Brevet FR2051731A1 — publié le 19710409

l'invention est relative à des soupapes à plateau en particulier pour moteurs, du genre dans lequel le fluide producteur de travail (généralement un gaz) du moteur peut fournir à la tête de soupape exposée à ce fluide des quantités de chaleur suf-5 fisamment grandes pour la détériorer0 Ces détériorations, résultant de surélévation, de température, peuvent se traduire par une'limitation de la longévité de la soupape ou par la formation d'une zone de haute température dans la chambre de détente du fluide, ce qui diminue la puissance du moteur. 10 Par exemple dans 1© moteurs à pistons d'avions, an ciens et modernes, à allumage par étincelles, présentant un rapport puissance/poids élevé, on a utilisé divers artifices pour remédier à l'application de telles quantités de chaleur excessives aux soupapes d'échappement et pour remédier aux températures élevées qui 15 en résultent-* ' Parmi ces artifices on peut citer : a) l'utilisation de matériaux fortement alliés présentant une longévité acceptable à des températures de 650 à 875°C ; b) l'utilisation de revêtements spéciaux sur des matériaux de soupape déjà fortement alliés pour éviter toute réaction 20 intempestive de préinflammation ou de post inflammation dans la combustion du mélange air-carburant admis dans le moteur ; c) l'utilisation dans le carburant d'additifs spéciaux destinés à empêcher toute réaction de combustion désordonnée indésirable, provoquée par des points chauds (soupape), à l'intérieur de 25 la chambre de combustion, réactiorisdésignées des tenues de pré-al-lumages ou de détonations. De même, dans les autocars, les camions et autres véhicules à moteurs à hautes charges., on utilise des procédés métallurgiques très compliqués pour les soupapes d'afin d'obvier à l'u-30 sure, affectant la longévité ou le fonctionnement, provoqué par les températures élevées, par les additifs des carburants et les dissymétries de distribution de la température. Une invention antérieure importante a été la mise au point de soupapes refroidies par un sel ou par un métal ; sodium 3^ ou composé du sodium, liquide. Dans ce genre de soupape, une cavité commune - à la tête (ou plateau) et à la tige de soupape est partiellement remplie par un réfrigérant salin ou métallique liquide ou liquéfiable (fusible), la soupape est refroidie, au cours du fonctionnement du moteur par 1'agitation du réfrigérant liquide entre 40 la surface de la cavité de la tête et la surface de la cavité de 70 25865 2 2051731 de la tigec A l'extrémité de la tête, le liquide absorbe de la chaleur qui traverse la tête de la soupape et qui provient de la combustion du mélange air-carburant et de la quantité de chaleur non négligeable transportée par les produits de la combustion, 5 lors des turbulences de leur échappement. A la surface de la cavité de la tige, le liquide échauffé cède de la chaleur à travers la paroi de la tige de soupape aux guides de soupape et ainsi au système de refroidissement du moteur. Ce procédé de refroidissement, mis en oeuvre avec succès 10 sur les soupapes de moteur depuis de nombreuses années, dépend presque entièrement de l'échauffement et du refroidissement d'un liquide, mais ne comporte pas d e transport d'énergie thermique par év'aporation et condensation, par exemple selon un cycle vapeur-liquide. En. réalité, on a pris soin d1 éviter à l'intérieur de soupapes 15 de moteur l'usage de fluides de refroidissement susceptibles de se vaporiser au cours du fonctionnement de crainte de détruire les pressions internes de vapeur. Dans les soupapes classiques refroidies par un sel ou un métal fondu, par exemple du sodium, la chaleur transportée de 20 l'extrémité s'échauffant à l'extrémité se refroidissant de la soupape s'est révélée être une fonction de diverses variables intervenant au cours du fonctionnement de la soupape, mais la plus importante de ces variables a été la capacité thermique (ou la chaleur spécifique) du réfrigérant. Par exemple, dans une soupape re» • 25 froidie au sodium dans laquelle la chaleur est cédée par le sodium fonctionnant entre une température de 650° C à l'extrémité chaude et 260° G dans la cavité de la tige, le refroidissement de 453 grammes de sodium entre ces températures se traduit par l'abandon de 53k Cal. Le mercure, mdes réfrigérants de soupape qui a été aban-30 donné, ne cède que 5,8 k Cal , à masse égale à l'état liquide et pour le même intervalle de température» On a alors découvert que, contrairement à ce qui se passe avec les soupapes refroidies au sodium ou par un sel à l'état liquide, les réfrigérants présentant un changement de