vignette|Une soupape à tige démontée d'un moteur à explosion.
Une soupape est un organe mécanique de la distribution des moteurs thermiques permettant l'admission des gaz frais et l'évacuation des gaz brûlés. De manière générale, une soupape d'admission sépare le conduit d'admission de la chambre de combustion et une soupape d'échappement sépare celle-ci du conduit d'échappement.
Les soupapes se classent principalement en trois catégories : les soupapes à tige – aussi appelées soupapes à tulipe –, les soupapes rotatives et les soupapes à chemise louvoyante. Les plus répandues sont les soupapes à tige/tulipe qui équipent la quasi-totalité des moteurs à explosion actuels. Ces dernières soupapes sont le plus souvent actionnées par un arbre à cames et maintenues par un ou plusieurs ressorts de rappel.
Intérêt
vignette|Animation d'un moteur quatre temps où les soupapes sont placées au sommet de la chambre (en tête).
Les soupapes constituent un organe mécanique important des moteurs thermiques puisqu'elles assurent : l'admission des gaz frais dans la chambre de combustion — en général, le mélange air/essence pour les moteurs à allumage commandé ou seulement l'air pour les moteurs Diesel. La « levée » de la soupape d'admission, et la durée de son ouverture, déterminent la quantité d'air admise dans le cylindre ; l'échappement des gaz brûlés vers l'extérieur. Séparant la chambre de combustion des conduits d'admission et d'échappement, elles assurent par conséquent l'étanchéité de la chambre lors des phases de compression et combustion des gaz frais.
Au début de l'automobile, la distribution était assurée par des soupapes automatiques constituées par des disques obturateurs, ouvertes par la dépression créée dans le cylindre à l'admission et rappelées par des ressorts. Bien que simple, l'ouverture de ce type de soupape est retardée d'autant plus que le régime moteur augmente. Le moteur ne pouvait donc pas ainsi dépasser les à .. vignette|redresse|Coupe d'un moteur à soupapes latérales. Le moteur à soupapes latérales a eu son heure de gloire des années 1910 aux années 1940, tant en automobile (moteurs Ford V8 Flathead) qu'en moto (moteurs Harley-Davidson Flathead 1929-1951.).
Au début du , les soupapes équipant la quasi-totalité des moteurs thermiques sont des soupapes à tige (appelées également à tulipe). Actionnée généralement par un arbre à cames, la tige coulisse dans la culasse, laissant la tête de la soupape découvrir les conduits. Elle est rappelée en position fermée par un (ou plusieurs) ressort de rappel. Ce type de soupape s'est très tôt imposé en raison de sa forme tulipée offrant un passage « fluide » des gaz et une surface plane et épaisse capable d'encaisser le front de flamme.
Géométrie Anatomie
vignette|Vue en coupe d'une soupape à tige.
Les soupapes à tige/tulipe sont constituées de quatre parties : la tête, le collet (ou tulipe), la tige et la queue.
La tête de la soupape de forme circulaire, joue le rôle d'un disque obturateur entre les conduits d'admission/d'échappement et la chambre de combustion. Lorsque la soupape est en position fermée, elle vient s'appuyer sur le siège de soupape dessiné dans la culasse pour assurer l'étanchéité de la chambre, ainsi qu'un centrage correct de la soupape évitant les déformations. La partie de la soupape en contact avec le siège, de forme tronconique, est dénommée « portée » ; l'angle formé entre la portée et la tige est généralement de 45°, mais peut être réduit à 30° lorsque la hauteur de levée (hauteur entre la soupape ouverte et le siège de soupape) est limitée.La tête peut prendre trois formes aux caractéristiques différentes : convexe, concave ou plate. Les têtes convexes offrent une plus grande rigidité mais sont en revanche plus lourdes et leur siège est plus sensible aux effets de la température ; elles sont principalement utilisées pour des soupapes d'échappement. Les têtes concaves ont l'avantage de conserver la forme du siège même sous de fortes contraintes thermiques ; c'est la raison pour laquelle elles équipent généralement les moteurs de compétition. Enfin, les soupapes plates sont les plus utilisées car elles ne nécessitent pas d'usinage particulier.
Le collet partie reliant la tête à la tige, est formé par un congé de grand rayon de façon à faciliter la dissipation de la chaleur provenant de la chambre et éviter l'effet d'entaille dû au changement de section.
La tige pièce cylindrique dont le diamètre est de l'ordre du quart de celui de la tête, assure le guidage vertical de la soupape. La tige coulisse ainsi dans le guide de soupape, ouverture cylindrique pratiquée dans la culasse. En augmentant le diamètre de la tige, la dissipation de chaleur vers la culasse est facilitée mais la soupape est plus lourde.
La queue partie terminale de la soupape, supporte l'action du poussoir actionné par l'arbre à cames ou l'action directe de la came dans les moteurs à arbre à came en tête. Elle comporte une ou plusieurs gorges, le plus souvent de section semi-circulaire, pour loger les clavettes (ou coupelles) qui transmettent à la soupape la tension du ressort de rappel.
Critères de dimensionnement vignette|Les soupapes d'admission et d'échappement n'ont pas nécessairement le même diamètre. Deux principaux critères définissent les dimensions des soupapes : le premier est un critère mécanique imposant des contraintes de dimensions en termes de vitesses d'impact admissibles par le matériau de la soupape. De ce critère est notamment déduit la masse maximale de la soupape puisque plus la masse augmente, plus son inertie augmente ; le deuxième critère est un critère de performances lié à « 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 ». En effet, pour assurer un bon remplissage en gaz frais du cylindre, ainsi qu'une bonne évacuation des gaz brûlés en fin de cycle, il faut que le diamètre de la soupape, et donc des conduits d'admission/échappement, l'angle au sommet et la hauteur de levée de la soupape soient suffisamment grands.
thumb|Culasse à quatre soupapes par cylindre de Ford V6 3.5 Ecoboost.
