<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne une soupape, particulièrement une soupape d9échappement, pour moteurs à combustion à grande puissance, par exemple des gros moteurs à gaz, dans laquelle la partie de la tige de sou- pape de rattachant à la tête de soupape et non protégée par le guide de la tige, est protégée des gaz d'échappement chauds par des écrans coopé- rant télescopiquement entre eux,
L'invention vise à refroidir, sans utiliser de 1?eau de refroi- dissement, la tête de soupape subissant de fortes sollicitations thermi- ques et la partie adjacente de la tige.
Dans les grands moteurs à combustion, particulièrement dans les moteurs à gaz à grande puissance, qui travaillent à une pression moyenne élevée, les gaz d'échappement ont une température de 500 à plus de 700 C suivant la grandeur et le mode de travail du moteur. Pendant la levée de la soupape d9échappement, la tête de cette dernière est entourée par les gaz chauds. Lorsque cette soupape se lève vers la fin de la course motri- ce (course de détente), des gaz encore plus chauds s9échappent à une vi- tesse encore plus grande autour de sa tete par suite de la surpression dans la chambre de combustion. Ceci a pour effet que pendant sa levée, la soupape devient particulièrement chaude dans la zone de son siège.
Pour préserver la résistance de la matière des soupapes d9échappement à ces hautes températures, on a déjà utilisé dans les premiers moteurs à gaz à grande puissance des soupapes déchappement à tige et tête de tige creu- ses, la chaleur étant évacuée par refroidissement par eau. Toutefois ce refroidissement par eau présentait de nombreux inconvénients tels que fuites dans la circulation dgeau, corrosion, modification du chemin suivi par l'eau de refroidissement à 1?intérieur de la tige de la soupape, provoquée par des corps étrangers de l'eau de refroidissement ou par du tartre.
Aussi, utilise-t-on depuis longtemps déjà des soupapes d'échappement massives qui ne sont plus refroidissables par l'intérieur Toutefois cette mesure impliquait Inacceptation d'autres inconvénients, ainsi qu'on le décrira ci-après.
Avec l'évolution de la technique, la capacité des cylindres a augmenté constamment ainsi que la pression moyenne de travail et la température des gaz d'échappement a donc aussi augmenté de plus en plus. Il faut donc évacuer plus de chaleur des soupapes d'échappement et la tige de ces dernières doit présenter une section transversale plus grande pour évacuer la chaleur. Toutefois cet agrandissement de la section transversale des soupapes est limité d'une part à cause des masses de plus en plus grandes à déplacer et d'autre part à cause de l'encombrement, de sorte que les soupapes d'échappement ne pouvant être refroidies deviennent trop chaudes du fait que leur tige ne peut évacuer suffisamment la chaleur qu' elle absorbe de la tête de soupape.
Bien qu'on ait proposé de protéger la partie supérieure de la tige de soupape au moyen d9écrans télescopiques on ne peut éviter qu'à cet endroit cette tige devienne si chaude qu'il se produise une modification de la structure de sa matière, de sorte que celle-ci noffre plus la résistance nécessaire. Il s'ensuit des fêlures de la tête ou des bris de la tige, particulièrement près de la tête . Des soupapes d'échappement trop chaudes peuvent aussi favoriser ou provoquer des allumages prématurés.
D'autre part, les écrans télescopiques protecteurs généralement fabriqués en matériaux résistant à la chaleur, deviennent tellement chauds que malgré le matériau de qualité, leur résistance en souffre de sorte qu' après un certain temps ils peuvent aussi se fêler ou se détruire complètement. Cela se produit surtout lorsque, favorisé par la haute température, le dioxyde de carbone présent dans les gaz d'échappement provoque un calaminage des écrans protecteurs ce qui modifie défavorablement la structure du matériau, Ces écrans détériorés il est évident que les tiges de soupapes deviennent encore plus chaudes surtout près de la tête, ce qui
<Desc/Clms Page number 2>
augmente le danger de bris ou diminue 19 étanchéité.
Pour donner une idée des dimensions habituelles de pareilles soupapes, on peut citer à titre d'exemple les caractéristiques principales d'une soupape d'échappement d'un moteur à gaz de 5000 ch: diamètre de la soupape plus grand que 400 mm; diamètre de la tige 80 mm, poids de la tête avec la tige environ 250 kg.
La présente invention vise à supprimer les inconvénients pré- cités. Suivant la caractéristique principale de l'invention on obtient en prévoyant à l'intérieur de la tête de soupape des conduits pour 1?agent de refroidissement, dont la surface d'évacuation de la chaleur soit sen- siblement plus grande que la surface d'absorption de la chaleur de la tê- te, et en faisant cheminer dans ces conduits de 1?air ou un autre agent de refroidissement gazeux, et ce à la vitesse nécessaire pour obtenir un refroidissement efficace.
