Technique : Les soupapes

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.