Toute soupape de moteur à explosion répond ainsi aux critères suivants : le rapport longueur/diamètre de la tige cylindrique est compris entre 15 et 20 ; le rapport diamètre de la tête sur diamètre de la tige est d'environ cinqRaymond Brun (1981), La géométrie des soupapes, 124, IX - La culasse et les soupapes. Consulté le 27 janvier 2010 ; le diamètre des soupapes d'admission et d'échappement n'est d'ailleurs pas nécessairement identique afin d'offrir des propriétés différentes. Mais le diamètre des soupapes est rapidement limité étant donné qu'il dépend de la forme de la surface du haut du cylindre, forme qui ressemble, sur les moteurs actuels, à une « galette ». Il est alors courant d'augmenter le nombre de soupapes par cylindre ; ce nombre varie généralement entre deux et cinq. Voir aussi Moteur multisoupape.
Le gradient de température dans la tête de la soupape est proportionnel au diamètre du siège de soupape, et donc de la portée de la soupape ainsi qu'au flux thermique entrant, lui-même fonction de la température de l'air d'admission et de la quantité de combustible brûlée. Raymond Brun, dans l'ouvrage Science et technique du moteur diesel industriel et de transport, fournit ainsi :
où est la surface d'entrée du flux thermique dans la soupape et la surface de sortie du flux.
La portée de la soupape ne doit ainsi ni être trop mince ni d'un diamètre trop faible sous peine de mal évacuer la chaleur de la tête et donc la fragiliser. Mais un diamètre trop grand présente l'inconvénient d'accumuler les suies et résidus carbonés dursRaymond Brun (1981), La géométrie des soupapes, 131, IX - La culasse et les soupapes. Consulté le 27 janvier 2010. Une aire de contact réelle entre le siège et la portée de l'ordre de 25 % de la surface projetée de la tête offre un bon compromis entre ces différents critères.
Contraintes et matériaux vignette|gauche|redresse=0.8|Soupapes endommagées par le sur-régime.
Les soupapes sont soumises à des contraintes mécaniques et thermiques très fortes. Les températures des gaz brûlés à l'intérieur de la chambre atteignent aisément les , la soupape d'échappement étant alors particulièrement vulnérable. En effet, si la soupape d'admission est refroidie par les gaz frais (en position ouverte), les soupapes d'échappement sont intensément chauffées par le passage des gaz chauds par sa section en fin de cycle. Le siège de soupape doit par ailleurs, en peu de temps, évacuer une importante quantité de calories.
Les forces d'inertie mises en jeu sont également importantes ; la tête de soupape entre en contact avec le siège de soupape près de par seconde, sachant que le régime moteur peut atteindre , et même plus du double sur certains moteurs à allumage commandé de motocyclettes sportives. Enfin, les soupapes sont exposées à la corrosion de l'essence, des additifs, des lubrifiants et des résidus issus de la combustion.
Pour résister à ces contraintes, les soupapes sont conçues dans différents matériaux. La tige doit présenter un faible coefficient de frottement, un faible coefficient de dilatation et de bonnes propriétés de résistance à l'usure. Comme précisé au paragraphe précédent, la tête doit résister aux chocs et à la corrosion. Un durcissement par aluminiage est parfois pratiqué sur les portées 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 bimétalliques du constructeur Mahle GmbH, par exemple, sont en acier hautement allié pour la tête, tandis que les tiges sont en acier chromé ou nitruré pour en améliorer les qualités de glissement et de résistance à l'usure. Certaines tiges de soupape sont également creuses afin d'y insérer du sodium, facilitant le refroidissement. Ces cavités sont remplies aux deux tiers de sodium, liquide à partir de , qui transporte la chaleur de la tête de soupape en se déplaçant dans la tige grâce aux mouvements de la soupape. Le sodium peut être remplacé par des sels de lithium et de potassium.
Position des soupapes
gauche|vignette|Moteur Motobécane à soupapes latérales. vignette|Coupe d'une culasse montrant les soupapes d'un moteur à soupapes en tête. Les positions prises par les soupapes dans la culasse par rapport à la chambre de combustion sont nombreuses et dépendent essentiellement de la forme de la chambre. Les soupapes peuvent ainsi être placées au-dessus, parallèles ou non, ou encore latérales au piston..
Les moteurs actuels sont généralement des moteurs à soupapes en tête constitués de soupapes en V placées au-dessus du piston. Cette disposition offre une meilleure circulation des gaz et un meilleur taux de compression que les moteurs à soupapes latérales. Ces derniers moteurs réalisent leur admission et l'échappement non pas en tête du cylindre, comme dans les moteurs à soupapes en tête, mais par une chambre latérale au cylindre. Ce système simplifie l'entraînement de la distribution en la rapprochant du vilebrequin.
Soupapes particulières Bien que n'ayant jamais réellement réussi à s'imposer, il existe également d'autres sortes de soupapes comme les soupapes à chemise louvoyante ou encore les soupapes rotatives.
Soupapes rotatives vignette|gauche|Dessin technique d'un moteur à soupapes à cylindre rotatif. La soupape met en communication le cylindre avec l'admission au temps 1, et avec l'échappement au temps 4.