Moteur à soupapes en tête

Prototype du moteur diesel de 1894 à soupapes en tête

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. Les moteurs à combustion interne commençant à se développer séparément des moteurs à vapeur, les moteurs à soupapes sont devenus de plus en plus courants, la plupart des moteurs jusqu'aux années 1950 utilisant une conception à soupapes latérale (« flathead » en anglais)[3].

À partir de 1885 et du Daimler Reitwagen, plusieurs voitures et motos utilisaient des soupapes d'admission situées dans la culasse actionnées par le vide («atmosphériques») plutôt que par un arbre à cames comme sur les moteurs OHV classiques. Les soupapes d'échappement étaient elles entraînées par un arbre à cames situé dans le bloc moteur comme pour les moteurs à soupapes latérales.

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[4]^,[5], devenant ainsi l'un des premiers moteurs OHV. En 1896, le brevet américain 563 140 fut enregistré par William F. Davis pour un moteur OHV utilisant un liquide de refroidissement pour refroidir la culasse[6]^,[7]. Cependant aucun moteur fonctionnant avec cette technologie ne fut réellement construit à cette époque.

Moteurs OHV en production

1904 Brevet Buick pour un moteur à soupapes en tête

En 1898 aux États-Unis, le fabricant de vélos Walter Lorenzo Marr construisit un prototype de tricycle motorisé par un monocylindre OHV[8]. Marr fut embauché par Buick (alors nommé Buick Auto-Vim and Power Company ) de 1899 à 1902, période durant laquelle la conception du moteur à soupapes en tête fut améliorée[9]. Ce moteur employait des culbuteurs actionnés par des poussoirs, qui à leur tour ouvraient les soupapes parallèles aux pistons.

Marr retourna chez Buick en 1904 (après avoir construit une petite quantité de Marr Auto-Car, avec le premier moteur, connu, à utiliser la technologie d'arbre à cames en tête), la même année ou Buick dépose un brevet pour un moteur à soupapes en tête. Le premier moteur OHV de production du monde équipa le modèle Buick B. Le moteur était un bicylindre à plat avec deux soupapes par cylindre. Ce moteur permit à Buick d'obtenir beaucoup de succès, la société vendant 750 de ces voitures en 1905.

Plusieurs autres fabricants commencèrent à produire des moteurs OHV, comme le moteur à 4 cylindres vertical des frères Wright (1906-1912)[10]^,[11].

Cependant, les moteurs à soupapes latérales restèrent la norme jusqu'à la fin des années 1940, années à partir desquelles ils commencèrent à être remplacés par des moteurs OHV.

Moteur V8 (sans collecteur d'admission), montrant l'arbre à cames, les tiges de poussée et les culbuteurs

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].
• 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.
• 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 une train d'engrenages direct. Ceci est cependant quelque peu annulé par un train de soupapes plus complexe nécessitant des poussoirs.
• Système de lubrification plus simple : les exigences de lubrification pour les culasses OHV sont bien moindres, en raison du manque d'arbre à cames et de roulements associés à lubrifier. 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 signifier l'utilisation d'une pompe à huile plus petite et de moindre capacité.

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

• Régimes moteur limités : 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 soupape à des régimes moteur élevés[1].
• Contraintes sur la quantité et l'emplacement des soupapes : les moteurs à soupapes latérales ont souvent quatre soupapes par cylindre alors qu'il est rare qu'un moteur OHV ait plus de deux soupapes par cylindre. Dans les moteurs OHV, la taille et la forme des orifices d'admission ainsi que la position des soupapes sont limitées par les poussoirs et la nécessité de les loger dans le moulage de la culasse.

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[15].

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. Ainsi on enlève des pièces intermédiaires lourdes entre la came de 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 d'atteindre des régimes encore plus élevés sans risque de casse moteur.

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.