phase absorbant 35 de la chaleur en passant de la phase liquide à la phase vapeur provoquent une augmentation spectaculaire de la quantité de chaleur cédée- au cours du processus de refroidissement dans la gamme de température où s'effectue ce changement d'état» Par exemple, lorsque 453 grammes de vapeur d'eau (vapeur saturée) à 370° C se trans-40 forment en eau liquide à 260°C, c'est-à-dire pour un abaissement 70 25865 3 2051731 de température de seulement 110°C, cette quantité de -vapeur d'eau abandonne au total une quantité de chaleurcfe 2.508,4 - 1.229,3 = 1.279,1 E Cal par unité de temps. Si on compare asrec le sodium qui ne présente pas de chan-5 gement de phase absorbant de la chaleur dans la gamme de 370 à 260° C, celui-ci cède seulement 0,3 k Cal/kg °C alors que l'eau cède 2,5 k. Cal/kg °C. L'eau présente donc un effet de refroidissement environ 8,33 fois supérieure à celui du sodium dans les conditions exposées et on peut trouver d'autres conditions à l'in-10 térieur de la gamme de conditions pratiques de fonctionnement des soupapes où ce rapport pourrait même être augmenté0 Par exemple entre la vapeur d'eau à 316° C et l'eau liquide à 204° C, l'effet de refroidissement est de 3,63 k. Cal/kg0 °C ou 12,1 fois supérieur à celui du sodium. 15 En vue de montrer d'une manière encore plus frappante un échange calorifique suivant un cycle vapeur-liquide parfait, on citera comme exemple l'eau à la pression atmosphérique. Le cycle d'évaporation et de condensation de 453 grammes d'eau transporte • 244 k Cal à une température d'entrée de 100°C de la chaleur et à 20 une température de sortie de 100°C. La chaleur transférée dans ce cycle est 244/(100-100) = 244/0, c'est-à-dire est infinie. Cet exemple illustre l'énorme quantité de chaleur qui peut être transportée pour un changement de température de un degré C. L'invention met le plus possible à profit le principe de ce trans-25 fert d'une quantité de chaleur infinie dans les limites des conditions pratiques de fonctionnement des soupapes. On peut citer de nombreux autres exemples de substances présentant un changement de phase, vapeur-liquide dans la gamme ou s'effectue en pratique le transfert de chaleur* A titre illustratif, 30 453 grammes de "Dowtherm A" passant de 1'état de vapeur à 399°C à l'état de liquide à 260° C cède 60,5 k Cal soit 0,96 k Cal/kg °C, c'est-à-dire 3,2 fois plus que le sodium. Le "Dowtherm A" est un mélange eutectique contenant 26,5 i° en poids de diphényle et 73,5 i° en poids d'oxyde de diphényle<> C'est un liquide clair jaune 35 paille,, - Bien que le "Dowtherm A" ne soit pas aussi efficace cj_ue l'eau la pression interne de la vapeur saturée du "Dowtherm A" à 399° £ n'est que de 9,8 kg/cm2 au dessus de la pression atmosphérique, tandis que la vapeur saturée à 3710 C à une pression de 40 216 kg/cm2o 25865 4 2051731 Une grande souplesse de dimensionnement doit être possible en utilisant un réfrigérant correctement choisi ou même une combinaison de réfrigérants» la seule condition est que l'un au moins des réfrigérants présente, dans la gamme de températures de fonctionnement, un changement de phase liquide-vapeur intéressant au point de vue pratique, condition absolument contraire à celle posée et suivie antérieurement dans la mise en oeuvre de soupapes champignon à réfrigérant interne; Eu égard à ce qui précédé, des buts importants de l'invention sont de réaliser une soupape à plateau refroidie au cours de son fonctionnement au moyen A'un liquide contenu à l'intérieur d'une cavité hermétique appropriée ménagée dans la soupape, laquelle soupape au coxirs de son fonctionnement reçoit de la chaleur de la chambre contenant le fluide qui fournit* du travail à l'extrémité de la tête de la soupape et évacue une fraction importante de cette chaleur à travers la tige de la soupape pour la céder au système de refroidissement du moteur et dans laquelle un cycle de transformateur vapeur-liquide du liquide constitue un véhicule important du transfert de chaleur de l'extrémité de la soupape qui reçoit de la chaleur à celle qui l'évacué. