Soupapes

Soupapes

Les soupapes d’admission et d’échappement rendent hermétique la chambre de combustion et commandent l’échange gazeux dans le moteur. Les soupape sous la pression d’allumage et des composants soumis à des contraintes thermiques et mécaniques importantes et sont également exposées à des facteurs de corrosion. La contrainte mécanique est due au fléchissement de la face de la soupape et au contact brusque lors de la fermeture (choc). Une conception, une épaisseur et une forme adéquates de la face de la soupape de même que le choix du bon matériau limitent ces contraintes à un niveau acceptable. La soupape d’échappement subit, de plus, un échauffement par les gaz d'échappement pendant l’ouverture correspondant au cycle d’échappement. Le refroidissement des soupapes se fait avant tout par l’évacuation de la chaleur dans la culasse au travers de la bague de siège de soupape. Une moindre partie de la chaleur est évacuée dans la culasse par le guide de soupape. Les soupapes d’admission atteignent des températures d’environ 300 °C à 550 °C et les soupapes d’échappement peuvent atteindre 1 000 °C.

Types de soupapes

Soupape d’admission

  • Soupape monométallique
  • Soupape monométallique avec siège trempé
  • Soupape monométallique avec blindage du siège
  • Soupape bimétallique
  • Soupape bimétallique avec blindage du siège

Soupape d'échappement

  • Soupape monométallique
  • Soupape monométallique avec blindage du siège
  • Soupape bimétallique
  • Soupape bimétallique avec blindage du siège

Soupape monométallique

Les soupapes monométalliques se composent d’un unique matériau. Le matériau est choisi pour satisfaire les deux exigences requises, à savoir une haute résistance à la chaleur et un bon coefficient de glissement.

Soupape bimétallique

Les soupapes bimétalliques permettent de coupler un matériau à haute résistance à la chaleur (tête) et un matériau pouvant être trempé (queue de la tige) tout en offrant un bon coefficient de glissement pour le guide de soupape. Ces matériaux sont réunis par soudage par friction.

Soupapes creuses

Les d’échappement creuses sont utilisées principalement pour abaisser la température dans la zone concave particulièrement sensible et sont remplies à cet effet de sodium. Il en résulte un effet secondaire souhaité, la réduction du poids. Les soupapes d’admission creuses, sans remplissage, sont utilisées dans cet unique objectif de réduction de la masse. Pour abaisser la température des soupapes, la tige creuse est remplie de sodium à environ 60 % du volume et obturée par un procédé de soudage par friction. Le sodium fond à 97,5 °C, possède une densité de 0,97 g/cm³ et est un très bon conducteur de chaleur. Lorsque le moteur tourne, le sodium se liquéfie et les forces d’inertie le font aller et venir à l’intérieur de la tige, d’où l’expression « effet shaker » également utilisée à cet égard. Ce faisant, le sodium transporte une partie de la chaleur produite par la combustion de la face de la soupape dans la tige où elle est évacuée par le guide de soupape. Les températures à la face de la soupape peuvent ainsi être abaissées de 80° C à 150° C.

Manipulation des soupapes creuses à remplissage de sodium

Une grande prudence est de mise pour le traitement et le découpage des soupapes creuses à remplissage de sodium. Il faut éviter d’ouvrir l’espace creux par mégarde car le sodium réagit fortement avec l’eau ou avec l’émulsion de perçage et de tournage. La réaction du sodium avec de l’eau produit de l’hydrogène et de la soude caustique.

Examen et élimination

Les petites quantités de soupapes creuses peuvent être cafutées de la façon habituelle sans qu'il soit nécessaire de respecter de prescriptions particulières. Si des soupapes à remplissage de sodium doivent être examinées ou éliminées en grande quantité, l’espace creux doit être ouvert sans utiliser de liquide de refroidissement, soit en le perçant en deux endroits, soit en sectionnant la soupape en son milieu. Les soupapes ainsi préparées sont jetées une à une dans un seau d’eau pour neutraliser le sodium. A l’issue de la réaction, les soupapes peuvent être cafutées de la façon normale. La soude caustique restante sera éliminée conformément à la réglementation locale en vigueur.

Consignes de sécurité

Compte tenu de la réaction parfois forte et de la libération d’hydrogène au cours de la réaction du sodium avec l’eau, la neutralisation des soupapes doit se dérouler dans un local bien ventilé ou à l’extérieur. Eviter dans tous les cas le contact avec la peau et les yeux. La manipulation du sodium doit, par conséquent, être réservée au personnel qualifié, portant une tenue de protection adéquate (gants, lunettes de protection, etc.). Observer les règlements de sécurité habituels concernant la manipulation de substances agressives et corrosives et de gaz explosifs.

Blindage du siège et siège trempé


Les soupapes d’échappement, en particulier, subissent des contraintes thermiques et une usure très importantes. C’est pourquoi les sièges de ces soupapes sont fréquemment blindés. Sur les moteurs à contraintes élevées, les soupapes d’admission sont trempées principalement par induction. Ces mesures évitent la déformation et l’usure des bagues de siège de soupape.

La queue de la soupape

Les contraintes qui s’exercent sur la queue de la soupape sont dues à l'actionnement de la soupape (culbuteurs, poussoirs). Pour prévenir l’usure à cet endroit, les queues de soupape en acier trempable sont trempées. Les queues de soupape qui ne peuvent pas être trempées reçoivent un blindage en stellite ou une plaquette trempée soudée.

Désignations sur une soupape

1 longueur totale = L
2 épaisseur totale de la tête
3 hauteur de siège
4 hauteur du bord de tête
5 blindage du siège (option)
6 face de la soupape
7 diamètre de la tige = d
8 tige de soupape
9 entaille
10 surface de la queue (trempée)
11 longueur de friction
12 collet
13 angle du siège = α
14 surface de la face
15 diamètre de la face = D
16 calotte

Installation

La durée de vie des soupapes, donc le bon fonctionnement du moteur, dépend fortement du bon montage. Lors du montage, observer également les prescriptions de montage et les valeurs de réglage des constructeurs de moteurs.

Soin

Les soupapes doivent être manipulées avec soin. Elles ne doivent ni être poncées avec du papier de verre, ni marquées avec un pointeau ou des chiffres à frapper sur le fond de la face.

Montage

Utiliser l’outillage approprié pour le montage de la soupape dans la culasse. Lors du montage de soupapes neuves, utiliser également des clavettes neuves. Vérifier l’absence d’usure et de détérioration du cône intérieur de la coupelle du ressort de soupape. Vérifier si la force de ressort de la soupape respecte les valeurs limites indiquées par le constructeur du moteur. 

Avant le montage

Voir: Installation Guides de soupape