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Soupape nervurée à grand refroidissement pour moteurs à explosion et à combustion.
La présente invention a pour objet une soupape nervurée à grand refroidissement pour moteurs à explosion et à combustion, qui a été spécialement étudiée en vue d'accroître la sécurité de fonctionnement, l'endurance et le rendement de tous les moteurs à explosion et à combustion munis de soupapes. On comprend que l'invention concerne plus spécialement les soupapes d'échappement, tout en étant applicable aux soupapes d'admission.
La plupart des moteurs à explosion ou à combustion, notamment les moteurs modernes ou l'on a
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recherché un rendement élevé, présentent divers inconvénients inhérents aux soupapes: d'une part, l'écoulement difficile des gaz laminés entre siège et soupape, cause de mauvais remplissages ou de contre-pressions à l'échappement ; d'autre part, la destruction rapide de l'étanchéité des portées, grillage du métal et rupture de la tête de soupape, ces derniers inconvénients ayant pour origine commune l'échauffement exagéré et dissymétrique de la tête de soupape.
On constate, en effet, que, à l'échappement il existe toujours un secteur de la soupape essuyé davantage par les gaz d'échappement; la répartition des températures n'est donc pas de révolution autour de l'axe de la soupape; il en résulte une dilatation dissymétrique de cette soupape et qui produit le voile de tête, de sorte que le joint formé par le repos de la soupape sur son siège est défectueux à chaud alors qu'il est excellent à froid.
De plus, on ne dispose pour la soupape d'admission que de trois modes de refroidissement: la conduction par la tige a, la conduction par le siège h et l'essuyage ou convection par les gaz frais. Pour la soupape d'échappement, la convection par les gaz frais n'a pas lieu et le mauvais contact à chaud de la soupape avec son siège réduit le refroidissement à travers le siège par conductibilité; le refroidissement par la tige est prépondérant. Il en résulte que la portée c de soupape, partie de la pièce la plus éloignée de la tige, étant essuyée par les gaz d'échappement encore très chauds, est la région la plus chaude de la soupape (fig. 1). ctest donc une partie essentielle de la soupape, celle ayant besoin de la plus grande dureté, qui se trouve avoir la température de fonctionnement la plus élevée.
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Il arrive aussi fréquemment qu'une dissymétrie trop accentuée de l'échauffement produise dans le métal des tensions excessives qui, jointes à celles provoquées par les très grandes accélérations du mouvement , entraînent la rupture de la tête d; cette rupture a lieu le plus souvent au niveau du raccordement de la tête d à la tige a (soit suivant a b, soit suivant c d, fig. 2) paraissant indiquer une certaine fragilité relative de cette partie de la soupape.
Il existe déjà des soupapes décrites dans des brevets antérieurs munies d'ailettes, dans le seul but d'assurer en fonctionnement la rotation de la soupape pour en effec- tuer le rodage automatique ; ailettes sont relativement inclinées par rapport à l'axe de la soupape (en moins de 30 ) et la rotation est d'ailleurs favorisée par un montage sur pivot à billes de la queue de la soupape.
L'expérience a montré que les angles d'attaque, dus à l'inclinaison assez grande des ailettes, déterminent une rotation trop rapide de la soupape entraînant de graves inconvénients, en particulier, l'usure très rapide du siège et par suite le déréglage de la distribution. Si l'on veut parer à ces inconvénients par réduction de la surface active des ailettes, la rotation ne se produit plus que pour les régimes élevés du moteur. Par ailleurs, les ailettes fortement inclinées sur l'axe de la soupape freinent le passage des gaz et diminuent par suite le rendement du moteur ; enfin, leur grande obliquité entraîne, du fait de leur dilatation à chaud, des distorsions de la pièce qui suppriment presque complètement l'étanchéité et provoquent à bref délai des ruptures de la tête de soupape.
La soupape d'échappement ou d'admission, objet de l'invention, présente une forme particulière qui remédie
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aux inconvénients ci-dessus énoncés. Cette forme est caractérisée par une répartition judicieuse du métal constituant la tulipe de raccordement de la tête à la tige de soupape en vue d'obtenir un écoulement plus facile des gaz, un meilleur refroidissement de la tête et un accroissement de résistance mécanique, à égalité de poids et de qualité du métal.
