Soupape du moteur. Objectif, appareil, conception

Pour qu'un moteur à combustion interne à quatre temps de n'importe quelle voiture fonctionne, son appareil comprend de nombreuses pièces et mécanismes différents qui sont synchronisés les uns avec les autres. Parmi ces mécanismes figure le timing. Sa fonction est d'assurer le fonctionnement opportun de la distribution des soupapes. De quoi s'agit-il est décrit en détail ici.

En bref, le mécanisme de distribution de gaz ouvre la soupape d'entrée / sortie au bon moment pour assurer la synchronisation du processus lors de l'exécution d'une course particulière dans le cylindre. Dans certains cas, il est nécessaire que les deux trous soient fermés, dans l'autre, l'un ou même les deux soient ouverts.

Examinons de plus près un détail qui vous permet de stabiliser ce processus. Ceci est une valve. Quelle est la particularité de son design, et aussi comment ça marche?

Qu'est-ce qu'une soupape de moteur

La valve est une pièce métallique installée dans la culasse. Il fait partie du mécanisme de distribution de gaz et est entraîné par un arbre à cames.

En fonction de la modification de la voiture, le moteur aura un calage inférieur ou supérieur. La première option se trouve encore dans certaines anciennes modifications des unités de puissance. La plupart des fabricants ont depuis longtemps opté pour le deuxième type de mécanismes de distribution de gaz.

La raison en est qu'un tel moteur est plus facile à régler et à réparer. Pour régler les vannes, il suffit de retirer le couvercle de la vanne et il n'est pas nécessaire de démonter l'ensemble de l'unité.

Objectif et caractéristiques de l'appareil

La valve est un élément à ressort. Dans un état calme, il ferme hermétiquement le trou. Lorsque l'arbre à cames tourne, la came située dessus pousse la soupape vers le bas et l'abaisse. Cela ouvre le trou. La conception de l'arbre à cames est décrite en détail dans une autre critique.

Chaque partie joue sa propre fonction, ce qui est structurellement impossible à réaliser pour un élément similaire situé à proximité. Il y a au moins deux soupapes par cylindre. Dans les modèles plus chers, il y en a quatre. Dans la plupart des cas, ces éléments sont par paires et ouvrent différents groupes de trous: certains sont en entrée et d'autres en sortie.

Les soupapes d'admission sont responsables de l'admission d'une partie fraîche du mélange air-carburant dans le cylindre, et dans les moteurs à injection directe (un type de système d'injection de carburant, il est décrit ici) - le volume d'air frais. Ce processus se produit au moment où le piston effectue la course d'admission (à partir du point mort haut après avoir retiré l'échappement, il se déplace vers le bas).

Les soupapes d'échappement ont le même principe d'ouverture, mais elles ont une fonction différente. Ils ouvrent un trou pour l'évacuation des produits de combustion dans le collecteur d'échappement.

Conception des soupapes du moteur

Les pièces en question sont incluses dans le groupe de vannes du mécanisme de distribution de gaz. Avec d'autres pièces, ils fournissent un changement opportun dans le calage des soupapes.

Tenez compte des caractéristiques de conception des vannes et des pièces associées, dont dépend leur fonctionnement efficace.

Vannes

Les soupapes se présentent sous la forme d'une tige, d'un côté de laquelle se trouve une tête ou un élément de champignon, et de l'autre - un talon ou une extrémité. La partie plate est conçue pour fermer hermétiquement les ouvertures de la culasse. Une transition douce est faite entre la cymbale et la tige, pas un pas. Cela permet à la vanne d'être rationalisée de manière à ne pas créer de résistance au mouvement du fluide.

Dans le même moteur, les soupapes d'admission et d'échappement seront légèrement différentes. Ainsi, les premiers types de pièces auront une plaque plus large que la seconde. La raison en est la température et la pression élevées lorsque les produits de combustion sont éliminés par la sortie de gaz.

Pour rendre les pièces moins chères, les valves sont en deux parties. Ils diffèrent par leur composition. Ces deux pièces sont jointes par soudure. Le chanfrein du disque de soupape de sortie est également un élément séparé. Il est déposé à partir d'un type de métal différent, qui possède des propriétés de résistance à la chaleur, ainsi qu'une résistance aux contraintes mécaniques. En plus de ces propriétés, l'extrémité des soupapes d'échappement est moins sujette à la formation de rouille. Certes, cette pièce dans de nombreuses vannes est faite d'un matériau identique au métal à partir duquel la plaque est faite.

Les têtes des éléments d'entrée sont généralement plates. Cette conception a la rigidité et la facilité d'exécution requises. Les moteurs améliorés peuvent être équipés de soupapes à disque concaves. Cette conception est légèrement plus légère que la contrepartie standard, réduisant ainsi la force d'inertie.