Suivant dautres caractéristiques de l'invention, les conduits de refroidissement de la tête de soupape sont aménagés de manière à for- mer une spirale creuse centrée sur l'axe de la soupape. Ces conduits re- çoivent Pair, ou autre agent gazeux, de la tige de soupape qui, à cet effet, est creuse de façon connue. Les détails de l'arrivée et de l'éva- cuation de 19agent de refroidissement seront donnés plus loin.
Une caractéristique particulièrement importante de l'invention consiste en ce qu'après avoir circulé dans les conduits, 1 'air ou autre agent de refroi- dissement, est dévié dans la chambre formée par les écrans protecteurs s'emboîtant télescopiquement et qui de manière connue sont aménagés sous la tête pour protéger la tige de soupape. L'agent de refroidissement ain- si dévié doit avoir balayé la chambre délimitée par les écrans protec- teurs avant de s'échapper dans le carter de soupapes. De cette manière les écrans protecteurs sont maintenus à une température plus basse que jusqu?ici et protégés des gaz d'échappement contenant du CO2, c'est-àdire protégés contre un calaminage.
Comme source dagent de refroidissement, on peut par exemple utiliser une soufflerie commandée par le moteur à combustion dont les soupapes d'échappement doivent être refroidies et dans ce cas le débit principal de cette soufflerie peut être utilisé à dautres fins. On pré- voit donc une soufflerie légèrement plus forte que normalement et on en prélève parallèlement, d'une manière appropriée, la quantité d'air néces- saire au refroidissement de la soupape. Comme source d'air de refroidis- sement on peut par exemple utiliser la soufflerie de balayage du moteur à combustion, ou encore une soufflerie à air d'une puissance appropriée, entièrement indépendante du moteur à combustion, comme par exemple cel- le d'une installation de hauts-fourneaux.
Dans ce dernier cas; l'air de refroidissement peut éventuellement être dérivé de la conduite du vent du haut fourneauo
Les dessins annexés montrent à titre d'exemple une forme de ré- alisation préférée de 1?invention
La fig. 1 est une coupe axiale suivant la ligne 1-1 de la fig.2 d'une soupape d'échappement suivant l'invention; la fig. 2 est une soupe horizontale suivant la ligne II-II de la fig. 1; les figs. 3 et 4 sont chacune une coupe axiale de formes de réa- lisation analogues.
Dans la tête de soupape désignée par 1 montée sur la tige 2 sont aménagés des conduits 5 formés en partie par des nervures 3 en sail- lie vers 1?intérieur à partir de la paroi bombée la de la tête et qui, à partir du centre de cette dernière, forment une spirale se déroulant vers 1-'extérieur, et en partie par une cloison intermédiaire 4 appliquée sur
<Desc/Clms Page number 3>
ces nervures, de sorte que les conduits 5 ainsi obtenus forment une spi- rale creuse se déroulant de l'intérieur vers l'extérieur. A leur extrémi- té intérieure intérieure ou centrale ces conduits 5 débouchent dans une chambre annulaire 6 qui entoure le prolongement 2a de la tige en forme de collerette et par cette chambre, 19air ou autre agent de refroidissement pénètre dans le sens de la flèche 3 dans les conduits 5.
A leur ex- trémité extérieure ou périphérique, les conduits 5 débouchent dans un canal annulaire 8, d'où l'agent de refroidissement est conduit consécutivement par une chambre annulaire 9 plus large que haute pour retourner ensuite suivant la flèche Y vers le centre de la tête de soupape, puis dans une chambre annulaire 10 entourant la tige de soupape. Cette cham- bre annulaire 10 est délimitée d'une part par la cloison intermédiaire 4 et la paroi inférieure 11 de la tête de soupape et d'autre part par la collerette 2A de la tige de soupape, qui fait saillie à cet endroit.
Dans cette chambre annulaire 10 sont aménagés des passages 12 s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe de la tige et conduisant à la chambre 15 formée par les écrans protecteurs 13 et 14 s'emboîtant télescopiquement, et qui se subdivise ensuite en une chambre intérieure 15a et une chambre extérieure 15b. La chambre 15a est sensiblement délimitée par l'écran protecteur 13 prenant appui sur le guide 16 de la tige et par la tige 2 elle¯même, tandis que la chambre 15b est délimitée par l'écran 13 et l'écran 14 écarté radialement du premier et fixé sur le côté inférieur de la tête de soupape.