Sur le dessin est représenté, à titre dtexemple, une soupape réalisée suivant l'invention, en élévation avec coupe partielle et en plan fig. 3 et 4 ; fig. 5 et 6 montrent en élévation et en plan une variante à nervures inégales.
Dans la saupape représentée fig. 3 et 4, la tulipe de raccordement au lieu d'avoir la forme classique de révolution comporte des nervures e dont les crêtes sont disposées suivant les génératrices d'un cône ou suivant les génératrices d'un hyperboloïde de révolution formant avec l'axe de révolution un angle aigu, de préférence compris entre 0 et 15 et va en s'évasant de la tige vers la tête. La directrice ou méridienne de la surface de révolution, formant les intervalles de la tulipe entre les nervures, a une très forte courbure de façon à alléger le plus possible la soupape.
Les nervures e, en nombre pair ou impair, pourront d'ailleurs être toutes de la même forme (fig. 3 et 4) ou de plusieurs formes (fig. 5 et 6) sous la seule réserve que l'ensemble de la pièce admette l'axe de la soupape comme axe principal a'inertie. La crête de chaque nervure raccorde directement la portée c de soupape à sa tige a suivant une ligne qui peut être une droite, une courbe plane ou une courbe gauche.
Chaque nervure prend donc naissance le plus près possible de la portée de la soupape qu'elle'relie
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directement. à la tige et le plus loin possible de ladite tête.
La section de chaque nervure par un plan perpendiculaire à la nervure va en s'élargissant de la crête à la base ainsi qu'on le voit fig. 3a. le profil à fond de nervure est tel que la surface de la section S' de la soupape nervurée par un plan x'-y' perpendiculaire à l'axe (fig. 7 et 8) soit équivalente à la section S par le même plan x-y de la même soupape de forme ordinaire (fig. 9 et 10), de manière à ré- aliser une soupape aussi légère que celle utilisée jusqu'à. présent, Les nervures font, de préférence, partie intégrante de la masse de la soupape.
En conséquence, cette tulipe de raccordement nervurée pourra être obtenue soit par usinage de la tulipe de soupape dans la masse, soit en rapportant entre la tête et la tige de soupape une fourrure nervurée, matrices, usinée ou coulée, de même métal ou de métal différent. Mais le procédé préféré est celui dans lequel la tête de soupape avec ses nervures est réalisée par matriçage sur matrice nervurée. Ce procédé permet en effet de conserver la continuité et la bonne orientation des fibres du métal dans la tête, la tige et les nervures et d'obtenir par suite la, conductibilité thermique optimum pour la résis- tance mécanique maximum.
Sur la fig. 3 on a ainsi repré- senté la disposition des fibres qu'a révélée une macrographie d'une soupape nervurée, conforme à l'invention, exécutée par mat riçage.
Les avantages techniques que procure la surface nervurée de la soupape sont les suivante :
1 - Chaque nervure constitue un raidisseur qui soutient la région de la portée relative à la nervure. A égalité de poids, une soupape nervurée est plus solide; à égalité de résistance, elle est plus légère;
3 - Chaque nervure constitue un conduit d'évacuation
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direct des calories de la portée très chaude vers la tige plus froide, sans passer par 'le centre de la pièce, d'où de refroidissement énergique/soupape; (d'autant meilleur que la structure fibreuse du métal a été conservée par matri- çage) ; '
3 - Les gaz sont en quelque sorte canalisés par les nervures entre lesquelles ils trouvent des sections de pas- sage moins aplaties et par suite moins étroites;
l'effet de Jaminage produit par le passage des gaz, écrasés en quelque sorte entre siège et soupape, s'en trouve réduit; il en résulte une diminution plus ou moins sensible de la contre- pression d'échappement;
4 - La tulipe nervurée, lorsque les nervures sont très légèrement inclinées sur l'axe de la soupape, fonc- tionnant comme une petite turbine d'action sous '''effet du courant gazeux, engendre la rotation très lente de la soupape à chaque levée et, par suite, produit une réparti- tion de révolution des températures (les surfaces isother- mesdans la pièce sont dessurfaces de révol ut ion autour de J'axe de la pièce), répartition qui supprime levoile de la portée, assure le refroidissement de cette dernière dar le siège,
conserve l'étanchéité primitive, et par suite, écarte le danger de grillage tout en assurant au moteur son meilleur rendement.
