Technique: les soupapes

Technique : Les soupapes

La soupape dans un moteur à combustion interne est l'organe qui règle l'entrée et la sortie des gaz dans la chambre de combustion.

Les soupapes ont une forme qui est maintenant normalisée depuis la fin du dernier siècle : elles ressemblent à un champignon dont la tète, qui constitue l'élément obturateur (en tenant en butée contre le siège ménagé sur la culasse, est soutenue et guidée par la tige cylindrique. Les soupapes sont animées d'un mouvement alternatif et s'ouvrent vers l'intérieur de la chambre de combustion, si bien que l'étanchéité est favorisée par la pression des gaz. Cet organe est apparemment très simple, mais il travaille dans des conditions critiques (spécialement à l'échappement) aussi, l'établissement d'un projet de soupape exige des études soignées pour la définition des dimensions et des matériaux.

Les soupapes en forme de champignon ont été utilisées tout d'abord dans les moteurs à tapeur et ont subi, dans cette application, une longue évolution, en passant par la forme à double siège, imaginée pour équilibrer la pression de la vapeur entre la chaudière et les cylindres sans avoir à vaincre des efforts trop grands sur la distribution


Soupapes d'admission (Fiat 132). Elles sont caractérisées
par une tête de grand diamètre avec
zone centrale concave et partiellement
allégée.


Soupapes d'échappement de Fiat 132.
Elles ont une tête plate avec un diamètre inférieur
de quelques millimètres à celui des soupapes d'admission :
ceci est dû à la pression plus élevée avec laquelle
sortent les gaz d'échappement et à la nécessité
de transférer moins de chaleur de la chambre à la soupape.

D'autres sortes de soupapes, comme celles à tiroir ou celles qui utilisent le piston comme soupape découvrant les lumières découpées dans la chemise, ont été utilisées et le sont encore en partie dans des moteurs à combustion interne (deux-temps de motocyclettes ou diesels lents). Au début de l'automobile, les moteurs possédaient des soupapes automatiques constituées par des disques obturateurs rappelés par des ressorts.

Leur ouverture s'obtenait grâce à la dépression créée dans le cylindre à l'admission. Cette solution simple entraînait un retard qui augmentait en même temps que le nombre de tours et diminuait le remplissage des cylindres, si bien que le moteur ne pouvait pas dépasser des régimes supérieurs à 1000 - 1300 tr mn. Le retard était moindre si on allégeait les obturateurs et si on affaiblissait les ressorts, mais cela diminuait d'autant la fiabilité du système. Aujourd'hui les soupapes automatiques ne sont plus guère utilisées que sur certains moteurs de marine à deux temps, pour l'admission, dans les compresseurs et dans les pompes mécaniques à essence.

Dans les moteurs d'automobile modernes les conditions de travail des soupapes demandent que chaque cote, chaque raccordement et chaque tolérance soient la conséquence des exigences rigoureuses du fonctionnement. La tête peut avoir trois formes : convexe, plate ou concave. La première donne des obturateurs plus rigides, plus massifs et plus solides, mais plus lourds, avec des sièges sensibles aux effets de la température, et on l'utilise principalement pour des soupapes d'échappement. Les soupapes à tête concave ont la propriété de conserver la forme conique du siège même sous de très fortes déformations thermiques et on les retrouve, la plupart du temps, comme soupapes d'admission dans des moteurs de compétition ou de sport (Ferrari Dino). La maison Opel les emploie également dans des moteurs de tourisme.

Suite

A l'heure actuell, les constructeurs équipement les moteurs avec des soupapes à tête plate, car elles ne demandent pas d'usinage mécanique : les soupapes à tète concave ou convexe sont destinées uniquement à des applications spéciales. Les portées, qu'il s'agisse de la portée mobile de la soupape ou de la portée fixe du siège dans la culasse, possèdent une forme tronconique avec un demi-angle au sommet qui est généralement de 45°. Dans certains cas, spécialement avec les moteurs Diesel suralimentés où l'on atteint des pressions élevées dans la chambre de combustion, cet angle passe à 60° afin d'obtenir un siège moins sensible à l'usure et à la déformation.

La tête est raccordée à la tige par un congé de grand rayon, de manière à réduire l'effet d'entaille dû au changement de section et à faciliter l'écoulement de la chaleur vers la tige. Le diamètre de la tige représente environ le quart du diamètre maximal de la tête. En l'augmentant, on favorise l'évacuation de la chaleur par le guide de soupape, mais on rend la soupape plus lourde. La longueur de la partie guidée est fixée sur la base du critère de minimisation de l'usure sur la longueur de contact soumise au frottement, ceci dans la mesure compatible avec la hauteur de la culasse du moteur; la longueur du guide correspond en général à six fois le diamètre de la tige. Le jeu minimal entre la tige et le guide est maintenu en général aux environs de : 0,025 mm pour de l'acier ferrique ; 0,03 mm pour de l'acier austénitique, et sa valeur maximale est de 0,07 mm. Ce jeu, nécessaire pour le graissage, ne doit cependant pas être trop important, afin d'éviter les fuites d'huile.

