Les soupapes

Les soupapes sont des obturateurs qui, animés d'un mouvement alternatif, ouvrent et ferment alternativement l'entrée ou, suivant le cas, la sortie des gaz. Leur forme se rapproche de celle d'un champignon. Elles doivent être étudiées de telle façon qu'elles freinent le moins possible l'écoulement des gaz. On recherche toujours la levée maximum. Les moteurs à explosion classiques comportent deux sortes de soupapes : les soupapes d'admission et les soupapes d'échappement. Les premières assurent le passage des gaz frais, les secondes le passage des gaz brûlés.

De nombreux mécanismes ont été étudiés pour remplacer la soupape classique : tiroirs, chemises, boisseaux rotatifs ou non, etc. On a même, avec les moteurs à deux temps notamment, supprimé les soupapes, en utilisant des lumières que le piston, dans sa course, vient ouvrir ou fermer au moment opportun. Mais la soupape reste la pièce mécanique le plus généralement utilisée dans les moteurs modernes ou anciens. On obtient, avec elle, le rendement maximum joint à une sécurité presque totale, à défaut du silence de fonctionnement.

Les moteurs se différencient d'après la disposition de leurs soupapes. Ils sont dits à soupapes latérales lorsque celles-ci sont alignées sur le côté du moteur. Un seul arbre à cames, situé dans le carter, suffit pour les attaquer à l'instant voulu. La soupape a, dans ce cas, comme intermédiaire le poussoir. Avec le moteur culbuté, les soupapes sont situées dans la culasse, la tête en bas, à l'inverse du dispositif précédent. Pour les commander, on a alors recours à deux montages. Dans le premier on laisse l'arbre à cames dans le carter, en employant une tringle agissant sur un levier, dit culbuteur, qui, oscillant autour d'un axe fixe, inverse le mouvement et agit directement sur la queue des soupapes. Dans le deuxième on monte l'arbre à cames dans la culasse et l'on attaque directement la queue des soupapes. Notons, chemin faisant, quelques variantes. On peut utiliser deux arbres à cames — Salmson — attaquant directement l'un les soupapes d'échappement, l'autre les soupapes d'admission. Quelquefois on interpose entre l'arbre à cames et les queues de soupapes un culbuteur. On supprime, avec le deuxième montage, l'emploi de la tringlerie et du poussoir. L'inertie est réduite au minimum, ce qui permet d'accroître la vitesse de rotation des moteurs. Notons enfin que les culasses à chambres de combustion hémisphériques obligent à monter les soupapes suivant une certaine inclinaison, — moteur de la 203, — d'autant plus que la bougie occupe le sommet de la sphère. On fait appel à ce moment à des variantes particulières pour ces moteurs. On a aussi cherché à réduire le freinage des gaz, dans les moteurs à soupapes latérales, en inclinant celles-ci. Ce ne sont là que des modifications de détails.

La soupape est constituée de la « tête », épanouissement circulaire, de la tige ou queue. Le dessus de la tête est plat, bombé ou concave. Une rainure est prévue pour recevoir le tournevis qui servira au rodage. La tête tronconique présente un angle de 30° ou 45°. Elle comporte une zone qui, parfaitement ajustée, est dénommée portée. C'est cette zone qui assure l'étanchéité. La portée repose sur le siège. Ce dernier, dans les culasses en alliage léger, est rapporté. Il est en acier spécial. L'épaisseur de la tête est la plus réduite possible. Un large rayon qui forme col raccorde la tête à la queue. On exige des soupapes une parfaite étanchéité afin d'éviter tout retour des gaz aussi bien pendant la compression que pendant la détente. Les retours de flamme sont dus, le plus souvent, à une fermeture défectueuse. Un défaut de portée donne naissance à une inclinaison de la soupape, qui, si légère qu'elle soit, occasionne du jeu dans le guide. Ici, comme pour l'ensemble cylindres et pistons, c'est la pièce la plus dure qui s'use le plus vite.

La tige de la soupape se creuse. On se trouve dès lors en présence d'entrées d'air additionnel intempestives au moment de l'aspiration. La carburation devient mauvaise, les départs à froid difficiles, le ralenti défectueux. Certains moteurs, même les plus modernes, font une grande consommation de soupapes. Le bon comportement de celles-ci dépend du dessin général de la culasse et du groupe cylindre. La température de fonctionnement de la soupape est souvent seule en cause.

