Les soupapes de moteur sont des composants mécaniques utilisés dans les moteurs à combustion interne pour permettre ou limiter l’écoulement de fluide ou d’essence vers et depuis les chambres de combustion ou les cylindres tout au long du fonctionnement du moteur. Fonctionnellement, ils fonctionnent de la même manière que de nombreuses variétés de soupapes en ce sens qu’ils bloquent ou passent avec le flux, mais il peut s’agir d’un dispositif essentiellement mécanique qui s’interface avec différents composants du moteur constitués de doigts basculants afin que l’on puisse s’ouvrir et se fermer dans la bonne collection et avec le bon timing.
La soupape de moteur à période de temps peut également faire référence à une sorte de clapet anti-retour utilisé pour l’injection d’air dans le cadre des structures de contrôle des émissions et de recirculation des gaz d’échappement dans les automobiles. Ce type de soupape de moteur ne sera plus abordé dans cet article.
Les soupapes de moteur sont monnaie courante pour de nombreux types de moteurs à combustion, qu’elles fonctionnent ou non avec une essence telle que le carburant, le diesel, le kérosène, le carburant à base de plantes (GNL) ou le propane (LP). Les types de moteurs varient en utilisant la grande variété de cylindres qui sont les chambres de combustion qui génèrent de l’électricité à partir de l’allumage de l’essence. Ils s’étendent en outre par la forme de fonctionnement (2 ou 4 cycles) et par le placement de conception des soupapes à l’intérieur du moteur.
Cet article décrira en bref le fonctionnement des soupapes de moteur dans les moteurs à combustion ordinaires, ainsi que des faits sur les styles de soupapes et leur conception et leurs matériaux. Plus de faits concernant différents types de vannes peuvent être trouvés dans nos vannes de compréhension manuelles associées.
Nomenclature des soupapes du moteur
La plupart des soupapes du moteur sont conçues comme des soupapes à clapet en raison de leur mouvement de popping de haut en bas et de la caractéristique d’une tête de soupape à profil conique qui s’adapte à un siège de soupape usiné pour sceller le passage des fluides ou des gaz. Ils sont également appelés valves à champignons en raison de la forme exclusive de la tête de soupape. La figure 1 indique la nomenclature des facteurs exceptionnels dans une soupape de moteur typique.
Schéma affichant la nomenclature d’une vanne à clapet.
Figure 1 – Nomenclature pour une soupape de moteur à clapet générale.
Les facteurs principaux sont la tige de soupape et la tête de soupape. La tête comprend un filet qui débouche directement dans une face de siège qui est usinée selon une attitude ciblée pour assurer l’usinage du siège de soupape auquel elle prendra forme. Le siège de la vanne face au siège de la vanne est ce qui assure l’étanchéité de la vanne contre les contraintes de combustion.
La tige de soupape relie la soupape aux éléments mécaniques à l’intérieur du moteur qui actionnent la soupape en créant une force pour transporter la tige contre la contrainte d’assise fournie par un ressort de soupape. La rainure de maintien est utilisée pour préserver le ressort en fonction, et la pointe de la tige de soupape est contactée à plusieurs reprises au moyen d’un culbuteur, d’un poussoir ou d’un poussoir qui actionne la soupape.
Fonctionnement du moteur
Les moteurs à combustion interne à quatre temps ou à quatre temps utilisent deux types principaux de soupapes: la soupape d’admission et la soupape d’échappement. Les soupapes d’admission sont ouvertes pour permettre la dérive d’un mélange air/ essence dans les cylindres du moteur avant la compression et l’allumage, tandis que les soupapes d’échappement s’ouvrent pour permettre l’expulsion des gaz d’échappement de la technique de combustion après l’allumage.