Des éléments d'étanchéité (petits anneaux de caoutchouc) pour limiter l'entrée d'huile par les guides ont été étudiés, mais ils sont parfois si efficaces qu'ils peuvent provoquer des grippages par manque de graissage, aussi leur adoption exige une mise au point laborieuse. La partie cylindrique terminale de la tige comporte une ou plusieurs gorges de section, le plus souvent semi-circulaires, pour loger les demi-cônes qui transmettent à la soupape la tension du ressort de rappel.


Soupapes d'admission ordinaires avec
tête usinée à la partie inférieure


Trois soupapes d'un moteur Porsche 6 cylindres
endommagées à l'occasion d'un sur-régime
par leur contact avec le dessus du piston

La tranche terminale de la tige est plane et durcie, ou même réalisée avec un matériau rapporté, car c'est elle qui supporte la poussée lors de l'ouverture. La longueur de la soupape doit être telle qu'elle laisse à froid un jeu axial, afin que les diverses dilatations de la tige, des éléments de la distribution et de la soupape ne la fassent pas talonner, c'est-à-dire ne provoquent une fermeture imparfaite pendant les phases de compression par suite d'un contact avec le culbuteur. Ce jeu varie entre 0,2 et 0,6 mm, les valeurs les plus faibles étant généralement adoptées pour des moteurs à tiges et culbuteurs, tandis que les valeurs les plus élevées sont utilisées avec la commande directe des soupapes par arbre à cames en tête.

Dans tous les cas, le jeu dépend des coefficients de dilatation de la soupape et de toute la chaîne cinématique de la distribution. Le dimensionnement des soupapes s'étudie sur la base de deux critères : l'un aérodynamique, qui détermine la section de passage et la vitesse du mélange en fonction du remplissage et de l'échappement les plus opportuns dans les diverses conditions de fonctionnement ; l'autre mécanique, qui fixe les vitesses d'impact admissibles sur la base des caractéristiques mécaniques et thermiques du matériau.

Ces critères conduisent à la détermination du diamètre, de la levée et du poids de la soupape. Le premier critère s'applique en évaluant le volume de mélange qui passe à travers la soupape au volume balayé par le piston, et il est valable en première approximation, en supposant le fluide incompressible. Pour obtenir la vitesse moyenne des gaz, comprise entre 80 et 120 m/s, qui assure un bon fonctionnement, on détermine le diamétre de la soupape à partir du diamètre du piston et de sa vitesse moyenne. Des coefficients adéquats tiennent compte des écarts du phénomène réel par rapport à cette loi simple.

Le second critère est lié aux pressions qui peuvent être atteintes dans le contact entre la soupape et son poussoir ; valeurs qui dépendent de la loi de levée et de la masse de la soupape. La chambre de combustion en forme de galette limite le diamètre maximal des soupapes. En revanche, des chambres triangulaires ou hémisphériques permettent d'augmenter le rapport des diamètres de soupapes au diamètre du piston. Si l'on a besoin de diamètres plus élevés, on double le nombre des soupapes, pratique courante pour certains moteurs de course et, plus rarement, pour quelques voitures de tourisme . La levée, ou, mieux, le rapport de la levée au diamètre, est une autre caractéristique de la soupape. Ce rapport doit être important pour augmenter la section de passage, mais il trouve ses limites dans les forces d'inertie qui prennent naissance en conséquence des accélérations.

Merci au site Motorlegend.com
Baboon

Oui c'est intéressant !

A ma connaissance, le record de soupapes par cylindre pour un moteur de "grande" série se situe à 8 soupapes par cylindre ! C'était un V4 à 32 soupapes donc !!!

Un magnifique moteur Honda (moto) dérivé d'un moteur de course qui a tenté de relever un défi de dingue dans les 80's = battre les 500 2T avec un moteur 4T de cylindrée égale ne disposant que de 4 cylindres maxi. Pour ce faire, un ingénieur nippon a imaginé un moteur équipé de pistons ovals (2 bielles) pour pouvoir multiplier le nombre de soupapes et ainsi arrivé à 8 par cylindre !!!!!

Ce moteur a eu une déclinaison routière avec la très exclusive 750 NR équipée de cette technologie hors normes.
On peut en faire considérer que c'est un V8 caché dans un V4 (8 bielles, 8 bougies, 32 soupapes mais 4 pistons)

http://www.motoplanete.com/honda/750-NR.php

j'ai eu le plaisir d'en croiser une de 750nr ya pas si longtemp que ca. d'ailleur ca a un chant assez particulier. avant desavoir ce que c'etait cette difference ma fait relever la tete.

Ach
Il y en a une exposée chez Oziol à St Quentin (02) depuis de nombreuses années mais je l'ai jamais entendue tourner...
Ca doit être quelque chose en effet !