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Les soupapes



par François Dovat

Les soupapes contrôlent l'entrée et la sortie des gaz dans le cylindre. Elles sont fermées par de forts ressorts et alternativement ouvertes au moment voulu, directement ou indirectement, par des cames montées sur un ou des arbres nommés arbres à cames (voir dossier suivant).

Comme les soupapes s'ouvrent vers l'intérieur de la chambre de combustion, la pression des gaz supplée à la force des ressorts pour assurer l'étanchéité en plaquant les têtes de soupape contre leur siège conique, siège fraisé directement (culasse en fonte) ou rapporté (culasse en alliage léger) dans la culasse. La tige des soupapes coulisse dans un guide qui assure le centrage de leur tête. Tout comme les sièges, ces guides peuvent être soit alésés directement dans la fonte, soit rapportés, particulièrement si la culasse est en alliage d'aluminium. Afin d'assurer l'étanchéité, les soupapes, leurs guides et leurs sièges sont usinés avec une très haute précision.

Les soupapes d'échappement sont soumises à de fortes contraintes thermiques et sont réalisées dans des aciers particulièrement résistants. Elles sont parfois creuses et remplies de sodium pour mieux évacuer la chaleur de la tête vers la tige – cette technique a été utilisée sur des moteurs d'avion et ensuite par Ferrari et Alfa-Romeo. La tête des soupapes d'échappement est de diamètre inférieur à celles d'admission parce que l'expulsion des gaz de combustion se fait sous forte pression alors que la pression d'admission n'est qu'atmosphérique – ou légèrement supérieure. Un diamètre trop grand augmenterait également la surface exposée aux hautes températures de combustion. La soupape transmet à son siège quelque 75 % de la chaleur reçue. Alors que la température de la tête peut atteindre 800°C, celle au millieu de la tige reste en dessous de 400 °C et la chaleur transmise au guide de soupape constitue les 25 % restants.

Le raccordement de la tête à la tige est tulipé selon un grand rayon afin de procurer le minimum de résistance aérodynamique au passage des gaz et d'assurer un transfert de chaleur optimal de la tête vers le guide par l'intermédiaire de la tige.

Le jeu entre la tige et le guide est compris entre 0,02 mm; la valeur maximale d'usure étant de quelque 0,07 mm. Ce jeu est nécessaire pour la lubrification mais s'il est trop important une consommation d'huile excessive en résulte. Des joints de queue de soupapes, (larmiers) ont été laborieusement mis au point dans les années 60 et 70 afin de solutionner le problème; ils doivent toutefois laisser passer une petite dose d'huile entre le guide et la tige.

La queue de soupape comporte une ou plusieurs gorges ou sont insérés deux demi-cônes qui retiennent les coupelles transmettant à la soupape la tension du ou des ressorts de rappel.

Un certain jeu entre la soupape, la came et les pièces intermédiaires telles que poussoir et culbuteur doit permettre la dilatation axiale de la tige ainsi que de ces composants, ceci afin que la soupape ne reste pas légèrement ouverte lorsqu'elle devrait être fermée. Sur les moteurs d'automobile, ce jeu varie entre 0,15 et 0,55 mm, le chiffre le plus faible concernant les soupapes d'admission sur des moteurs à tiges et culbuteurs alors que les valeurs les plus élevées sont relatives aux soupapes d'échappement commandées directement par arbre à cames en tête.

Ce jeu dépend des coefficients de dilatation de la soupape et de toute la chaîne cinématique de la distribution. Si la tête de soupape est constamment léchée par les gaz de combustion sans pouvoir se plaquer contre son siège pour se refroidir, elle grille. En outre les fuites diminuent la pression de compression et la puissance du moteur. Au contraire, si le jeu est trop important, la distribution tape à l'ouverture de la soupape et cette dernière frappe contre son siège lors de la fermeture, d'où un claquement audible.

Des poussoirs à rattrapage du jeu hydraulique ont été adoptés par les constructeurs US dès les années 50 et leur usage s'est répandu plus tard dans le monde entier. Le réglage périodique du jeu des soupapes n'est pas nécessaire si de tels poussoirs sont montés.

Les soupapes doivent ouvrir une large surface pour assurer une respiration optimale du moteur à haut régime. Cette surface dépend de leur diamètre et de leur courbe de levée en fonction de l'angle du vilebrequin. Les vitesses de levée et de fermeture sont limitées pour des raisons évidentes d'accélération maximum. Si cette accélération dépasse une certaine valeur, la soupape flotte, c'est-à-dire qu'elle lève plus haut et qu'elle ne se referme plus selon la courbe dictée par le profil de la came. La soupape peut alors buter contre le piston, être pliée et casser.

Des soupapes de grand diamètre, comme les chambres de combustion hémisphériques l'autorisent, dégagent évidement des ouvertures plus grandes, mais elles sont plus lourdes, si bien qu'elles flottent plus facilement à haut régime. On peut augmenter jusqu'à un certain point la force des ressorts de rappel, mais si le moteur est très "supercarré", c'est-à-dire avec un alésage largement supérieur à la course des pistons – c'est le cas de certains moteurs de compétition, comme ceux de Formule 1 – et tourne à très haut régime on dépasse la limite des possibilités technologiques. La solution est alors de monter des soupapes plus petites mais multiples, par exemple 4 par cylindre. Cette solution présente aussi l'avantage essentiel de procurer un plus grande surface d'ouverture pour un alésage donné du cylindre, si bien que le moteur respire mieux à haut régime.

(© François Dovat)
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Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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