Les moteurs d'aujourd'hui et les systèmes environnants ont une meilleure puissance, une plus grande économie de carburant et des émissions inférieures à tout ce qui a été fait auparavant. Des siècles d'heures d'ingénierie ont été consacrés à l'amélioration de chaque aspect du moteur, à une exception notable près. Aucun constructeur automobile n'a été en mesure d'éliminer l'arbre à cames du moteur dans un véhicule de production à pistons. L’ironie est que les moteurs sans cames sont relativement faciles à construire. Le pirate informatique moyen pourrait modifier un petit moteur à quatre temps pour un fonctionnement sans came dans son atelier. Même s’il ne s’agit pas d’un appareil pratique, ce serait un excellent banc d’essai pour l’expérimentation et l’apprentissage.

Un moteur à essence multicylindre est une danse complexe. Des centaines de pièces doivent se déplacer de manière synchronisée. Les soupapes s'ouvrent et se ferment, les injecteurs vaporisent du carburant, les bougies d'allumage s'allument et les pistons montent et descendent. Tous suivent le cycle Otto à quatre temps « Admission, Compression, Combustion, Échappement ». L'arbre à cames contrôle une grande partie de cela en ouvrant et en fermant les soupapes d'admission et d'échappement à ressort du moteur. Les lobes de l'arbre appuient sur les poussoirs qui déplacent ensuite les tiges de valve et les valves elles-mêmes. L'arbre à cames lui-même est entraîné à la moitié de la vitesse du vilebrequin via des pignons de distribution, des chaînes ou une courroie. Certains systèmes de soupapes sont relativement simples, comme les moteurs à cames en tête. D'autres, comme la conception à came dans le bloc, sont plus complexes, avec des tiges de poussée, des culbuteurs et d'autres pièces nécessaires pour traduire le mouvement du lobe de came en mouvement au niveau de la valve.

Le moment et la vitesse exacts d'ouverture d'une vanne sont déterminés par le profil du lobe de came. Les amateurs de course automobile et de performances remplacent souvent les arbres à cames par des arbres à profils plus agressifs et des décalages de calage différents en fonction des exigences du moteur. Mais tout a un coût. Un arbre à cames usiné pour une puissance maximale ne fonctionnera généralement pas bien au ralenti et rendra le démarrage du moteur plus difficile. Un profil de lobe trop agressif peut entraîner un flottement des soupapes, où les soupapes ne s'assoient jamais complètement à un régime élevé.

Les constructeurs de moteurs ont passé des années à contourner les limites de l’arbre à cames. Les résultats sont une myriade de solutions propriétaires. Honda a VTEC, abréviation de Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. Toyota a le VVT-i. BMW a VANOS, Ford a VCT. Tous ces systèmes offrent des moyens d'ajuster l'action de la vanne dans une certaine mesure. VANOS fonctionne en permettant à l'arbre à cames de tourner légèrement de quelques degrés par rapport à son calage normal, semblable au déplacement d'une dent ou deux sur la chaîne de distribution. Bien que ces systèmes fonctionnent, ils ont tendance à être mécaniquement complexes et coûteux à réparer.

La solution simple serait d'opter pour un moteur sans cames. Cela signifierait éliminer l’arbre à cames, la courroie de distribution et la plupart du matériel associé. Des solénoïdes ou des actionneurs hydrauliques ouvrent et ferment les vannes d'un nombre infiniment variable de manières. Les vannes peuvent même rester ouvertes indéfiniment, arrêtant ainsi efficacement un cylindre lorsque la puissance maximale n'est pas nécessaire.

Alors pourquoi ne conduisons-nous pas tous des moteurs sans cames ? Il y a quelques raisons. Les avantages des moteurs sans cames par rapport aux moteurs à arbre à cames sont analogues aux avantages de l'injection électronique de carburant (EFI) par rapport aux carburateurs. À la base, un injecteur de carburant est une électrovanne commandée. La pompe à carburant fournit une pression constante. L'unité de commande du moteur (ECU) déclenche les injecteurs juste au bon moment pour injecter du carburant dans les cylindres. L'ordinateur laisse également les soupapes ouvertes suffisamment longtemps pour que la bonne quantité de carburant soit injectée pour la position actuelle du papillon. Électroniquement, cela ressemble beaucoup à ce qui serait requis pour un moteur sans cames. Alors ça donne quoi ?

Les hackers dans la trentaine et au-delà se souviendront que jusqu'à la fin des années 1970 et au début des années 1980, le carburateur était roi. Les entreprises expérimentaient l'EFI depuis les années 1950. Le système n'est devenu courant que lorsque les lois strictes sur la pollution des années 70 sont entrées en vigueur. Fabriquer un moteur à carburateur propre et économe en carburant était possible, mais il y avait tellement d'actionneurs mécaniques et électroniques nécessaires que l'EFI était une meilleure alternative. Ainsi, les lois des années 70 ont effectivement réglementé la disparition des carburateurs. Nous envisageons à peu près la même chose avec les moteurs sans cames. Ce qui manque, ce sont les réglementations pour imposer le problème.