Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Soupape

Une soupape à tige de moteur thermique.

Une soupape est un organe mécanique de la distribution des moteurs thermiques à quatre temps permettant l'admission des gaz frais et l'évacuation des gaz brûlés. De manière générale, une soupape d'admission sépare le conduit d'admission de la chambre de combustion et une soupape d'échappement sépare celle-ci du conduit d'échappement.

Les soupapes se classent principalement en trois catégories : les soupapes à tige – aussi appelées soupapes à tulipe –, les soupapes rotatives et les soupapes à chemise louvoyante. Les plus répandues sont les soupapes à tige/tulipe qui équipent la quasi-totalité des moteurs à combustion interne actuels. Ces dernières soupapes sont le plus souvent actionnées par un arbre à cames et maintenues par un ou plusieurs ressorts de rappel.

Intérêt

Animation d'un moteur quatre temps où les soupapes sont placées au sommet de la chambre.

Les soupapes constituent un organe mécanique important des moteurs thermiques puisqu'elles assurent l'admission des gaz frais — en général, le mélange air/essence pour les moteurs à allumage commandé ou seulement l'air pour les moteurs Diesel — dans la chambre de combustion et l'échappement des gaz brûlés vers l'extérieur. Séparant la chambre de combustion des conduits d'admission et d'échappement, elles assurent par conséquent l'étanchéité de la chambre lors des phases de compression et combustion des gaz frais. La « levée » de la soupape d'admission détermine par ailleurs la quantité d'air admise dans le cylindre.

Au début de l'automobile, la distribution était assurée par des soupapes automatiques constituées par des disques obturateurs, ouvertes par la dépression créée dans le cylindre à l'admission et rappelées par des ressorts. Bien que simple, l'ouverture de ce type de soupape est retardée d'autant plus que le régime moteur augmente. Le moteur ne pouvait donc pas ainsi dépasser les 1 000 à 1 300 tr/min.

Au début du XXI^e siècle, les soupapes équipant la quasi-totalité des moteurs thermiques sont des soupapes à tige, appelées également à tulipe. Actionnée généralement par un arbre à cames, la tige coulisse dans la culasse, laissant la tête de la soupape découvrir les conduits. Elle est rappelée en position par un ressort de rappel. Ce type de soupape s'est très tôt imposé en raison de sa forme tulipée offrant un passage « fluide » des gaz et une surface plane et épaisse capable d'encaisser le front de flamme.

Géométrie

Anatomie

Pour plus de détails voir : Guide de soupape et Siège de soupape.

Vue en coupe d'une soupape à tige.

Les soupapes à tige/tulipe sont constituées de quatre parties : la tête, le collet (ou tulipe), la tige et la queue. La tête de la soupape, de forme circulaire, joue le rôle d'un disque obturateur entre les conduits d'admission/d'échappement et la chambre de combustion. Lorsque la soupape est en position fermée, elle vient s'appuyer sur le siège de soupape dessiné dans la culasse pour assurer l'étanchéité de la chambre, ainsi qu'un centrage correct de la soupape évitant les déformations. La partie de la soupape en contact avec le siège, de forme tronconique, est dénommée « portée » ; l'angle formé entre la portée et la tige est généralement de 45°, mais peut être réduit à 30° lorsque la hauteur de levée (hauteur entre la soupape ouverte et le siège de soupape) est limitée.

La tête peut prendre trois formes aux caractéristiques différentes : convexe, concave ou plate. Les têtes convexes offrent une plus grande rigidité mais sont en revanche plus lourdes et leur siège est plus sensible aux effets de la température ; elles sont principalement utilisées pour des soupapes d'échappement. Les têtes concaves ont l'avantage de conserver la forme du siège même sous de fortes contraintes thermiques ; c'est la raison pour laquelle elles équipent généralement les moteurs de compétition. Enfin, les soupapes plates sont les plus utilisées car elles ne nécessitent pas d'usinage particulier.

Le collet, partie reliant la tête à la tige, est formé par un congé de grand rayon de façon à faciliter la dissipation de la chaleur provenant de la chambre et éviter l'effet d'entaille dû au changement de section. La tige, pièce cylindrique dont le diamètre est de l'ordre du quart de celui de la tête, assure le guidage vertical de la soupape. La tige coulisse ainsi dans le guide de soupape, ouverture cylindrique pratiquée dans la culasse. En augmentant le diamètre de la tige, la dissipation de chaleur vers la culasse est facilitée mais la soupape est plus lourde.

Enfin, la queue de la soupape, partie terminale de la soupape, supporte l'action du poussoir actionné par l'arbre à cames. Elle comporte une ou plusieurs gorges, le plus souvent de section semi-circulaire, pour loger les clavettes qui transmettent à la soupape la tension du ressort de rappel.

