Moteur 4 temps : le fonctionnement expliqué, du piston au croisement de soupapes

Admission, compression, combustion, échappement : le cycle 4 temps pas à pas

Un cylindre, un piston qui coulisse dedans, une bielle qui relie ce piston au vilebrequin, et deux portes dans le plafond : la soupape d'admission, par où entre le mélange air-essence, et la soupape d'échappement, par où sortent les gaz brûlés. Tout le moteur 4 temps tient dans ces pièces-là. Le piston fait l'aller-retour entre deux positions extrêmes, le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB).

Entre les deux, la distance parcourue s'appelle la course. Le diamètre du cylindre, c'est l'alésage. Multipliez la surface du piston par la course, puis par le nombre de cylindres : vous obtenez la cylindrée écrite sur votre carte grise.

Le cycle, temps par temps

1. 01
   Admission, de 0 à 180°

   Le piston part du PMH et descend. La soupape d'admission est ouverte : la dépression qu'il crée derrière lui aspire le mélange air-essence préparé par l'injection, ou par le carburateur sur les anciennes. Au PMB, le cylindre est plein.

2. 02
   Compression, de 180 à 360°

   Les deux soupapes se ferment, le piston remonte et écrase le mélange dans la chambre de combustion, le petit volume qui reste au-dessus de lui au PMH. Le rapport entre le volume au PMB et ce volume final, c'est le taux de compression : 10,3 pour 1 sur le V-twin Harley-Davidson de 1 923 cm³, par exemple. Plus il est élevé, plus la combustion rend de travail, jusqu'à la limite du cliquetis.

3. 03
   Combustion-détente, de 360 à 540°

   La bougie enflamme le mélange. La pression grimpe d'un coup et chasse le piston vers le bas : c'est le seul temps moteur, celui qui fournit tout le travail du cycle. On parle de détente parce que ce sont les gaz qui se détendent en poussant. Le mot explosion est trompeur : un moteur sain brûle son mélange par un front de flamme qui avance très vite, il ne détone pas.

4. 04
   Échappement, de 540 à 720°

   Soupape d'échappement ouverte, le piston remonte et pousse les gaz brûlés vers le pot. Au PMH, tout recommence. Entre-temps, le vilebrequin a fait deux tours complets.

Ce cycle porte deux noms, et ils racontent une petite injustice. Le Français Alphonse Beau de Rochas l'a décrit le premier, dans un brevet de 1862. L'Allemand Nikolaus Otto a construit en 1876 le premier moteur qui tourne selon ce principe, et c'est son nom que retiennent les manuels étrangers. Son brevet a pourtant été invalidé en 1886, quand on a exhumé la description de Beau de Rochas. Cycle de Beau de Rochas en France, cycle d'Otto ailleurs : c'est le même.

Deux tours de vilebrequin par cycle, et un seul temps qui pousse

Chaque temps prend un demi-tour, donc le cycle en prend deux. Ce détail change tous les calculs. À 6 000 tr/min, le vilebrequin fait 100 tours par seconde : le piston monte et descend 100 fois par seconde, l'accroche de la vidéo est juste. Mais le cycle complet, lui, ne se produit que 50 fois par seconde. Chaque cylindre reçoit donc 50 combustions par seconde, pas 100, et chaque cycle dure 20 millisecondes, soit 5 millisecondes par temps.

Cinq millisecondes pour remplir un cylindre. Toutes les ruses des motoristes décrites plus bas viennent de là : soupapes qui s'ouvrent avant l'heure, étincelle qui part en avance, course raccourcie sur les sportives. Le simulateur ci-dessous permet de le voir au ralenti, degré par degré.

Reste une question que peu de gens se posent. Si un seul temps sur quatre pousse, qui fait remonter le piston pendant la compression ? L'élan. La combustion lance le vilebrequin et le volant d'inertie, une masse tournante qui stocke cette énergie et la rend pendant les trois temps suivants. Sur un monocylindre, c'est vital : sans cette masse, le moteur calerait dès la première compression venue.

Sur un multicylindre, les autres cylindres prennent le relais. Un 4 cylindres en ligne a toujours un piston en train de pousser, puisqu'il allume un cylindre tous les 180°. Voilà pourquoi il tourne rond au ralenti avec peu de masse d'inertie, quand un gros mono cogne à très bas régime. Un volant lourd lisse le moteur et évite de caler en démarrant ; un volant léger laisse le moteur prendre et perdre ses tours plus vite, ce que cherchent les motos de course.