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront immédiatement, pour le spécialiste, de la description ci-dessous d'un exemple illustratif mais nullement limitatif de réalisation de l'invention, effectuée en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation d'une soupape à plateau massive classique pour moteur à combustion interne ; . - la figure 2 est une coupe en élévation d'une soupape à plateau classique, refroidie au sodium ; - la figure 3 est une coupe en élévation d'une soupape à plateau refroidie par un cycle vapeur-liquide conformément à l'invention et - la figure 4 est une coupe en élévation d'une soupape à plateau refroidie par un cycle vapeur-liquide de caractéristiques optimales, conformément à l'invention; le fonctionnement et la raison d'être des soupapes réalisées conformément à l'invention seront mieux compris en comparant et analysant le comportement au cours d'essais réels de soupapes réalisées conformément aux procédés classiques et de soupapes mettant en oeuvre le principe du refroidissement par cycle vapeur- 70 25865 5 2051731 liquide» Dans tous les cas qui s eront considérés ici, les soupapes classiques et les soupapes conformes à l'invention ont fonctionné et ont fait l'objet de mesures dans un moteur du type 5. Y8 de 4» 982 cm3, à allumage par étincelles, du genre spécialement équipé d'un carburateur par cylindre afin que chaque cylindre fonctionne de la même manière» Le moteur ébait abondamment équipé de thermocouples, de débit-mètres, d'analyseurs de gaz et d'appareils de commande, permettant de disposer d'une ambiance d'es-10 sai de la soupape absolument contrôlable et constante0 Les essais ont été effectués à une vitesse de rotation du moteur de 2.500 t/min (au voisinage du couple maximal), avec une avance à l'allumage de 25° et un rapport air/carburant de 13,3/1o Afin d'éliminer les variations présentées par les carburants du commerce, on 15 a utilisé un mélange d'essences (Indolène) spécialement préparé au laboratoire, pour tous les essais» Le terme Indolène est le nom commercial d'un carburant soigneusement contrôlé largement utilisé par les sociétés pétrolières et de construction d'automobiles pour les essais de moteurs» 20 La figure 1 indique les températures moyennes dans les zones importantes d'une soupape à plateau classique massive fonctionnant dans les conditions exposées ci-dessus. La distribution de température correspond tout à fait aux prévisions et est d'un ordre de grandeur familier au spécialiste» L'analyse mathématique, 25 en utilisant les formules classiques relatives aux transferts de chaleur, confirme «gaiement que la chaleur appliquée à la soupape est d'environ 516,6 k Cal/heure sur les surfaces de la tête de soupape indiquées sur la figure. Dans les conditions de régime permanent,, la soupape massive classique soumise aux essais et re-30 présentée sur le fitnxre évacue environ 386,8 k Cal/h de cette chaleur à travers le siège de soupape en contact avec le cylindre du moteur, par une surface annulaire de 3,05 mm de large et de 39,1 mm de diamètre. Le reste de la quantité de chale\ir cédée, qui doit équilibrer la quantité de chaleur reçue, traverse la tige de sou-35 pape et son lubrifiant et est absorbée par la surface de contact de la tige et de son guide d'environ 66,04 mm de long et de 10,92 mm de diamètre0 Bien que la température ne soit pas uniforme de la région supérieure à la région inférieure de la surface de contact de la tige de soupape e t de son guide on peut, avec une 40 assez bonne approximation pour les calculs pratiques prendre pour 25865 6 2051731 toute cette surface une température moyenne de 163°C. Accidentellement, cette variation de température le long de la tige de soupape a provoqué des détériorations bien connues des techniciens. la chaleur est transférée à travers le système de surfaces au contact de la tige de soupape et de son guide, système dont le lubrifiant fournit les surfaces les plus importantes, dans l'eau à 710 C du radiateur, et cette quantité de chaleur était de 129,8 k Cal/heure dans les conditions très classiques mais sévères de l'essaio Bn résumé, la température maximale de la tête de soupape était de 760° C, la température moyenne de la tête de soupape dans la région d'application de la chaleur était de 749° C, la température moyenne de la tige de soupape était de 163° 0 et 75 $ de la chaleur absorbée par la soupape était évacuée à travers le siège de soupape de 3,87 cm2 et 25 seulement de cette chaleur était évacuée à traders la surface de contact de 23,22 cm2, du guide et de la tige de soupape0 la figure 2 montre les températures moyennes déterminées expérimentalement dans un mode de réalisation classique de soupape refroidie au sodium, de mêmes dimensions que la soupape massive représentée sur la figure 1. Ici encore les t empératures et leur distribution ne surprendront pas le spécialiste. On voit qu'on obtient une diminution avantageuse d'environ 93° C de la température maximale de la soupape à 1*emplacement où la chaleur est transférée de la chambre de combustion à la soupape et aussi une diminution de la température des gaz d'échappement. Bien que l'analyse des flux de chaleur