Quant aux homologues de sortie, la forme de leur tête sera soit plate, soit convexe. La deuxième option est plus efficace, car elle permet une meilleure évacuation des gaz de la chambre de combustion grâce à sa conception simplifiée. De plus, la plaque convexe est plus durable que son homologue plat. En revanche, un tel élément est plus lourd, ce qui souffre de son inertie. Ces types de pièces nécessiteront des ressorts plus rigides.

De plus, la conception de la tige de ce type de soupapes est légèrement différente de celle des pièces d'admission. Pour fournir une meilleure dissipation thermique de l'élément, la barre est plus épaisse. Cela augmente la résistance à un fort échauffement de la pièce. Cependant, cette solution présente un inconvénient - elle crée une plus grande résistance aux gaz éliminés. Malgré cela, les fabricants utilisent toujours cette conception, car les gaz d'échappement sont émis sous une forte pression.

Aujourd'hui, il existe un développement innovant de vannes à refroidissement forcé. Cette modification a un noyau creux. Le sodium liquide est pompé dans sa cavité. Cette substance s'évapore lorsqu'elle est fortement chauffée (située près de la tête). À la suite de ce processus, le gaz absorbe la chaleur des parois métalliques. Lorsqu'il monte, le gaz se refroidit et se condense. Le liquide s'écoule vers la base, où le processus est répété.

Afin que les clapets assurent l'étanchéité de l'interface, un chanfrein est sélectionné dans le siège et sur le disque. Cela se fait également avec un biseau pour éliminer le pas. Lors de l'installation des vannes sur le moteur, elles sont frottées contre la tête.

L'étanchéité de la connexion siège-tête est affectée par la corrosion des brides et les pièces de sortie souffrent souvent de dépôts de carbone. Pour prolonger la durée de vie des soupapes, certains moteurs sont équipés d'un mécanisme supplémentaire qui fait légèrement tourner la soupape lorsque la sortie est fermée. Cela supprime les dépôts de carbone résultants.

Parfois, il arrive que la tige de la valve se brise. Cela fera tomber la pièce dans le cylindre et endommagera le moteur. En cas de panne, il suffit que le vilebrequin fasse quelques tours d'inertie. Pour éviter cette situation, les fabricants de vannes automobiles peuvent équiper la pièce d'une bague de retenue.

Un peu sur les caractéristiques du talon de valve. Cette pièce est soumise à une force de frottement car elle est affectée par la came d'arbre à cames. Pour que la vanne s'ouvre, la came doit la pousser vers le bas avec suffisamment de force pour comprimer le ressort. Cet appareil doit recevoir une lubrification suffisante, et pour ne pas s'user rapidement, il est durci. Certains concepteurs de moteurs utilisent des capuchons spéciaux pour éviter l'usure de la tige, qui sont faits de matériaux résistants à de telles charges.

Pour éviter que la valve ne reste coincée dans le manchon pendant le chauffage, la partie de la tige près de la cymbale est légèrement plus fine que la partie près du talon. Pour fixer le ressort de soupape, deux rainures sont pratiquées à l'extrémité des soupapes (dans certains cas, une), dans lesquelles s'insèrent les craquelins du support (une plaque fixe où repose le ressort).

Ressorts de soupape

Le ressort affecte l'efficacité de la vanne. Il est nécessaire pour que la tête et le siège fournissent une connexion étanche et que le milieu de travail ne pénètre pas à travers la fistule formée. Si cette pièce est très rigide, la came d'arbre à cames ou le talon de la tige de soupape s'usera rapidement. En revanche, un ressort faible ne pourra pas assurer un ajustement serré entre les deux éléments.

Étant donné que cet élément fonctionne dans des conditions de charges changeantes rapidement, il peut se briser. Les fabricants de groupes motopropulseurs utilisent différents types de ressorts pour éviter les pannes rapides. Dans certains délais, des types doubles sont installés. Cette modification réduit la charge sur un élément individuel, augmentant ainsi sa durée de vie.

Dans cette conception, les ressorts auront une direction différente des tours. Cela empêche les particules de la pièce cassée de passer entre les spires de l'autre. L'acier à ressort est utilisé pour fabriquer ces éléments. Une fois le produit formé, il est tempéré.

Sur les bords, chaque ressort est meulé de manière à ce que toute la pièce d'appui soit en contact avec la tête de soupape et la plaque supérieure fixée à la culasse. Pour éviter que la pièce ne s'oxyde, elle est recouverte d'une couche de cadmium et galvanisée.

En plus des soupapes de distribution classiques, une soupape pneumatique peut être utilisée dans les véhicules de sport. En fait, c'est le même élément, seulement il est mis en mouvement par un mécanisme pneumatique spécial. Grâce à cela, une telle précision de fonctionnement est obtenue que le moteur est capable de développer des révolutions incroyables - jusqu'à 20 mille.