Soupapes et arbre à cames : qui ouvre quoi, et à quel moment

Aucune soupape ne s'ouvre toute seule. Un ressort la tient fermée, et un arbre à cames la pousse au bon moment : chaque came est un bossage en forme d'œuf qui appuie sur la soupape quand il passe. L'arbre à cames est entraîné par le vilebrequin, le plus souvent par une chaîne, parfois par des pignons ou une courroie. Il tourne deux fois moins vite que lui, pour une raison simple : chaque soupape s'ouvre une fois par cycle, donc une fois tous les deux tours de vilebrequin.

Sur la Honda CB750 de 1969, un seul arbre à cames en tête commandait deux soupapes par cylindre, dans un moteur refroidi par air. Une sportive actuelle a deux arbres à cames en tête, l'un pour l'admission, l'autre pour l'échappement, quatre soupapes par cylindre et un refroidissement liquide. Quatre petites soupapes offrent plus de passage aux gaz que deux grosses dans le même cylindre, et chacune est plus légère, donc plus facile à faire suivre la came quand le régime grimpe.

Ducati a poussé la logique plus loin avec la distribution desmodromique : une came ouvre la soupape, une autre la referme, sans compter sur un ressort. Plus de risque de voir la soupape « flotter », ce moment où le ressort ne suit plus la came et où la soupape reste entrouverte. C'est la limite qui guette tout moteur à ressorts poussé au-delà de son régime.

Épure de distribution : avance à l'ouverture, retard à la fermeture et croisement de soupapes

Avec ses soupapes qui s'ouvrent et se ferment pile aux points morts, le cycle décrit plus haut reste théorique. Aucun moteur de moto ne tourne comme ça, pour deux raisons physiques. Une soupape ne s'ouvre pas instantanément : la came la soulève progressivement, et il lui faut du temps pour dégager un vrai passage. Et les gaz ont une masse. Une colonne d'air lancée dans le conduit d'admission ne s'arrête pas net quand le piston change de sens : elle continue d'entrer sur son élan.

Les motoristes trichent donc avec le calendrier, et ce calendrier porte un nom : l'épure de distribution. Quatre angles la définissent, mesurés en degrés de vilebrequin. L'avance à l'ouverture d'admission (AOA) ouvre l'admission avant le PMH. Le retard à la fermeture d'admission (RFA) la laisse ouverte après le PMB, alors que le piston remonte déjà. L'avance à l'ouverture d'échappement (AOE) ouvre l'échappement avant la fin de la détente. Le retard à la fermeture d'échappement (RFE) ne le ferme qu'après le PMH.

Prenez un vrai chiffre. Sur la Triumph Bonneville T120, une des anglaises que la CB750 a balayées, la documentation technique donne une admission ouverte 34° avant le PMH et fermée 55° après le PMB, et un échappement ouvert 55° avant le PMB et fermé 34° après le PMH, valeurs relevées avec 0,5 mm de jeu aux culbuteurs. Faites l'addition : la soupape d'admission reste ouverte 269° de vilebrequin, au lieu des 180° du manuel. À 6 000 tr/min, cela fait environ 7,5 millisecondes au lieu de 5.

Ce réglage donne son caractère à un moteur. Un arbre à cames de course, avec de grandes avances, de grands retards et beaucoup de croisement, remplit mieux le cylindre à haut régime et le remplit mal en bas. Un moteur de routière fait le choix inverse. Longtemps, il fallait choisir une fois pour toutes. Aujourd'hui, certaines motos font varier leur épure en roulant : Ducati avec son calage variable DVT, apparu sur la Multistrada 1200 de 2015 et qui agit sur les quatre arbres à cames, ou BMW avec le ShiftCam des R 1250 GS et RT de 2019, qui bascule entre deux profils de came à l'admission.