puisse être aisément effectuée par le calcul à partir de données simplifiées fournies par ces essais, il était surprenant de ne trouver trace d'aucune détermination analogue an-térieure0 Comme prévu la plus grande différence de température entre les gas chauds et la tête de soupape refroidie provoque l'augmentation de la quantité de chaleur appliquée à la soupape,, L'extrémité de la tête de soupape absorbe maintenant environ 604,8 k Cal/h tandis que dans le cas de la soupape massive elle n'absorbait que 516,6 k Cal/h, L'augmentation de conductibilité fournie par le sodium permet de transférer une quantité de chaleur bien plus grande vers le bas de l'axe de la tige vers la zone de contact de la tige c'est-à-dire vers le système de refroidissement du moteur. La température moyenne de la tige est maintenant à peu près uniforme et égale à 232° C au lieu d'être non uniforme et égale à 163° C. 25865 7 2051731 La chaleur absorbée et évacuée dans le système de refroidissement du moteur par la soupape refroidie au sodium, est maintenant de 54 % à travers le siège de soupape et de 46 i° à travers la tige de soupape, .au lieu du rapport 75/25 déterminé pour la soupape massive. On obtient une amélioration de la longévité de la soupape résultant de 1*abaissement La figure 3 illustre l'effet surprenant obtenu en remplissant d'une substance présentant un changement de phase vapeur-liquide, à chaleur latente de transformation importante, la cavité prévue pour recevoir un métal liquide, d'utilisation classique qui comme tous les réfrigérants liquides classiques de soupapes évacue la chaleur uniquement par l'échauffement et refroidissement du liquide au lieu de l'évacuer en utilisant le cycle vapeur-liquide conformément à l'invention.-Ici la surface moyenne d'application de la chaleur à la soupape a une température moyenne de 538° C , qui présente donc une diminution spectaculaire de 93° G par rapport à la soupape refroidie au sodium. La température autour de l'extrémité, où est appliquée la chaleur, de la cavité de la soupape était seulement de 393° C (non représentée sur la figure 3). Le réfrigérant substitué au sodium était l'eau, avec,un remplissage de 65 i° de la cavité. Ce résultat illustre d'une manière spectaculaire, à divers titres l'augmentation de conductibilité du cycle vapeur-li-quide dans son application à une soupape. En premier- lieu la température maximale de la soupape a été fortement abaissée ; en second lieu la transmission de chaleur à travers la voie offerte par la tige et le gtiide de soupape de la tête de soupape au réfrigérant du moteur a été fortement augmentée de 277,2 k Cal/heure à 403,2 k Cal/heure ; en troisième lieu le transfert de chaleur,à travers le siège de soupape, de la soupape au cylindre a été réduit encore de 25,2 k cal/heure ; en quatrième lieu enfin la température de la tige de soupape a été partout de 343° 0, sans aucune variation décelable d'une extrémité à l'autre de la zone de coulisse-ment dans son guide de la tige de soupape0 La quantité de chaleur absorbée et évacuée dans le système de refroidissement du moteur par la soupape refroidie par le cycle vapeur-liquide de la figure 3 était supérieure à celle absorbée et évacuée par la soupape du type massif ; 43 de celle-ci était "transmise à travers le siège de soupape et, d'une 70 25865 8 2051731 manière étonnante, 57 i° de celle-ci était évacuée à travers la tige. Divers autres essais de la soupape représentée par la figure 3, non seulement ont confirmé l'excellente conductibilité 5 assurée par le cycle vapeur-liquide, mais ont démontré encore l'importance qu'il y avait à rendre les régions de la surface de la soupape absorbant la chaleur égales à celles évacuant de la chaleur afin de mettre à profit l'amorçage de l'ébullition pour l'absorption de chaleur entantqxe moyen supplémentaire pour ré-10 duire la température de la soupape, la soupape représentée par la figure 4 est un mode de réalisation dont les caractéristiques ont été déduites de nombreux essais et qui a montré qu'il était désormais possible de réduire la 'température de la soupape à un niveau permettant de réduire considérablement la complication de 15 réalisation de la soupape et de faire face à des caractéristiques complètement nouvelles des phénomènes intérieurs à la chambre d e combustion.» Dans ce cas, la surface, à laquelle est appliquée la chai- -leur de la cavité refroidie par le système vapeur-liquide était 20 augmentée de 60 % et la surface d'évacuation de la chaleur de 70 $ permettant une température maximale de 482° C à l'extrémité de la tête de soupape, une température moyenne d'application