Un tel développement est apparu dans les années 1980. Il contribue à une ouverture / fermeture plus claire des trous, ce qu'aucun ressort ne peut fournir. Cet actionneur est alimenté par du gaz comprimé dans un réservoir au-dessus de la vanne. Lorsque la came touche la valve, la force d'impact est d'environ 10 bars. Le clapet s'ouvre, et lorsque l'arbre à cames affaiblit l'impact sur son talon, le gaz comprimé remet rapidement la pièce à sa place. Pour éviter les chutes de pression dues à d'éventuelles fuites, le système est équipé d'un compresseur supplémentaire dont le réservoir est à une pression d'environ 200 bars.

James Ellison, PBM Aprilia, CRT Test Jerez Février 2012

Ce système est utilisé dans les motos de la classe MotoGP. Ce transport avec un litre de volume moteur est capable de développer 20-21 mille tours de vilebrequin. Un modèle avec un mécanisme similaire est l'un des modèles de motos Aprilia. Sa puissance était incroyable de 240 ch. Certes, c'est trop pour un véhicule à deux roues.

Guides de soupape

Le rôle de cette pièce dans le fonctionnement de la vanne est de s'assurer qu'elle se déplace en ligne droite. Le manchon permet également de refroidir la tige. Cette pièce nécessite une lubrification constante. Sinon, la tige sera soumise à une contrainte thermique constante et le manchon s'usera rapidement.

Le matériau qui peut être utilisé pour fabriquer de telles bagues doit être résistant à la chaleur, résister à un frottement constant, bien évacuer la chaleur de la partie adjacente et résister à des températures élevées. Ces exigences peuvent être satisfaites par la fonte grise perlite, le bronze aluminium, la céramique avec chrome ou chrome-nickel. Tous ces matériaux ont une structure poreuse, ce qui aide à maintenir l'huile à leur surface.

La bague de la soupape d'échappement aura un jeu légèrement plus grand entre la tige que l'équivalent d'admission. La raison en est la plus grande dilatation thermique de la soupape d'évacuation des gaz résiduaires.

Sièges de soupape

Il s'agit de la partie de contact de l'alésage de culasse près de chaque cylindre et disque de soupape. Cette partie de la tête étant exposée à des sollicitations mécaniques et thermiques, elle doit avoir une bonne résistance aux fortes chaleurs et aux chocs fréquents (lorsque la voiture roule vite, le régime de l'arbre à cames est si élevé que les soupapes tombent littéralement dans le siège).

Si le bloc-cylindres et sa culasse sont en alliage d'aluminium, les sièges de soupapes seront forcément en acier. La fonte supporte déjà bien de telles charges, donc la selle dans cette modification est faite dans la tête elle-même.

Des selles enfichables sont également disponibles. Ils sont en fonte alliée ou en acier résistant à la chaleur. Pour que le chanfrein de l'élément ne s'use pas autant, il est réalisé par superposition de métal résistant à la chaleur.

Le siège d'insert est fixé dans l'alésage de tête de différentes manières. Dans certains cas, il est enfoncé et une rainure est ménagée dans la partie supérieure de l'élément, qui est remplie du métal du corps de tête lors de l'installation. Cela crée l'intégrité de l'assemblage à partir de différents métaux.

Le siège en acier est fixé en évasant le dessus dans le corps de la tête. Il existe des selles cylindriques et coniques. Dans le premier cas, ils sont montés en butée, et le second présente un petit écart d'extrémité.

Nombre de soupapes dans le moteur

Un moteur à combustion 4 temps standard a un arbre à cames et deux soupapes par cylindre. Dans cette conception, une partie est responsable de l'injection d'un mélange d'air ou simplement d'air (si le système de carburant a une injection directe), et l'autre est responsable de l'élimination des gaz d'échappement dans le collecteur d'échappement.

Travail plus efficace dans la modification du moteur, dans lequel il y a quatre soupapes par cylindre - deux pour chaque phase. Grâce à cette conception, un meilleur remplissage de la chambre avec une nouvelle portion de VTS ou d'air est assuré, ainsi qu'une évacuation accélérée des gaz d'échappement et une ventilation de la cavité du cylindre. Les voitures ont commencé à être équipées de tels moteurs à partir des années 70 du siècle dernier, bien que le développement de telles unités ait commencé dans la première moitié des années 1910.

À ce jour, pour améliorer le fonctionnement des groupes motopropulseurs, il existe un développement de moteur dans lequel il y a cinq soupapes. Deux pour la sortie et trois pour l'entrée. Un exemple de telles unités sont les modèles de la société Volkswagen-Audi. Bien que le principe de fonctionnement de la courroie de distribution dans un tel moteur soit identique aux versions classiques, la conception de ce mécanisme est compliquée, ce qui rend le développement innovant coûteux.

