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Moteur à soupapes latérales

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Un élément de moteur à soupapes latérales vu de dessus, culasse ôtée : les soupapes sont visibles sur le côté gauche du cylindre.

Le moteur à soupapes latérales a eu son heure de gloire des années 1910 aux années 1940, tant en automobile (moteurs Ford V8 Flathead) qu'en moto (moteurs Harley-Davidson Flathead 1929-1974[1]).

Il s'agit d'un moteur à quatre temps dont l'admission et l'échappement ne se font pas au-dessus du cylindre (tête du cylindre), comme dans les moteurs à soupapes en tête, mais par une chambre latérale, parallèle à celle du cylindre.

Robuste et facile à fabriquer, le moteur à soupapes latérales sera très largement utilisé par l'industrie des véhicules automobiles jusqu'à la fin des années 1940, puis sera progressivement supplanté par les moteurs à soupapes en tête, plus performants.

Contexte historique : optimiser l'efficacité des moteurs et l'action des soupapes

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Coupe d'un moteur à soupapes latérales.

L'utilisation de moteurs à soupapes se généralise à partir des années 1880. Les fabricants de moteurs explorent plusieurs variantes de disposition et d'activation des soupapes, cherchant à combiner d'une part facilité de fabrication, de réglages et de réparation, et, d'autre part, efficacité énergétique. Parmi les variantes les plus anciennes se trouvent les moteurs à soupape d'échappement latérale et soupape d'admission automatique[2], architecture qui assurera le succès des moteurs De Dion-Bouton[3]. Apparaissent ensuite les premiers moteurs dont toutes les soupapes sont commandées : les moteurs à soupapes latérales. Leurs soupapes d'échappement comme d'admission sont commandées par un arbre à cames situé en bas du bloc moteur et disposées sur le côté des cylindres. Cette architecture est très robuste et facile à fabriquer : elle sera très largement utilisée dans les moteurs de motos et d'automobiles jusqu'à la Seconde Guerre Mondiale. Elle a cependant une efficacité énergétique limitée et se prête mal aux taux de compression élevés[4]. Pour dépasser ces limitations, les architectures moteurs évoluent avec des soupapes situées en haut des culasses[5], historiquement culbutées puis actionnées par un arbre à cames en tête, qui supplantent progressivement les moteurs à soupapes latérales dans la seconde moitié du XXe siècle.

Caractéristiques techniques

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Description générale

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Moteur à soupapes latérales en fonctionnement (culasse ôtée).

Le bloc moteur d'un moteur à soupapes latérales contient le cylindre et ses soupapes[6]. Celles-ci sont disposées parallèlement au cylindre, leurs queues orientées vers le vilebrequin, et évoluent dans un espace distinct de celui balayé par le cylindre. Elles sont actionnées par un arbre à cames situé dans le bas du bloc moteur et rappelées en position fermée par des ressorts. La chambre de combustion (et d'échappement) a une surface plus grande que le piston, car elle englobe également la surface des soupapes[4].

Deux variantes de disposition des soupapes ont été utilisées : en L et en T[7]. Dans la configuration en L, la plus courante, les soupapes sont toutes du même côté du cylindre. Dans une configuration en T, elles sont de part et d'autre du cylindre.

  • Configuration en L : les soupaes sont du même côté du cylindre.
    Configuration en L : les soupapes sont du même côté du cylindre.
  • Moteur de Ford T produit à partir de 1908 : 4 cylindres en ligne à soupapes latérales en L. Remarquer sur la culasse la forme de la chambre de combustion (en jaune), et le trou de fixation de la bougie d'allumage.
    Moteur de Ford T produit à partir de 1908 : 4 cylindres en ligne à soupapes latérales en L. Remarquer sur la culasse la forme de la chambre de combustion (en jaune), et le trou de fixation de la bougie d'allumage.
  • Configuration en T : les soupapes sont de part et d'autre du cylindre.
    Configuration en T : les soupapes sont de part et d'autre du cylindre.

Comparaison avec les moteurs à soupapes en tête

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Soupape et flux d'admission avec soupape en tête (à gauche) et latérale (à droite).

La figure ci contre illustre la disposition d'une soupape d'admission en tête et latérale et permet de relever certaines différences entre les deux configurations.