de la chaleur de 454° C et une température de la tige de 327 0 G. l'évacuation de chaleur dans ce mode de réalisation est 25 d'environ 25 % par le siège de soupape et 75 par la zone cfe contact de la tige et de son guide c'est-à-dire exactement l'inverse de la figure 10 Un avantage fortuit, antérieurement redouté : à savoir que le réfrigérant le plus intéressant, l'eau, pourrait donner éven-30 tuellement lieu à une pression interne excessive lors de la vaporisation ou du refroidissement a été rapidement éliminé, la pression interne, dans le mode de réalisation de la figure 3 n'est au maximum que de 224 kg/cm2 au cfessus de la pression atmosphérique, correspondant à un effort circonférentiel de 630 kg/cm2 alors qu'on 35 peut se permettre un effort circonférentiel de 3.500 kg/cm2 avec un acier martensitique simple pour soupapes, les contraintes intervenant au cours du refroidissement sont même inférieures dans un espace rempli partiellement d'eau, la contrainte circonféren-tielle, dans le mode de réalisation de la figure 4 est de 910 kg/cm2 40 avec li eau, de 8,4 kg/cm3 avec le Dowtherm A et inférieure à 70 25865 9 2051731 7 kg/cm3 avec le monoisopropyldiphényl (M I PB) un fluide -producteur de travail, récemment découvert pour l'utilisation dans la technique spatiale de systèmes moteurs à cycles de Rank±ne0 Gomme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà 5 de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les varianteso 25865 10 2051731 RBVMDI0 ATI QNS 1» Soupape à plateau creuse, destinée à être utilisée dans un. moteur à pistons animés d'un mouvement de va-et-vient et comportant une tête de soupape et me tige de soupape comportant une cavité commune partant de la tête et traversant la majeure partie de la tige, laquelle soupape est caractérisée en ce que la cavité est remplie, au moins à moitié d'un liquide vaporisable, à la température ambiante, et est amenée par le mouvement alternatif de la soupape à coopérer alternativement pour absorber de la chaleur avec la surface intérieure de la cavité à l'extrémité constituée pour la tête de la soupape et pour évacuer de la chaleur, avec la surface intérieure de l'extrémité refroidie, l'extrémité de la tige de soupape constituant la surface d'évacuation de la chaleur, ayant même surface que 1'extrémité de la tête de soupape, constituant la surface d'application de la chaleur, afin d'éviter la carbonisation ou des anomalies d'ébullition, en tout point de la surface intérieure de la cavité de la soupape, la chaleur latente de vaporisation et de condensation du liquide constituant la majeure partie de l'énergie thermique transportée de la tête de soupape, à travers la tige de soupape, au cours du fonctionnement de la soupape et le degré de remplissage de la cavité étant dimensionnés de manière à utiliser une proportion importante de germes d'ébullition et en même "temps de germes de dégonflement de bulles, au cours du cycle de transfert de chaleur. 20 Soupape seloii la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide vaporisable est constitué par de l'eau» 3s Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que le degré de remplissage est d'environ 65 $ du volume de la cavité, à la température ambiante, 4a Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide vaporisable est un liquide organique. 5. Soupape selon la revendication 4, caractérisée en ce que le liquide vaporisable est un mélange eutectique contenant 26,5 i° en poids de diphényle et 73,5 f° en poids d'oxyde de diphé-nyle. 6. Soupape selon la revendication 4, caractérisée en ce que le liquide vaporisable est du monoisopropyldiphényle. 7o Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le li quide est une combinaison d e réfrigérants liquides à la température ambiante, dont l'un au moins présente un changement 70 25865 h 2051731 de phase absorbant de la chaleur,intéressant, lorsqu'il passe de la phase liquide à la phase vapeur, dans la gamme de température de fonctionnement de la soupape,» 8. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce 5 que la. cavité est dimensionnée de telle manière, relativement à l'absorption et à l'évacuation de chaleur au cours du fonctionnement de la soupape, que le liquide vaporisable contenu dans ce-te cavité absorbe de la chaleur par amorçage de 1'ébullition dans toutes les conditions de fonctionnement. 10 9» Soupape selon la revendication 9, caractérisée en ce que la tête de la soupape est d'environ 60 fo plus grande que la normale pour 1'absorption de chaleur et que la tige de la soupape est d'environ 70 i° plus grande que la normale pour l'évacuation de la chaleuro