Une approche non standard similaire est également adoptée par le constructeur automobile Mercedes-Benz. Certains moteurs de ce constructeur sont équipés de trois soupapes par cylindre (2 admission, 1 échappement). De plus, deux bougies d'allumage sont installées dans chaque chambre du pot.

Le fabricant détermine le nombre de soupapes en fonction de la taille de la chambre dans laquelle le carburant et l'air entrent. Pour améliorer son remplissage, il est nécessaire d'assurer un meilleur écoulement de la portion fraîche de BTC. Pour ce faire, vous pouvez augmenter le diamètre du trou, et avec lui la taille de la plaque. Cependant, cette modernisation a ses propres limites. Mais il est tout à fait possible d'installer une soupape d'admission supplémentaire, de sorte que les constructeurs automobiles développent précisément de telles modifications de culasse. La vitesse d'admission étant plus importante que l'échappement (l'échappement est retiré sous la pression du piston), avec un nombre impair de soupapes, il y aura toujours plus d'éléments d'admission.

De quoi sont faites les valves

Étant donné que les vannes fonctionnent dans des conditions de température et de contraintes mécaniques maximales, elles sont constituées d'un métal résistant à de tels facteurs. Surtout s'échauffe, et rencontre également des contraintes mécaniques, le lieu de contact entre le siège et le disque de soupape. À haut régime, les soupapes s'enfoncent rapidement dans les sièges, créant un choc sur les bords de la pièce. De plus, lors du processus de combustion d'un mélange d'air et de carburant, les bords minces de la plaque sont soumis à un chauffage brutal.

En plus du disque de soupape, les manchons de soupape sont également sollicités. Les facteurs négatifs qui conduisent à l'usure de ces éléments sont une lubrification insuffisante et un frottement constant pendant le mouvement rapide de la vanne.

Pour ces raisons, les exigences suivantes sont imposées aux vannes:

1. Ils doivent sceller l'entrée / sortie;
2. Avec un chauffage fort, les bords de la plaque ne doivent pas se déformer à cause des chocs sur la selle;
3. Doit être bien rationalisé afin qu'aucune résistance ne soit créée au support entrant ou sortant;
4. La pièce ne doit pas être lourde;
5. Le métal doit être résistant et durable;
6. Ne doit pas subir une forte oxydation (lorsque la voiture roule rarement, les bords des têtes ne doivent pas rouiller).

La partie qui a ouvert le trou dans les moteurs diesel chauffe jusqu'à 700 degrés, et dans les homologues à essence - jusqu'à 900 au-dessus de zéro. La situation est compliquée par le fait qu'avec un chauffage aussi fort, la vanne ouverte ne refroidit pas. La soupape de sortie peut être faite de n'importe quel acier fortement allié qui peut résister à une chaleur élevée. Comme déjà mentionné, une valve est constituée de deux types de métaux différents. La tête est faite d'alliages à haute température et la tige est en acier au carbone.

Quant aux éléments d'admission, ils sont refroidis par contact avec le siège. Cependant, leur température est également élevée - environ 300 degrés, il n'est donc pas permis que la pièce se déforme lorsqu'elle est chauffée.

Le chrome est souvent inclus dans la matière première des vannes, ce qui augmente sa stabilité thermique. Lors de la combustion de l'essence, du gaz ou du carburant diesel, certaines substances sont libérées qui peuvent affecter agressivement les pièces métalliques (par exemple, l'oxyde de plomb). Des composés de nickel, de manganèse et d'azote peuvent être inclus dans le matériau de la tête de soupape pour éviter une réaction indésirable.

Et enfin. Ce n'est un secret pour personne que les soupapes d'un moteur s'épuisent avec le temps. Voici une courte vidéo sur les raisons de cela:

RAISONS POUR LESQUELLES LES SOUPAPES DU MOTEUR DE LA VOITURE BRÛLENT 95% des conducteurs NE LE SAVENT PAS

Questions et réponses

A quoi servent les soupapes d'un moteur ? En s'ouvrant, les soupapes d'admission permettent à l'air frais (ou au mélange air/carburant) de s'écouler dans le cylindre. Les soupapes d'échappement ouvertes conduisent les gaz d'échappement vers le collecteur d'échappement.

Comment comprendre que les valves sont grillées ? Une caractéristique clé des vannes grillées est le triple mouvement du moteur quel que soit le régime. Dans le même temps, la puissance du moteur est décemment réduite et la consommation de carburant augmente.

Quelles pièces ouvrent et ferment les vannes ? La tige de soupape est reliée aux cames d'arbre à cames. Dans de nombreux moteurs modernes, des poussoirs hydrauliques sont également installés entre ces pièces.