En fonctionnement ordinaire, un vilebrequin à l’intérieur du moteur auquel les pistons sont fixés est attaché à un arbre à cames dans le cadre d’un agencement de train de soupapes pour le moteur. Le mouvement du vilebrequin transfère le mouvement à l’arbre à cames à travers une chaîne de distribution, une courroie de distribution ou un mécanisme à engrenages différent. Le calage et l’alignement entre la position du vilebrequin (qui établit la position du piston dans le cylindre) et l’emplacement de l’arbre à cames (qui détermine l’emplacement des soupapes pour le cylindre) sont essentiels non seulement pour les performances maximales du moteur, mais également pour éviter les interférences entre pistons et soupapes dans les moteurs à compression excessive.
Dans le cycle d’admission, le piston du cylindre de consommation tourne vers le bas lorsque la soupape de consommation s’ouvre. Le mouvement du piston crée une contrainte médiocre qui permet d’aspirer la combinaison air / carburant dans le cylindre. Juste après que le piston a atteint la fonction la plus basse à l’intérieur du cylindre (appelée milieu inutile arrière), la soupape de consommation se ferme. Dans le cycle de compression, la soupape d’admission est fermée pour sceller le cylindre car le piston monte à l’intérieur du cylindre à la fonction la plus élevée (appelée centre inutile pinnacle), ce qui comprime le mélange air / gaz dans une faible mesure. Ce mouvement de compression permet d’offrir une meilleure contrainte vers le piston pendant l’allumage du carburant en plus de préchauffer le mélange pour aider à une combustion verte du carburant. Dans le cycle de puissance, la combinaison air / carburant est allumée, ce qui crée une explosion qui force le piston à la position la plus basse et transfère l’électricité chimique lancée au moyen de la combustion du mélange air / essence dans le mouvement de rotation du vilebrequin. Lors du cycle d’échappement, le piston remonte à nouveau vers le haut à l’intérieur du cylindre tandis que la soupape de consommation reste fermée et que la soupape d’échappement est maintenant ouverte. La pression créée au moyen du piston aide à forcer les gaz d’échappement hors du cylindre à travers la soupape d’échappement et dans le collecteur d’échappement. Connecté au collecteur d’échappement sont le gadget d’échappement, un ensemble de tuyaux qui comprend un silencieux pour réduire le bruit acoustique, et un système de convertisseur catalytique pour gérer les émissions de la combustion du moteur. Une fois que le piston atteint le sommet du cylindre à l’intérieur du cycle d’échappement, la soupape d’échappement commence à se fermer et la soupape de consommation commence à s’ouvrir, démarrant à nouveau le système. Notez que la pression exercée par le cylindre sur la consommation contribue à préserver l’ouverture de la soupape d’admission et que la pression élevée pendant le cycle de compression permet de maintenir les deux soupapes fermées.
Dans les moteurs qui ont plus d’un cylindre, les quatre cycles identiques se répètent dans chacun des cylindres cependant séquencés afin que le moteur prouve une résistance facile et minimise le bruit et les vibrations. Le séquençage du mouvement du piston, du mouvement des soupapes et de l’allumage est effectué grâce à la conception mécanique appropriée et au calage électrique des signaux d’allumage des bougies d’allumage qui enflamment l’agrégat air / carburant.
Mouvement des soupapes du moteur
Le mouvement des soupapes du moteur est poussé à l’aide de l’arbre à cames du moteur, qui incorpore une série de lobes ou de cames qui servent à créer un mouvement linéaire de la soupape à partir de la rotation de l’arbre à cames. Le nombre de lobes de came sur l’arbre à cames est égal à la plage de soupapes dans le moteur. Lorsque l’arbre à cames est dans la culasse, le moteur est appelé une disposition de came en tête (OHC); tandis que l’arbre à cames est dans le bloc moteur, le moteur est appelé une disposition de soupape en tête (OHV). Quelle que soit la configuration du moteur, le mouvement primaire des soupapes du moteur se produit via l’entraînement de la came en opposition à un poussoir ou à un poussoir qui fournit une pression qui appuie sur la tige de soupape et comprime le ressort de soupape, supprimant ainsi la tension du ressort qui maintient la soupape en position fermée. Ce mouvement de la tige de soupape soulève la soupape du siège de la culasse et ouvre la soupape. Une fois que l’arbre à cames tourne plus loin et que le lobe de came agit de manière à ce que le composant excentrique ne soit pas immédiatement en contact avec le poussoir ou le poussoir, la contrainte du ressort ferme la soupape car la tige de soupape monte au niveau de la partie centrale du lobe de came.
