Soupape (moteur)

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[2], ainsi qu'un centrage correct de la soupape évitant les déformations[5]. 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[3]. 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[3]. Enfin, les soupapes plates sont les plus utilisées car elles ne nécessitent pas d'usinage particulier[6].

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[6], 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[6].

La queue

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[6].

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[6]. 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 »[6]. 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 ;
• le rapport diamètre de la tête sur diamètre de la tige est d'environ cinq[7] ;
• 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 des soupapes 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[6]. Voir aussi Moteur multisoupape.

Le gradient de température dans la tête de la soupape est proportionnel au diamètre ${\displaystyle d}$ 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 :

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

où ${\displaystyle S_{e}}$ est la surface d'entrée du flux thermique dans la soupape et ${\displaystyle S_{s}}$ 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[8]. 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[8].

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[11].

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[11].

De 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[11].

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[11]. 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 (de) en 1905, ce système à double chemises louvoyantes fut notamment utilisé par le constructeur automobile Panhard, mais il existe des exemples construits par Voisin (voiture de course « Laboratoire »), Peugeot, et Minerva en Belgique.

Le système Knight utilise deux chemises louvoyantes concentriques ; ce dispositif s'est révélé peu durable car les chemises prennent rapidement du jeu, ce qui nuit grandement à leur étanchéité, mais l'accumulation de cendres sur les chemises par l'utilisation continue améliorait les performances des moteurs à système Knight, qui avaient comme inconvénient que le mouvement en sens contraire des deux chemises produisait un cisaillement de la feuille d'huile lubrifiante, donc un manque de graissage.

Le Bristol Perseus, moteur à chemise louvoyante.

Le système Burt-McCollum, qui tire son nom des deux ingénieurs, Peter Burt et James Harry Keighly McCollum qui ont breveté le même concept à quelques semaines de différence. Les demandes de brevet datent respectivement du 6 août et du 22 juin 1909. Les ingénieurs furent embauchés par le constructeur écossais Argyll. Ce système consistait en une seule chemise qui combinait un mouvement linéaire ascendant et descendant et un mouvement de rotation partiel.

Le premier constructeur à utiliser le système Burt-McCollum à chemise louvoyante unique fut l'entreprise écossaise « Argyll », qui était aussi propriétaire des brevets pour ce système de distribution, nettement meilleur que le système Knight à double chemise.

En 1939, le fabricant de moteurs d'avion britannique Bristol a largement perfectionné ce système, n'utilisant qu'une seule chemise louvoyante en acier nitruré, selon les brevets de Burt et McCollum. Les moteurs Bristol Hercules ainsi équipés étaient renommés pour leur fiabilité, une période entre mises au sol de 3 000 heures, leur excellent rendement et leur consommation d'huile raisonnable, quoique plus élevée qu'un moteur classique. L'amélioration du rendement est due au fait qu'il n'y a pas de soupapes d'échappement à très haute température se déplaçant dans la chambre de combustion, cette absence de point chaud réduit les risques de détonation (cliquetis), permettant à ces moteurs de fonctionner en mélange plus pauvre et avec un taux de compression supérieur à celui des moteurs d'avion conventionnels.

Le Bristol Centaurus étant l’ultime développement de la série de moteurs radiaux à chemises louvoyantes construits par Bristol.

Les travaux de développement sur ce genre de distribution à chemise unique sont dus aux ingénieurs Roy Fedden et Harry Ricardo, parmi d'autres.

Au début de l’année 1943, la société Napier réussit à rendre fiable son moteur d’avion Sabre, un moteur de 24 cylindres en H à simples chemises louvoyantes refroidi par liquide. Il devint l’un des moteurs les plus puissants de cette époque.

En France, et après la Seconde Guerre mondiale, on a produit des moteurs à chemises louvoyantes uniques sous licence Bristol, qui ont été installés sur l'avion Noratlas.

Dans les années 1970, un constructeur anglais de boîtes de vitesses de compétition, Mike Hewland (revue Car&Driver, juillet 1974), a développé des prototypes de moteur avec distribution par chemise louvoyante unique, « système Burt-McCollum », prévus pour les voitures de Formule 1. Il a annoncé avoir obtenu 72 ch sur un monocylindre de 500 cm³, avec une consommation spécifique de 172 g ch⁻¹ h⁻¹ dans une version économique. Il a fait tourner son moteur au-dessus de 10 000 tr/min, la température maximale du piston ne dépassait pas 150 °C, et le moteur a réussi à fonctionner à la créosote. La consommation importante d'huile des moteurs avec double chemise « système Knight » les rendrait inacceptables aujourd'hui, mais certaines publications de l'époque[12] ont donné aux moteurs avec chemise louvoyante unique, système « Burt-McCollum » installé sur les automobiles Argyll, une consommation d'huile voisine de 1 000 milles par gallon, ce qui représente environ un quart de litre pour cent kilomètres. Des mesures effectuées par l'ingénieur anglais Harry Ricardo ont démontré, pour les moteurs à chemise louvoyants unique, une efficacité mécanique meilleure que celle des moteurs avec des soupapes à tige.

• Raymond Brun, Science et technique du moteur diesel industriel et de transport, vol. 2, Technip, 1981, 445 p. (ISBN 978-2-7108-0473-4, lire en ligne)
• (en) [PDF] Robert J. Raymond, Comparison of Sleeve and Poppet-Valve Aircraft Piston Engines, Aircraft Engine Historical Society, 2005, sur enginehistory.org. Consulté le 8 mars 2013.

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