Critères de dimensionnement

Deux principaux critères définissent les dimensions des soupapes. Le premier est un critère mécanique imposant des contraintes de dimensions en termes de vitesses d'impact admissibles par le matériau de la soupape. De ce critère est notamment déduit la masse maximale de la soupape puisque plus la masse augmente, plus son inertie augmente.

Le deuxième critère est un critère de performances lié à « 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 ». En effet, pour assurer un bon remplissage en gaz frais du cylindre, ainsi qu'une bonne évacuation des gaz brûlés en fin de cycle, il faut que le diamètre de la soupape, et donc des conduits d'admission/échappement, l'angle au sommet et la hauteur de levée de la soupape soient suffisamment grands.

Les soupapes d'admission et d'échappement n'ont pas nécessairement le même diamètre.

Toute soupape de moteur à combustion interne actuel répond ainsi aux critères suivants : le rapport longueur/diamètre de la tige cylindrique est compris entre 15 et 20 tandis que le rapport diamètre de la tête sur diamètre de la tige est d'environ cinq. Le diamètre des soupapes d'admission et d'échappement n'est d'ailleurs pas nécessairement identique afin d'offrir des propriétés différentes. Mais le diamètre de la soupape est rapidement limité étant donné qu'il dépend de la forme de la surface du haut du cylindre, forme qui ressemble, sur les moteurs actuels, à une « galette ». Il est alors courant d'augmenter le nombre de soupapes par cylindre ; ce nombre varie généralement entre deux et cinq.

Le gradient de température dans la tête de la soupape est proportionnelle au diamètre $d$ du siège de soupape, et donc de la portée de la soupape ainsi qu'au flux thermique entrant, lui même fonction de la température de l'air d'admission et de la quantité de combustible brûlée. Raymond Brun, dans l'ouvrage Science et technique du moteur diesel industriel et de transport, fournit ainsi :

${\frac {S_{e}}{S_{s}}}=\pi {\frac {d^{2}}{4}}{\frac {1}{\pi dh}}$

où $S_{e}$ est la surface d'entrée du flux thermique dans la soupape et $S_{s}$ la surface de sortie du flux.

La portée de la soupape ne doit ainsi ni être trop mince ni d'un diamètre trop faible sous peine de mal évacuer la chaleur de la tête et donc la fragiliser. Mais un diamètre trop grand présente l'inconvénient d'accumuler les suies et résidus carbonés durs. Une aire de contact réelle entre le siège et la portée de l'ordre de 25 % de la surface projetée de la tête offre un bon compromis entre ces différents critères.

Contraintes et matériaux

Soupapes endommagées par le sur-régime.

Les soupapes sont soumises à des contraintes mécaniques et thermiques très fortes. Les températures des gaz brûlés à l'intérieur de la chambre atteignent aisément les 800°C, la soupape d'échappement étant alors particulièrement vulnérable. En effet, si la soupape d'admission est refroidie par les gaz frais (en position ouverte), les soupapes d'échappement sont intensément chauffées par le passage des gaz chauds par sa section en fin de cycle. Le siège de soupape doit par ailleurs, en peu de temps, évacuer une importante quantité de calories.

Les forces d'inertie mises en jeu sont également conséquentes ; la tête de soupape peut entrer en contact avec le siège de soupape près de 70 fois par seconde, sachant que le régime moteur peut atteindre les 8 000 tr/min sur certains moteurs à allumage commandé. Enfin, les soupapes sont exposées à la corrosion de l'essence, des additifs, des lubrifiants ou encore des composants chimiques issus de la combustion des gaz.

Pour résister à ces contraintes, les soupapes sont conçues dans différents matériaux. La tige doit présenter un faible coefficient de frottement, un faible coefficient de dilatation et de bonnes propriétés de résistance à l'usure. Comme précisé au paragraphe précédent, la tête doit résister aux chocs et à la corrosion. Un durcissement par aluminiage est parfois pratiqué sur les portées des soupapes d'admission, qui atteignent de cette manière des duretés égales à celles de matériaux plus résistants utilisés dans les soupapes d'échappement.

Les soupapes bimétalliques du constructeur Mahle GmbH, par exemple, sont en acier hautement allié pour la tête, tandis que les tiges sont en acier chromé ou nitré pour en améliorer les qualités de glissement et de résistance à l'usure. Certaines tiges de soupape sont également creuses afin d'y insérer du sodium, facilitant le refroidissement. Ces cavités sont remplies aux deux tiers de sodium, liquide à partir de 97,5°C, qui transporte la chaleur de la tête de soupape en se déplaçant dans la tige grâce aux mouvements de la soupape. Le sodium peut être remplacé par des sels de lithium et de potassium.