Le maintien du jeu de soupape entre la tige de soupape et le culbuteur ou la came est extrêmement essentiel au bon fonctionnement des soupapes. Un jeu minimum est souhaité pour permettre l’élargissement des éléments en acier lorsque la température du moteur augmente à un moment donné du fonctionnement. Les valeurs de jeu spécifiques varient d’un moteur à l’autre, et le fait de ne pas maintenir le jeu à droite aura des conséquences extrêmes sur le fonctionnement du moteur et les performances globales. Si le jeu des soupapes est tout simplement trop important, les soupapes s’ouvriront plus tard qu’optimalement et pourraient s’approcher plus rapidement, ce qui pourrait réduire les performances globales du moteur et le bruit du moteur de croissance. Si le jeu des soupapes est tout simplement trop faible, les soupapes ne seront plus complètement proches, ce qui peut entraîner un manque de compression. Les poussoirs hydrauliques de soupape sont auto-compensateurs et peuvent repousser la nécessité de modifier le jeu des soupapes.
Les moteurs à combustion modernes peuvent utiliser une gamme unique de soupapes en ligne avec le cylindre en s’appuyant sur la conception et le logiciel. Les moteurs plus petits ainsi que ceux utilisés dans les tondeuses à gazon peuvent également avoir une seule soupape de consommation et une soupape d’échappement. Les moteurs automobiles plus gros ainsi que les moteurs à quatre, 6 ou huit cylindres peuvent utiliser 4 soupapes selon le cylindre ou de temps en temps 5.
Matériaux des soupapes du moteur
Les soupapes du moteur sont l’un des composants des moteurs à combustion interne qui sont particulièrement sollicités. Le besoin d’un fonctionnement fiable du moteur impose que les soupapes du moteur puissent résister à une exposition répétée et ininterrompue à des températures élevées, à une pression élevée de la chambre de combustion et à des charges et contraintes mécaniques dues à la dynamique du moteur.
Les soupapes de consommation des moteurs à combustion interne sont soumises à une contrainte thermique beaucoup moins importante en raison des résultats de refroidissement de l’agrégat air / essence entrant qui passe à l’aide de la soupape au cours du cycle de consommation. Les soupapes d’échappement, par comparaison, sont exposées à des plages de pression thermique plus élevées en utilisant le fait d’être à l’intérieur de la voie des gaz d’échappement tout au long du cycle d’échappement du moteur. De plus, la réalité que la soupape d’échappement est ouverte pendant le cycle d’échappement et maintenant non en contact avec la culasse signifie que la masse thermique plus petite de la face de combustion et de la tête de soupape a une plus grande capacité à un changement de température rapide.
Les soupapes d’admission, en raison de leurs températures de fonctionnement plus basses, sont généralement fabriquées à partir de matériaux tels que le chrome, le nickel ou le tungstène. Les soupapes d’échappement à température plus élevée peuvent également utiliser des métaux plus résistants à la chaleur avec des alliages nichrome, silicium‑chrome ou cobalt-chrome.
Les faces de soupape qui sont découvertes à des températures plus élevées sont parfois rendues plus durables par le soudage de Stellite, c’est-à-dire un alliage de cobalt et de chrome, à la face de soupape.
D’autres variétés de tissus utilisées pour la fabrication de soupapes de moteur sont constituées d’acier inoxydable, de titane et d’alliages de tribaloy.
Fabricant de soupapes
De plus, des revêtements et des finitions de surface peuvent être appliqués pour améliorer les propriétés mécaniques et mettre en valeur les caractéristiques des soupapes du moteur. Des exemples de ceci consistent en un chromage, un placage de phosphate, un revêtement de nitrure et une finition tourbillonnante