Même tricherie côté bougie. La combustion n'est pas instantanée : elle dure une à deux millisecondes. Or à 6 000 tr/min, le vilebrequin tourne de 36° par milliseconde. Si l'étincelle éclatait pile au PMH, la pression culminerait trop tard, avec un piston déjà reparti vers le bas. On allume donc avant le PMH, c'est l'avance à l'allumage, et on l'augmente quand le régime monte, puisque la flamme dispose de moins en moins de temps. Trop d'avance et le moteur cliquette ; pas assez, il manque de souffle et chauffe.

Rapport course / alésage : ce que veut dire un moteur super carré

Deux cotes suffisent à décrire un cylindre : l'alésage, son diamètre, et la course du piston. Quand elles sont égales, le moteur est dit carré, comme le 4 cylindres de la Kawasaki Z1 avec ses 66 × 66 mm. Quand l'alésage dépasse la course, il est super carré. Quand la course l'emporte, c'est un longue course. La CB750 d'origine en était un, de justesse : 61 mm d'alésage pour 63 mm de course.

Pourquoi ça compte ? À cause de la vitesse du piston. À chaque tour, il parcourt deux fois la course. Plus elle est longue, plus il va vite à régime égal, et au-delà d'une certaine vitesse, les efforts d'inertie sur la bielle, les segments et les paliers deviennent ingérables. La presse britannique situe la limite de travail sûre autour de 24 m/s en vitesse moyenne. Pour tourner haut, il faut donc une course courte, et pour garder de la cylindrée avec une course courte, un gros alésage, qui laisse en prime la place à de grandes soupapes.

Regardez la dernière colonne. Du V-twin Harley qui donne sa puissance maxi à 5 020 tr/min jusqu'à la Fireblade qui va la chercher à 14 500 tr/min, les pistons modernes vont tous à peu près à la même vitesse, entre 19 et 23,5 m/s. Le régime d'un moteur est d'abord une affaire de course. Honda l'assume : pour la Fireblade de 2020, la marque est allée chercher des cotes inspirées de sa MotoGP, 81 mm d'alésage pour 48,5 mm de course.

Monocylindre, bicylindre ou 4 cylindres : ce que change le nombre de pistons

Un monocylindre reçoit une combustion tous les deux tours, et vit sur son élan entre deux. D'où ce « pan, pan » à bas régime, une poussée franche dès les premiers tours, et des vibrations qu'on combat à coups d'arbres d'équilibrage : la KTM 690 Enduro R en a deux depuis 2019. En échange, c'est le moteur le plus simple, le plus léger et le plus étroit, idéal entre les jambes sur un trail.

Avec deux cylindres, on coupe la poire en deux, et le caractère dépend du calage, l'écart angulaire entre ses deux combustions. Un twin parallèle calé à 360° allume ses cylindres à intervalles réguliers, comme les anglaises d'autrefois. Un V-twin à 90°, façon Ducati, ou un twin parallèle calé à 270° comme celui de la Yamaha MT-07, allume à 270° puis à 450° : ce rythme irrégulier donne une motricité et une sonorité que beaucoup de motards adorent. Quant au V à 45° de Harley-Davidson, avec ses deux bielles sur un seul maneton, il allume à 315° puis à 405°, d'où son fameux « potato-potato ».

Quatre cylindres en ligne, enfin : la mécanique qui a fait l'histoire de la moto japonaise. Une combustion tous les 180°, donc toujours un piston qui pousse, peu de vibrations, de petits pistons légers qui encaissent des régimes élevés, et ce hurlement aigu dans les tours. Popularisé par la CB750 en 1969, il est devenu la norme des sportives. Yamaha a même bousculé son rythme en 2009 avec le vilebrequin « crossplane » de la R1 : les combustions ne tombent plus tous les 180°, et le moteur délivre sa puissance comme un V4 à 90°.

YOUTUBE Honda CB750 : le jour où le Japon a humilié l'Angleterre (1969)13:00

Cette course aux cylindres et aux tours a une suite : trente ans plus tard, les 4 cylindres japonais se battaient à coups de kilomètres-heure, jusqu'au duel entre la Suzuki Hayabusa et la Honda Blackbird.