Position des soupapes

Coupe d'une culasse montrant les soupapes d'un moteur à soupapes en tête.

Pour plus de détails voir : Moteur à soupapes en tête et Moteur à soupapes latérales.

Les positions prises par les soupapes dans la culasse par rapport à la chambre de combustion sont nombreuses et dépendent essentiellement de la forme de la chambre. Les soupapes peuvent ainsi être placées au-dessus, parallèles ou non, ou encore latérales au piston.

Les moteurs actuels sont généralement des moteurs à soupapes en tête constitués de soupapes en V placées au-dessus du piston. Cette disposition offre une meilleure circulation des gaz et un meilleur taux de compression que les moteurs à soupapes latérales. Ces derniers moteurs réalisent leur admission et l'échappement non pas en tête du cylindre, comme dans les moteurs à soupapes en tête, mais par une chambre latérale au cylindre. Ce système simplifie l'entraînement de la distribution en la rapprochant du vilebrequin.

Soupapes particulières

Bien que n'ayant jamais réellement réussi à s'imposer, il existe également d'autres sortes de soupapes comme les soupapes à chemise louvoyante ou encore les soupapes rotatives. Dans les moteurs deux temps, on ne parle pas réellement de soupape étant donné que le piston joue le rôle de soupape en découvrant ou obturant des lumières dessinées dans le bloc-moteur.

Soupapes rotatives

Dessin technique d'un moteur à soupapes à cylindre rotatif.

Les soupapes rotatives ont fait leur apparition au début du XX^e siècle et, malgré de nombreux brevets déposés, ne connaîtront pas le succès. Les premières soupapes rotatives sont constituées d'un cylindre creusé formant deux conduits : un conduit d'admission et un conduit d'échappement. La rotation du cylindre permet de mettre successivement en communication la chambre avec le conduit d'admission ou le conduit d'échappement.

Une version alternative à ce système est par la suite proposée par l'ingénieur Roland Claude Cross ; la soupape cylindrique n'est plus placée latéralement mais en tête, perpendiculaire au cylindre de piston. L'inconvénient majeur des soupapes rotatives à cylindre réside dans la génération d'importantes frictions.

Da façon plus anecdotique, il existe également des soupapes rotatives fonctionnant sur le principe d'un balancier découvrant ou non les conduits d'air. La soupape est ainsi terminée par un diaphragme de forme concave. Ce type de soupape dégrade particulièrement la fluidité de l'admission et de l'échappement des gaz, ce qui induit un mauvais rendement du moteur.

Soupapes à chemise louvoyante

Soupape à chemise louvoyante d'un moteur d'aéronef Bristol.

Les soupapes à chemise louvoyante reprennent le principe des lumières dessinées dans le bloc-moteur à ceci près que le piston ne joue plus le rôle de soupape. La chemise, dans laquelle sont également pratiquées des lumières, joue ce rôle en étant mobile par rapport au bloc-moteur. À noter que les moteurs équipés de ce type de système sont parfois dits « sans soupape » bien que la chemise découvre ou recouvre une lumière à l'image des soupapes à tige.

La chemise se déplace alternativement de droite à gauche puis de gauche à droite grâce à un excentrique, ouvrant et fermant ainsi les lumières d'admission et d'échappement. Breveté par l'Américain Charles Yale Knight en 1905, ce système est notamment utilisé par les moteurs en étoile équipant les aéronefs du constructeur Bristol Aeroplane Company. La lubrification nécessitée par ce type de soupape explique leur disparition aujourd'hui.

Procédé de fabrication

Les soupapes à tige sont généralement monométalliques bien qu'elles tendent à devenir bimétalliques, la tête et la tige de matières différentes étant alors assemblées par soudure. Les soupapes étaient auparavant obtenues par matriçage ; une barre de diamètre légèrement supérieur à celui de la tige est chauffée à son extrémité pour la ramollir et refoulée pour former la tête.

Ce procédé engendre néanmoins des tensions dans la matière en raison d'un chauffage non uniforme de la pièce. C'est la raison pour laquelle cette technique est aujourd'hui remplacée par le procédé d'extrusion. L'opération débute désormais à partir d'une bille d'un diamètre environ égal aux deux tiers de celui de la tête de la soupape finale. En extrudant la bille, la tête et la tige sont ainsi formées.

Annexes

Bibliographie

• Raymond Brun, Science et technique du moteur diesel industriel et de transport, vol. 2, Editions TECHNIP, 1981 (ISBN 978-2710804734, lire en ligne)

Articles connexes

• Moteur à soupapes en tête
• Moteur à soupapes latérales
• Siège de soupape
• Guide de soupape