En 1986, Renault avait développé un moteur de Formule 1 avec des rappels de soupapes pneumatiques et leur utilisation a résolu tellement de problèmes que tous les autres constructeurs ont rapidement adopté ce système. Et depuis plus d’une dizaine d’années, cette technologie est présente en MotoGP. Mais comment ça fonctionne, et pourquoi est-ce si efficace ?
Finalement, ce n’est pas si mystérieux : la seule différence entre un système de distribution conventionnel, avec arbres à cames et ressorts de soupapes, et un système pneumatique est que les ressorts hélicoïdaux en acier sont remplacés par de l’air comprimé. Dans les deux cas, le ressort force la soupape et son suiveur de came à rester en contact avec le profil du lobe de came à tout moment. Avec les ressorts pneumatiques comme avec les ressorts hélicoïdaux en acier, le ressort maintient simplement le train de soupapes en suivant le chemin dicté par le lobe de came.
Système à ressort métallique
Dans un système à ressort métallique, le lobe de came appuie sur la surface supérieure de la queue de soupape. Juste en dessous de la queue de soupape, une clavette maintient une coupelle en position Sous cette coupelle se trouvent un ou deux ressorts hélicoïdaux sous pression qui permettent de ramener la soupape contre son siège.
Système à « ressort » pneumatique
Le rappel pneumatique de soupape utilise comme son nom l’indique un gaz en guise de ressort, pour fermer les soupapes d’un moteur. Le fonctionnement est similaire à celui décrit ci-dessus, à un détail près : le ressort métallique a disparu et en lieu et place de la coupelle on retrouve un piston dont le bord extérieur est étanche. Sous ce piston, une pression de gaz modérée de 5 à 10 bars est maintenue. La queue de soupape est également scellée à son guide.
La pression sous le piston est maintenue par de l’azote gazeux, agissant à travers un détendeur et pressurisant les volumes sous tous les pistons par des clapets unidirectionnelles.
Sur les prototypes MotoGP qui utilisent des ressorts pneumatiques (tous les constructeurs, excepté Ducati qui utilise une distribution desmodromique) le réservoir d’azote est chargé à partir d’un compresseur. Sa capacité se situe entre 250 et 1000cc, il est en aluminium/fibre de carbone, et pressurisé entre 200 et 300 bars. A sa sortie, un régulateur pneumatique à deux étages va, avec ses électrovannes, ajuster de manière très fine la pression dans le système.
Une fois ce réservoir chargé, le moteur peut fonctionner pendant environ une heure sans avoir besoin d’être rechargé.
Pourquoi les ressorts pneumatiques sont devenus nécessaires ?
La puissance du moteur est globalement proportionnelle à la cylindrée, au régime du moteur et à la pression de combustion moyenne. Comme la cylindrée est presque toujours limitée par le règlement, et parce que la pression de combustion moyenne a depuis longtemps atteint sa limite dans les moteurs non suralimentés, cela laisse principalement le régime comme outil disponible pour tenter d’augmenter la puissance. Et en MotoGP, on le régime maxi se situes aux alentours des 18.000 trs/min !
À mesure que le régime augmente, le mouvement des soupapes augmente lui aussi. Un des problèmes et d’arriver à gérer leur accélération et leur ralentissement. Une façon de les atténuer est de les ouvrir moins loin et de les maintenir ouvertes plus longtemps, ce qui réduit leur accélération. Mais la réduction de la levée des soupapes étrangle le débit, et plus les soupapes sont ouvertes longtemps, plus la puissance à bas et mi-régime est sacrifiée. En effet, à bas régime, le débit d’admission se déplace plus lentement, il devient donc plus facile pour le piston, montant sur sa course de compression, d’arrêter et d’inverser le débit. Ceci, en pompant une partie de la charge d’admission, réduit le couple du moteur.
Alors que les équipes de course utilisaient des ressorts de soupapes en acier de plus en plus durs, permettant des accélérations de soupapes plus élevées et exploitant le matériau à des pourcentages de plus en plus élevés de sa limite d’élasticité, les processus de perte de charge et de fatigue du métal ont progressivement raccourci la durée de vie des ressorts métalliques jusqu’à ce que les équipes doivent les changer tous les jours pour éviter casses moteurs causées par des ressorts cassés, un mouvement incontrôlé des soupapes et des collisions piston-soupape (appelé « affolement de soupapes »).
Pourquoi une durée de vie si courte ? Tout d’abord, les ressorts en acier, même s’ils sont « préréglés » pour limiter la perte de charge, perdent progressivement de leur pression au fur et à mesure que le métal cède localement.
Deuxièmement, comme un lobe de came fait accélérer rapidement la soupape et le ressort, les spires du ressort, qui ont une masse et une inertie, ont tendance à s’accumuler contre le dispositif de retenue, puis à rebondir dès que l’accélération (qui a lieu au premier quart de levée de soupape) fait place à la décélération nécessaire pour arrêter la soupape au sommet de sa levée. On a donc une onde de choc qui se créé et rebondit d’une extrémité du ressort à l’autre, plusieurs fois par cycle moteur.
Un des plus grands avantages des ressorts pneumatiques, c’est qu’ils sont très progressifs et peuvent fournir la pression nécessaire pour empêcher le flottement de la soupape sans avoir besoin d’une pression de siège très élevée.
En fin de compte, il était clair que les ressorts en acier posaient des limites strictes aux performances du moteur. A l’époque, chez Renault F1, les équipes techniques ont développé des ressorts pneumatiques comme substitut à ceux en acier, et ont lancé leur système pour la première fois en 1986.
Il existe également des systèmes hydrauliques, hydropneumatiques ou électro-électromagnétiques pour ouvrir et fermer les soupapes, mais jusqu’à présent, aucun ne s’est avéré à la hauteur de la tâche de contrôle précis des soupapes sur des moteurs de course de très hautes performances. Le plus difficile est de ralentir progressivement la soupape à l’approche de son siège. Elle ne peut pas être autorisée à se fermer brusquement, car seuls quelques cycles d’une telle violence détruisent le joint de la soupape, puis cassent la tête de la soupape, ce qui entraîne une casse moteur. Les systèmes de came au profil précis continuent de faire le meilleur travail dans ce domaine.
