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.

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.

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.

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.

En pratique, le débit réel du mélange à l'admission se rapproche d'autant plus de la valeur idéale que ce rapport est plus élevé, et il atteint sa valeur maximale lorsque le rapport tend vers 0,25. La température maximale supportée par les soupapes est analogue à celle qui règne dans la partie centrale de la culasse, au voisinage de la chambre de combustion : dans les moteurs les plus sollicités à cycle Beau de Rochas, on atteint 800 °C ; dans les diesels, la température doit être inférieure à 700 °C, car les gaz d'échappement sont plus corrosifs et leur attaque est favorisée par la température. Entrent également en considération des données de caractère économique qui imposent pour ces moteurs une plus grande longévité des soupapes.

La chaleur que la soupape reçoit des gaz chauds est évacuée à environ 75 % par le siège. Une rotation lente de la soupape en fonctionnement permet d'uniformiser sur le pourtour de ce dernier à la fois la température et l'usure. La température moyenne de la tige est inférieure à 400 °C et la quantité de chaleur transmise à la culasse par l'intermédiaire du guide de soupape représente les 25 % restants. Ces problèmes se font bien moins sentir pour la soupape d'admission, car celle-ci est refroidie par le mélange frais à l'admission. Pour cette raison, et parce que la chaleur reçue dépend de la surface exposée, la tête des soupapes d'échappement a souvent un diamètre plus faible que celui de la tête des soupapes d'admission. Pour mieux évacuer la chaleur transmise par l'intermédiaire de la tige, il ne convient pas d'en augmenter le diamètre, car on en augmenterait également le poids, mais on peut changer le mode de transmission. Cette solution prévoit des tiges creuses et partiellement remplies de sodium ou de sels de lithium et de potassium qui, fondant à basse température, sont violemment agités, pendant le fonctionnement, entre la tête et la tige, provoquant ainsi un refroidissement plus énergique. Elle est apparue tout d'abord dans les moteurs d'aviation en étoile et a été par la suite appliquée avec succès également dans des moteurs de course et dans des voitures de tourisme (Alfa Romeo, Ferrari).

Les caractéristiques exigées des matériaux pour soupapes dépendent d'un grand nombre de facteurs : des dimensions et formes des soupapes, de leur siège et du conduit d'échappement, de la distribution, du taux de compression et de la composition du combustible. Le matériau constituant la tige doit avoir un faible coefficient de frottement avec le guide de soupape et un faible coefficient de dilatation, ce qui permettra de diminuer les jeux tige-guide et soupape-poussoir. Elle doit en outre posséder des propriétés de résistance à l'usure. Pour le guide de soupape, on utilisera, la plupart du temps, de la fonte perlitique ou du bronze. La matière constituant la tête, et en particulier pour la soupape d'échappement, devra résister aux chocs et à la corrosion. Le phénomène de la corrosion est complexe ; il est dû à l'action concomitante d'oxyde de carbone, de vapeur d'eau et d'anhydride sulfureux, d'hydrocarbures, de dépôts solides, de complexes d'oxydes et, quelquefois, de résidus des additifs « antimisfiring ». Pour les têtes on faisait autrefois appel à des aciers ferriques lorsque les températures ne dépassaient pas 550 °C ; on emploie aujourd'hui des aciers alliés au nickel/chrome tant pour la tête que pour la tige, si le moteur n'est pas très sollicité. Lorsqu'il n'est pas possible d'obtenir la dureté désirée avec le matériau de base, on rapporte un cordon de stellite sur le siège (il s'agit d'un alliage à base de cobalt et de chrome).

On réalise maintenant assez fréquemment des soupapes bimétalliques (la tête et la tige en des matières différentes assemblées par soudure). Les soupapes ainsi obtenues ne présentent pas d'inconvénients, par rapport à celles constituées d'un seul métal, en ce qui concerne la trempabilité ou la différence des conductibilités thermiques ; elles sont, en outre, inoxydables et indéformables. Les soupapes sont ordinairement soumises à un traitement thermique de trempe sur les portées d'étanchéité et sur l'extrémité de la tige, à des traitements superficiels de chromage ou de nitruration douce sur les portées, afin d'en augmenter la dureté, et, ensuite, au chromage sur la longueur de la tige pour améliorer les caractéristiques de résistance à l'usure. On a adopté récemment le durcissement par aluminiage, utilisé de préférence sur les portées d'étanchéité 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 monométalliques sont obtenues par matriçage avec chauffage électrique. L'opération part d'une barre de diamètre légèrement supérieur à celui de la tige, chauffée à son extrémité jusqu'à ramollissement et refoulée ensuite pour former la tête.

Cette technique a été récemment dépassée par le procédé d'extrusion, qui ne crée pas de tensions entre les zones qui ont été chauffées ou non (ces tensions ne peuvent être éliminées complètement par des traitements thermiques et entraînent des manques d'uniformité du grain et de la structure de la matière). L'opération part d'une bille d'un diamètre correspondant environ aux deux tiers de celui de la tête; par extrusion, on forme la tête et la tige, et une opération ultérieure de calibrage prépare ensuite la soupape aux opérations d'usinage par enlèvement de copeaux. Les sièges de soupape sont réalisés le plus souvent avec des anneaux monoblocs en fonte perlitique rapportés dans la culasse. On obtient un contact parfait entre les surfaces d'étanchéité par rodage. Cette opération de finition n'est utilisée communément que pour les moteurs de grande classe et elle est désormais éliminée pour les moteurs de grande série. Le rodage constitue néanmoins une opération de révision périodique du moteur, et on l'effectuera lorsque l'étanchéité s'avérera défectueuse pour rétablir l'état initial des surfaces en éliminant le début de corrosion.

La vérification de l'état d'étanchéité des soupapes se fait, cylindre par cylindre, au moyen d'un appareil qui met sous pression la chambre de combustion, les soupapes étant fermées : une baisse de pression signale alors un défaut d'étanchéité sur le siège. Dans la préparation d'un moteur pour la compétition, lorsqu'on rabote la culasse on augmente aussi en général le diamètre des soupapes au détriment des portées d'étanchéité, l'épaisseur des sièges étant ainsi réduite au minimum. Les principales causes qui provoquent des casses de soupapes sont les conditions thermiques dissymétriques et des anomalies de combustion, en particulier l'allumage prématuré. Dans certains cas, cependant, il suffit d'un sur-régime pour faire battre la soupape contre le piston et l'endommager d'une façon irréparable.