Avantages du moteur à soupapes latérales

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  • le moteur à soupapes latérales est moins haut que son homologue à soupapes en tête, notamment grâce à sa culasse plate, qui lui vaut l'appellation "Flat Head" en anglais ;
  • les soupapes latérales, même déréglées ou "affolées", ne peuvent entrer en collision avec le cylindre, contrairement à celles situées en tête ;
  • la culasse est simple, et n'est percée que pour le passage des bougies d'allumage ;
  • il y a moins de pièces mobiles que dans une configuration à soupapes en tête et la distribution est plus simple : pas de tiges de culbuteurs, de culbuteurs ou d'arbre à cames en tête.

Inconvénients/limitations du moteur à soupapes latérales

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  • la circulation des gaz à l'admission comme à l'échappement, est moins efficace ;
  • le taux de compression est plus faible ;
  • la répartition thermique est mauvaise, pouvant amener à une déformation du plan de joint[8] ;
  • la propagation du front de flamme lors du cycle de combustion est moins régulière que dans un moteur à soupapes en tête.

Plus facile à fabriquer et, jusqu'au milieu du XXe siècle, plus robuste et plus facile à maintenir que celui à soupapes en tête, le moteur à soupapes latérales est le plus répandu pour équiper les véhicules automobiles. Mais malgré plusieurs améliorations, notamment celles dues au motoriste britannique Harry Ricardo[9], il reste moins performant que son homologue à soupapes en tête.

Exemples historiques d'utilisation

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Motos

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De très nombreuses marques de motos, européennes comme américaines, ont utilisé des moteurs à soupapes latérales, principalement des années 1910 aux années 1940. Quelques exemples sont donnés dans le tableau ci-dessous :

Marque Nationalité Modèle Année Cylindres Cylindrée (cm3) Puissance (ch)
AJS Drapeau du Royaume-Uni Royaume-Uni D[10] 1912 2 en V 698
BMW Drapeau de l'Allemagne Allemagne R32[11] 1923 2 à plat 494 8,5
BSA Drapeau du Royaume-Uni Royaume-Uni B[12] 1924 1 249 3,5
FN Drapeau de la Belgique Belgique M13[13] 1948 1 449 11
Harley-Davidson Drapeau des États-Unis Etats-Unis WLD[14] 1937 2 en V 737 25
Indian Drapeau des États-Unis Etats-Unis Scout[15] 1920 2 en V 750 18
Megola Drapeau de l'Allemagne Allemagne Racing[16] 1921 5 en étoile 640 14
Motosacoche Drapeau de la Suisse Suisse Jubile 424[17] 1932 1 498
Peugeot Drapeau de la France France 250[18] 1932 1 248
Triumph Drapeau du Royaume-Uni Royaume-Uni SD[19] 1920 2 en ligne 550 5,5
Zündapp Drapeau de l'Allemagne Allemagne K800[20] 1933 4 à plat 800 22

Certains constructeurs ont utilisé simultanément pendant plusieurs décennies les deux configurations proposant souvent les soupapes en tête (ohv) pour leurs modèles "sportifs" et de compétition, et les soupapes latérales (sv) pour leurs modèles plus utilitaires. Ainsi, par exemple, BMW a lancé simultanément des modèles de chacune de ces deux architectures à plusieurs reprises dans les années 1920-1930[21], notamment R52(sv)/R57(ohv) et R62(sv)/R63(ohv) en 1928[22], R11(sv)/R16(ohv) en 1929[23], ou encore R12(sv)/R17(ohv) en 1935[22], les modèles ohv délivrant environ 50% de puissance de plus que leurs homologues à soupapes latérales[24].

Même si la plupart des modèles de motos à quatre temps lancés après la seconde guerre mondiale sont à soupapes en tête, plusieurs constructeurs vont continuer pendant quelques années à proposer des motorisations à soupapes latérales. Harley-Davidson commercialisera même son Servi-car ainsi motorisé jusqu'en 1973[25].

  • Motos à moteur à soupapes latérales
  • Triumph SD (1922) : les queues de soupapes sont visibles dans les ressorts de rappel.
    Triumph SD (1922) : les queues de soupapes sont visibles dans les ressorts de rappel.
  • Megola (1922): très rare configuration de moteur rotatif en étoile, disposé sur la roue avant de la moto.
    Megola (1922): très rare configuration de moteur rotatif en étoile, disposé sur la roue avant de la moto.
  • Zündapp K800 attelée (1934) : moteur à 4 cylindres à plat opposés 2 à 2.
    Zündapp K800 attelée (1934) : moteur à 4 cylindres à plat opposés 2 à 2.
  • Harley-Davidson WLA (1940), version militarisée du modèle civil WL produite durant la Seconde Guerre Mondiale.
    Harley-Davidson WLA (1940), version militarisée du modèle civil WL produite durant la Seconde Guerre Mondiale.