L'agent de refroidissement dirigé par les conduits 5 de la tête, le canal annulaire 8 et la chambre annulaire 9 vers la chambre annulaire 10, est obligé de s'écouler par les passages 12 vers les chambres 15, 15a, 15b formées par les écrans protecteurs 13,14 et ce n'est qu'après avoir traversé celles-ci qu'il peut s'échapper dans le carter de soupapes. Pour obtenir un bon passage également dans la chambre 15a on peut comme le montrent les fige.3 et 4, monter des tubes 17 dans les passages 12 et les fixer complégnentairement à la tige de soupape 2.
Ces tubes pénètrent assez profondément dans la chambre 15a entourée par l'écran protecteur intérieur 13, pour que pendant le temps où la soupape repose sur son siège, cette chambre soit balayée efficacement de bas en haut., De plus, ces tubes peuvent avoir une embouchure légèrement coudée afin d'engendrer simultanément un tourbillonnement de l'agent de refroidissement s'écoulant vers le haut. Grâce à ces tubes, on est assuré que l'agent de refroidissement est encore insufflé dans la chambre 15a lorsque la soupape est levée.
Afin de refroidir encore plus efficacement l'écran 14 et d'en éloigner encore mieux les gaz d'échappement contenant du CO2, on peut pré- voir autour de lui, du côté opposé à la tige de soupape, une chambre sup- plémentaire également traversée par lagent de refroidissement.
A cet effet, comme le montre la fig. 4, l'écran annulaire 13 prenant appui sur le guide 16 de la tige est complété par un écran 13a plus écarté radialement de l'axe de la tige que l'écran 14. De cette manière, les écrans protecteurs procurent un système de conduits de refroidissement 15a, 15b, 15c en forme de labyrinthe, dans lequel l'air de refroidissement doit s'écouler le long d'une surface d'évacuation de chaleur des écrans, la plus grande possible.
Les conduits 5 en spirale peuvent être adaptés au débit nécessaire ou souhaité de l'agent de refroidissement, en modifiant de façon convenable la dimension de leur section transversale entre les nervures 3.
Si nécessaire, on peut aussi exécuter les nervures de refroidissement 3 de telle manière qu'à tous les endroits les conduits 5 aient la même ou presque la même section transversale.
A l'aide par exemple d'un tuyau flexible, non représenté le conduit 7 de la tige de soupape est raccordé à l'arrivée de l'agent de refroidissement, lequel comme déjà mentionné peut provenir d'une soufflerie équipant habituellement un moteur à combustion.
<Desc/Clms Page number 4>
Indépendamment des avantages essentiels obtenus par le refroidissement par air comparativement au refroidissement par eau habituel des soupapes et de leur tige, l'évacuation de :Pair ou autre agent gazeux, suivant l'invention, offre encore davantage qu'on peut refroidir également l'extrémité supérieure de la tige de soupape, située près de la tête, cet avantage s'ajoutant à celui déjà mentionné qui consiste à protéger les écrans téléscopiques contre un échauffement trop intense et surtout contre le calaminage très nuisible .
L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite. Bien plus, 1-'invention couvre aussi les nombreuses modifications et variantes qu'on pourrait apporter aux détails de construction. C'est ainsi, par exemple, que dans la chambre annulaire 9 on peut monter des nervures en forme d'aubes qui ont alors pour effet de faire continuer dans cette chambre 9 le tourbillonnement de l'air engendré dans les conduits 5.
En supprimant les tubes 17 on peut aussi donner aux passages 12; par lesquels l'air ou autre agent de refroidissement est insufflé dans les chambres 15a et 15b, une obliquité hélicoïdale à pente-raide par rapport à l'axe de la tige de soupape au lieu de les disposer parallèlement à cet axe ce qui a pour effet d'engendrer également un tourbillonnement dans ces chambres 15a, 15b.
Dans le cas où l'on veut utiliser à une fin particulière l'air chauffé par absorption de chaleur (par exemple pour le séchage ou le préchauffage dans des foyers et l'équivalent) dn peut renoncer au balayage des chambres formées par les écrans télescopiques et évacuer de la soupape l'air ou autre agent de refroidissement sortant des conduits 5, ce qui peut par exemple se faire au moyen d'un second conduit de la tige, relié à la chambre annulaire 9, ce qui permet d'utiliser d'une façon quelconque la chaleur absorbée par 1.' agent de refroidissement dans la tête de soupape. Enfin, on peut aussi mélanger l'agent de refroidissement sous pression à l'air de balayage et/ou d'admission.