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Différence entre moteur 2 temps et 4 temps, et pourquoi le 4 temps a gagné

Dans un 2 temps, tout se joue en un seul tour, et sans soupapes : des lumières percées dans la paroi du cylindre, que le piston découvre et recouvre en passant. Quand il descend, le piston subit la détente, puis découvre la lumière d'échappement et les transferts ; le mélange frais, précomprimé dans le carter, chasse alors les gaz brûlés. Quand il remonte, il comprime le mélange au-dessus de lui et aspire le suivant dans le carter, en dessous. Résultat : une combustion à chaque tour, deux fois plus qu'un 4 temps au même régime. À cylindrée égale, un 2 temps est plus léger, plus simple et plus puissant.

Tous ceux qui ont roulé derrière une 2 temps connaissent le prix à payer. Une partie du mélange frais file directement dans l'échappement pendant le balayage, et l'huile de graissage, mélangée à l'essence ou injectée, brûle avec lui. Consommation élevée, fumée bleue, émissions polluantes : les normes antipollution ont eu raison des 2 temps routiers. En course, le basculement date de 2002, quand la catégorie reine des Grands Prix est devenue le MotoGP, ouvert aux 4 temps de 990 cm³ ; une 2 temps y a pris son dernier départ en 2003. Le 2 temps survit en enduro et en cross, où KTM le fait vivre avec une injection électronique.

Le 4 temps et la moto, en huit dates

1. 1862
   Beau de Rochas décrit le cycle

   Alphonse Beau de Rochas dépose un brevet qui pose les quatre temps. Cette antériorité fera invalider celui d'Otto en 1886.

2. 1876
   Le moteur d'Otto tourne

   Nikolaus Otto construit le premier moteur à 4 temps qui fonctionne. Les manuels étrangers parlent depuis de cycle d'Otto.

3. 1885
   La première moto à essence

   Daimler et Maybach construisent le Reitwagen : un monocylindre 4 temps de 264 cm³, un demi-cheval à 600 tr/min.

4. 1905
   Le premier 4 cylindres en ligne de série

   Fabrique Nationale, à Liège, lance la FN Four. Elle sera produite jusqu'en 1923.

5. 1969
   La CB750 impose le 4 cylindres

   Simple arbre à cames en tête, deux soupapes par cylindre, refroidissement par air : Honda popularise l'architecture qui dominera les sportives.

6. 2002
   Le 4 temps prend les Grands Prix

   Fin de la catégorie 500 cm³ : le MotoGP ouvre la grille aux 4 temps de 990 cm³. Une 2 temps y prend son dernier départ en 2003.

7. 2009
   La R1 passe au crossplane

   Première sportive de série à vilebrequin crossplane : son 4 cylindres délivre sa puissance comme un V4 à 90°.

8. 2020
   La Fireblade vise 14 500 tr/min

   81 × 48,5 mm, des cotes inspirées de la MotoGP de Honda, pour 160 kW annoncés au régime de puissance maxi.

Ce que ce savoir change à votre façon de rouler

Comprendre le cycle n'a rien d'une coquetterie. Un monocylindre qui cogne quand vous reprenez trop bas vous dit qu'il manque d'élan entre deux combustions : tombez un rapport. Un 4 cylindres qui paraît creux en bas n'est pas forcément malade, il peut avoir une épure pensée pour les hauts régimes. Et un moteur froid n'aime pas qu'on le cravache : l'huile est encore épaisse et les pièces n'ont pas atteint leurs cotes de fonctionnement.

Côté entretien, la distribution a un poste qui revient au carnet : le contrôle du jeu aux soupapes. Soupapes et sièges s'usent, le jeu se referme, et une soupape qui ne se ferme plus complètement finit par brûler. L'intervalle varie énormément d'un modèle à l'autre, c'est le carnet d'entretien qui fait foi. Repousser ce genre d'échéance compte d'ailleurs parmi les erreurs de débutant les plus répandues, au même titre que monter trop vite en cylindrée.

Deux autres sujets du site croisent cette mécanique. Le bridage A2 agit le plus souvent sur le remplissage, par une butée à l'admission ou par la cartographie, et le passage du A2 au A consiste à rendre ce remplissage au moteur, dans les règles. Et l'échappement, là où finissent les gaz de votre quatrième temps, reste un des postes que surveille le contrôle technique moto, bruit et émissions compris.

Même famille d'explications, même esprit : pourquoi une moto tient debout en roulant, et pourquoi le gyroscope n'y est pas pour grand-chose, puis le contre-braquage expliqué, le geste que vous faites déjà à chaque virage sans le savoir.