Automobiles

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Les moteurs à soupapes latérales sont très répandus dans l'industrie automobile à partir des années 1910, tant en Europe qu'aux États-Unis. Ils équipent toutes sortes de modèles, luxueux comme populaires, civils comme militaires, berlines comme utilitaires. Parmi ces modèles, pour illustrer cette grande variété, on peut citer :

  • Ford T, produite à plus de 15 millions d'exemplaires entre 1908 et 1927 : son moteur est un quatre cylindres en ligne de 2,9 l délivrant 20 ch. De 1932 au début des années 1950, Ford équipera de son V8 "Flathead" de très nombreux modèles de berlines (Ford 1932/1935/1937/1941, etc. ), ainsi que des pickups (F-series), des camions (Ford Model BB, Ford V8-51, Ford 77-81, etc.) : plus de 25 millions de ces moteurs seront fabriqués[26] ;
  • Citroën Type C 5 lancée en 1922 , l'une des premières automobiles européennes de grande série : son moteur est un quatre cylindres en ligne de 856 cm3 délivrant 11 ch ;
  • Renault Primaquatre (1931) dotée d'un moteur à quatre cylindres en ligne de 2 200 cm3 délivrant 11 ch[27] . Renault utilisera ce type de moteur jusqu'au début des années 1960, sur différentes berlines (la dernière étant la Colorale) ainsi que des utilitaires légers, comme la Goëlette, des tracteurs agricoles, tel le Renault YL, et des véhicules militaires, comme le Renault 2087 4x4 ;
  • Fiat 500 Topolino, dotée de 1936 à 1947 d'un moteur à quatre cylindres en ligne de 569 cm3 délivrant 13 ch[28] ;
  • Rolls-Royce Silver Ghost lancée en 1907 : son moteur est un six cylindres en ligne de 7 l délivrant 48 ch ;
  • Cadillac Type 51, lancée en 1914 avec un moteur V8 de 5,1 l délivrant 70 ch ;
  • Maybach W3 et W5 (années 1920) dotées d'un moteur six cylindres en ligne à soupapes latérales en L (W3) et en T (W5)[29] ;
  • Dodge WC, famille de véhicules militaires américains fabriqués durant la seconde guerre mondiale et dotés de moteurs 6 cylindres en ligne[30] ;
  • le Sherman M4, char américain le plus produit durant la Seconde Guerre Mondiale, eut plusieurs motorisations. 7500 exemplaires de ce char furent dotés du moteur Chrysler A57 Multibank à 30 cylindres et 21 l de cylindrée délivrant 370 ch. Le Multibank était constitué par l'assemblage de cinq moteurs Chrysler Straight Six à six cylindres en ligne, moteur qui équipait alors certains modèles automobiles de la marque[31].
  • Quelques exemples de véhicules à moteurs à soupapes latérales
  • Rolls-Royce Silver Ghost Coupé (1922).
    Rolls-Royce Silver Ghost Coupé (1922).
  • Citoën 5 HP Trèfle (1925).
    Citoën 5 HP Trèfle (1925).
  • Ford 1932 Coupe, très prisée des amateurs de Hot rod.
    Ford 1932 Coupe, très prisée des amateurs de Hot rod.
  • Sherman M4A4 (années 1940).
    Sherman M4A4 (années 1940).
  • Les moteurs de ces véhicules
  • Rolls-Royce Silver Ghost à 6 cylindres en ligne (années 1920).
    Rolls-Royce Silver Ghost à 6 cylindres en ligne (années 1920).
  • Citroën 5 HP (1924) : 4 cylindres en ligne
    Citroën 5 HP (1924) : 4 cylindres en ligne
  • Ford V8 Flathead (1937).
    Ford V8 Flathead (1937).
  • Chrysler A57 multibank à 30 cylindres (années 1940).
    Chrysler A57 multibank à 30 cylindres (années 1940).