Certains moteurs « grillent » toujours les mêmes soupapes, notamment celles de l'échappement. Il importe, dans ce cas, de supprimer la cause du mal, qui réside presque toujours en un mauvais refroidissement de la soupape maladive : présence d'un point chaud ou d'une poche de vapeur. En examinant le dessin des chambres d'eau, on jugera si, sans danger, on peut apporter les modifications ou transformations qui pourraient donner les résultats cherchés. Un remède plus simple consiste à monter des soupapes spéciales en acier rare résistant à la corrosion et à l'effet de chalumeau des gaz. La température de marche des soupapes d'admission, qui est de l'ordre de 400°, peut atteindre et même dépasser 800° avec les soupapes d'échappement. On utilise alors des soupapes en acier au silicium-chrome, dont la tenue est très supérieure aux aciers nickel-chrome classiques. En aviation, on a vu naître les soupapes creuses au sodium, qui assurent une évacuation rapide de la chaleur.

Un traitement thermique approprié permet d'obtenir les plus hautes caractéristiques mécaniques. Avec le stellitage, on obtient par revêtement un point de fusion très élevé, voisin de 1.200°. Pour les soupapes d'admission, qui sont souvent d'un diamètre plus grand que celles d'échappement, les aciers spéciaux mis à contribution sont le chrome-molybdène, le silicium-molybdène ou le nickel-chrome. Comme on le voit, la sidérurgie moderne ne manque pas de ressources. Elle a toujours recherché dans la soupape la meilleure tenue mécanique jointe à la résistance optimum à la corrosion, au matage et au brûlage.

Le dessinateur, de son côté, a étudié des formes facilitant le bon écoulement des fluides, ainsi que l'évacuation rapide des calories en excès. La stricte observation des jeux prévus par le constructeur pour le réglage des taquets ou poussoirs est très importante. Il importe de vérifier à intervalles réguliers ce réglage.

Contrairement à ce que l'on peut constater sur tous les autres organes mécaniques du moteur, de la boîte ou du pont, le jeu aux taquets diminue sans cesse. Cette constatation anormale à son origine dans le fait que l'usure du siège et du champignon a pour résultat de faire descendre de plus en plus le champignon dans le siège. Sans omettre non plus l'allongement de la tige par le ressort de rappel qui agit à l'extrémité de la queue. Pour tenir compte de la dilatation, qui comme chacun sait est proportionnelle à la température, le jeu aux taquets est en moyenne de 10 à 15 centièmes pour l'admission et 20 à 25 centièmes pour l'échappement.

Les sièges de soupapes rapportés sont le plus souvent en fonte spéciale réfractaire, en fonte extra-dure, nickel-chrome traité, ou encore en acier rapide semblable à celui des outils de coupe. Le guide, qui est toujours rapporté, est le plus souvent en fonte ou en bronze graphité ou phosphoreux. Les ressorts de rappel sont soumis à un travail considérable. Ils doivent être suffisamment puissants pour vaincre l'inertie de l'ensemble en mouvement : soupapes, culbuteurs, poussoirs et tringlerie.

Les soupapes doivent être contrôlées avec un soin particulier non seulement dans les tolérances de fabrication, compte tenu de la dilatation, mais également, et surtout, sous l'angle d'homogénéité du métal utilisé. La forge peut être la cause d'amorce de paille ou de cassure. Si, lorsque se produit une rupture de soupapes dans un moteur à soupapes latérales, les dégâts sont assez limités, il n'en est pas de même avec les moteurs à soupapes en-tête. La tête tombe alors dans le cylindre, et, l'espace libre dans la chambre d'explosion étant très réduit, on assiste à des accidents mécaniques des plus graves : piston défoncé, bielle et même vilebrequin faussés.

Les ennuis de soupapes ont pour origine une mauvaise étanchéité due à une mauvaise carburation, un allumage défaillant, une insuffisance d'avance, une élévation accidentelle de température du moteur. Si la soupape n'est brûlée que superficiellement, on dit alors qu'elle est « piquée ». Dans ce cas, une rectification du siège et de la portée de la soupape, jointe à un rodage soigné, remettra tout en place. Notons que les supercarburants à base de tétra-éthyle de plomb mettent à rude épreuve les soupapes. Un moteur calaminé n'arrange pas les choses. Nombreux sont les automobilistes qui effectuent eux-mêmes le décalaminage. Certaines précautions sont à prendre. Il ne suffit pas d'enlever le plus gros; il faut, au contraire, débarrasser le moteur de toute trace de calamine, et, si possible, procéder à un véritable polissage de toutes les surfaces intérieures. Il ne faut pas perdre de vue, en effet, que plus une surface est lisse, moins le moteur calaminera. Si on laisse subsister des dépôts charbonneux, si minime soient-ils, ceux-ci serviront d'amorce pour la formation de nouveaux dépôts. On terminera par le nettoyage des bougies. Le meilleur procédé est le sablage. Ceci fait, on n'oubliera pas de régler correctement l'écartement des électrodes.

G. AVANDO,

Ingénieur E. T. P.

Le Chasseur Français N°652 Juin 1951 Page 364