Enfin, il y alieu de remarquer qu'en ce qui concerne la forme de la surface de la tulipe, les éléments de cette surface, compris entre les nervures, au lieu d'être de révolution peuvent appartenir à une surface quelconque se raccordant avec les nervures.
Comme on levoit surla fig. 11la tige a de 'la sou- page, munie des nervures e suivant *le brevet principal, peutcomporter une cavité qui sera remplie d'une substance h (par exemple mélange eutectique de NO3K
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et No3Li, Na métallique, etc...) améliorant l'évacuation de la chaleur vers la tige.
Dans un but analogue, on peut aussi prévoir dans la tête et, stil y a lieu, dans la partie supérieure de la tige, un noyau i constitué par un métal meilleur conducteur que celui constituant la tête et ?a tige et non fusible à la température de fonctionnement. Les fig. 12 et 13 représentent, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de ce noyau réalisé par exemple par refoulage à la presse ou de touteautre façon.
Il sera également possible d.e réaliser la portée de la soupape en un métal distinct de celui constituant le reste de la tête et possédant une grande dureté mécanique à chaud, par exemple une fonte spéciale du genre déjà utilisé pour les sièges de soupapes rapportés.
Il y a lieu aussi d'indiquer que les nervures ,;peuvent présenter lesformes les plus diversespour remplir les différents buts qui leur sont assignés suivant les applications particulières envisagées.
Sur les fig. 14 à 16 on a représenté des formes de nervures dans lesquelles ces dernières présentent une convexité dirigée vers ]'extérieur. Les .nervures ainsi constituées offrent une très grande surface, favorable à
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un bon rayonnement àe la cl' a1eur et GJ' cS asparcnt, en cutre, une liaison mécanique particulièrement bonne entre la tête etla tige. Au lieu d'une ''igné courbe progressive, les crêtes des nervures pourraient également affecter la forme de lignes complexes avec tronçon;: de 1 ignés droite;? et courbes.
Les nervures peuvent se raccorder à la tête et à la tige sous un angle quelconque et recevoir une inclinaison sinietrorsum ou dextrorsum sur l'axe de la tige.
Particulièrement intéressante est la forme représen-
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tée sur 'la fig. 16 dans laquellela partie de la nervure située au voisinage de la 1- tête est rectiligne, la hauteur j de cette partie rectiligne pouvant être, par exemple, de 1'ordre de la levée de la soupape. De ce fait, les nervures assurent un meilleur guidage des gaz en cloisonnant les canaux compris entre elles et obligeant ainsi les gaz à passer dans ces canaux et à lécher toute leur surface.
Sur la fig. 17 on a représenté l'application des nervures aux soupapes dont la tête d comporte en son centre une cavité ci 1 .
Dans la réalisation de soupapes nervurées de ce genre, il est possible de conformer la cavité d1 de manière que sa section corresponde à celle de la surface externe de la soupape munie des nervures (fige 18 coupe se'on XVIII-XVIII). On obtient ainsi une soupape extrê- mement légère quoique très résistante et jouissant des autres propriétés décrites ci-dessus.
Il va d'ailleurs de soi que 'es formes d'exécu- tion ci-dessus ne sont pas les soudes possibles et que J'on pourra en imaginer bien desvariantes sans sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS
1 - Soupape d'admission et d'échappement pour acteurs à explosion, caractérisée en ce que la partie de cette soupape raccordant la tête à la tige est munie de nervures qui possèdent une inclinaison nulle ou faible par rapport à Taxe de la soupape, de manière à obtenir, le cas échéant, une rotation lente de celle-ci sous Inaction du du courant gazeux, sontréalisées de préférence par matriçage et présentent entre elles des canaux à forte section utile favorisant le passage des gaz.
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