Déclin et quasi disparition des moteurs à soupapes latérales

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Durant les années 1930, les moteurs à soupapes en tête font de grands progrès, notamment en termes de fiabilité, d'encombrement et de bruit. Initialement réservés à des véhicules luxueux ou sportifs, ils coexistent pendant plusieurs décennies avec leurs homologues à soupapes latérales et sont progressivement installés même sur des véhicules de grande série et populaires : Volkswagen Coccinelle (1938), Renault 4CV (1947), Citroën 2CV (1948), etc. À la fin des années 1960, la plupart des véhicules à moteur quatre temps en cours de commercialisation sont à soupapes en tête, culbutées ou à arbre à cames en tête. Les moteurs à soupapes latérales seront encore utilisés quelques années sur des véhicules à vocation utilitaire (camions, camionnettes, Servi-car, etc.).

Les moteurs à soupapes disparaissent ensuite presque complètement. On les trouve encore sur des engins utilitaires, notamment des tondeuses autotractées, des déneigeuses, etc[32].

En 2019, un fabricant belge annonce le développement du moteur D-Motor LF26 (quatre cylindres à plat, à injection indirecte, avec soupapes latérales et à faible vitesse de rotation) destiné aux drones et hélicoptères légers[33].

Notes et références

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  1. ↑ « Moteur FLAT-HEAD Harley-Davidson par Passion-Harley® », sur passion-harley.fr (consulté le ).
  2. ↑ Dans ce type de moteur, la soupape d'admission s'ouvre sous l'effet d'aspiration créé par la descente du piston. Elle est rappelée en position fermée par un ressort.
  3. ↑ Potherat 1987, p. 32-35.
  4. ↑ a et b Ricardo 1953, p. 37.
  5. ↑ Potherat 1987, p. 75.
  6. ↑ Le texte décrit la configuration monocylindre. Il peut être étendu à chaque cylindre d'un moteur en ayant plusieurs.
  7. ↑ Anderson 1977, p. 23-24.
  8. ↑ Plan entre le bloc moteur et la culasse.
  9. ↑ Ricardo 1953, p. 84-87.
  10. ↑ Wilson 1995, p. 13.
  11. ↑ Wilson 1995, p. 26.
  12. ↑ Wilson 1995, p. 36.
  13. ↑ Wilson 1995, p. 63.
  14. ↑ Wilson 1995, p. 72.
  15. ↑ Wilson 1995, p. 104.
  16. ↑ Wilson 1995, p. 126.
  17. ↑ Wilson 1995, p. 133.
  18. ↑ Wilson 1995, p. 155.
  19. ↑ Wilson 1995, p. 181.
  20. ↑ Wilson 1995, p. 207.
  21. ↑ Knittel 1996, p. 9, 20.
  22. ↑ a et b « BMW R 17 1935 - Moto Passion - Moto Collection François-Marie DUMAS », sur www.moto-collection.org (consulté le )
  23. ↑ « BMW R 16 1929 - Moto Passion - Moto Collection François-Marie DUMAS », sur www.moto-collection.org (consulté le )
  24. ↑ Knittel 1996, p. 167.
  25. ↑ Wilson 2000, p. 178.
  26. ↑ (en) Frank Oddo, Ford flathead V8 builder's handbook, Tucson, Fisher Books, , 164 p. (ISBN 978-1-55561-119-4, lire en ligne), p. 1-12
  27. ↑ « LES MOTEURS DE LA JUVAQUATRE », sur www.jrhp.fr (consulté le )
  28. ↑ « Fiat 500 Topolino », sur www.fcaheritage.com (consulté le )
  29. ↑ « Maybach, la marque allemande la plus prestigieuse de l'entre-deux-guerres - Absolutely Cars », sur absolutelycars.fr, (consulté le )
  30. ↑ « Reconditionnement moteur 6 cylindres Dodge », sur Techni-tacot.com, (consulté le )
  31. ↑ (en) « The Chrysler A57 Page | The Sherman Tank Site » (consulté le )
  32. ↑ « 271890 MANUEL DE RÉPARATION MOTEUR HP MONOCYLINDRE BRIGGS & STRATTON ® », sur L'autoporté.com (consulté le )
  33. ↑ « D-Motor Ligthweigth Drone Engines », sur D-Motor bv (consulté le ).

Bibliographie

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Liens externes

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