Brevet FR2283310A1 — publié le 19760326

L'invention concerne un dispositif de refroidissement de soupapes, notamment des soupapes d'échappement de moteurs à combustion interne, comportant une soupape à tige creuse fermée vers l'extérieur et remplie en partie d'un liquide véhiculeur de chaleur, ainsi qu'un refroidissement extérieur a circulation forcée, prévu dans la culasse pour évacuer la chaleur amenée à la soupape. Le brevet allemand nO 319 325 décrit un arrangement de ce genre, dans lequel une soupape creuse fermée vers l'extérieur et remplie d'un liquide véhiculeur de chaleur est disposée dans un auide-soupape. Ce guide-soupape présente des cavités extérieures parcourues par le liquide du circuit de refroidissement du moteur. Par ce mode de refroidissement de la soupape, le liquide véhiculeur de chaleur contenu dans la tige de soupape creuse est projeté, lors des mouvements de la soupape, contre la face interne de la tête de soupape soumise aux gaz à haute température, y absorbe de la chaleur et la transporte-par son mouvement dans la partie supérieure de la tige de soupape, où la chaleur est évacuée par le liquide du circuit de refroidissement du moteur.Si l'accélération de la soupape est suffisante, ce mode de refroidissement assure certes une évacuation de la chaleur de la tête de soupape par le móuve- ment du liquide dans la tige de soupape creuse, mais, en raison des faibles accélérations de la soupape dans des moteurs ali mentés en huile lourde,il se produit inévitablement une corrosion à chaud, en particulier sur la tête de soupape à très haute température malgré le refroidissement, sous l'action des gaz d'échappement, fortement enrichis en sodium, vanadium et soufre, des huiles lourdes couramment utilisées à l'heure actuelle.Pas plus que la corrosion à chaud, on ne peut éviter une corrosion par voie humide sur la tige de soupape par les gaz d'échappement pénétrant dans le guide-soupape pendant la course de la soupape, du fait que la tige de soupape est refroidie très fortement par le refroidissement à circulation forcée. En raison des températures relativement basses de la tige de soupape, les gaz d'echappement enrichis en vapeurs de soufre qui pénètrent dans le guide-soupape forment, avec les particules d'eau se trouvant dans les gaz d'échappement, un condensat qui se dépose alors sur la tige de soupape sous la forme d'acide sulfurique.Par suite des températures superficielles élevées dûes à un refroidissement insuffisant et s'accompagnant d'une perte de dureté, même dans des soupapes à siège blindé, il peut arriver enfin que des produits de combustion solides se déposent sur le siège de la soupape et s'y incrustent. Ces particules de coke peuvent se détacher de nouveau ultérieurement en laissant subsister des creusures qui risquent de griller la soupape. Des corrosions de ce genre ont pour conséquence des destructions prématurées des soupapes d'échappement par grillage, ainsi que des détériorations du guide-soupape et de la tige de soupape, obligeant à des entretiens fréquents. Partant de ces observations, l'invention s'est fixé pour but de réaliser un dispositif du genre mentionné au début, qui permet d'éviter les phénomènes de corrosion sur la tige et la tête de la soupape, en particulier dans des moteurs à combustion interne alimentés en huile lourde et qui assure ainsi une longévité plus grande des soupapes. Conformément à l'invention, ce but est atteint par le fait que la température de vaporisation du liquide véhiculeur de chaleur se trouvant dans la tige de soupape creuse est inférieure à la température s'établissant en service sur la tête de la soupape, et que la température de condensation du liquide véhiculeur de chaleur est supérieure à la température s'établissant sur la tige de soupape refroidie. Par ces moyens, la température très élevée régnant à la téte de la soupape est amenée, par le liquide véhiculeur de chaleur se vaporisant dans l'extré- mité de la tige de soupape du coté de la chambre de combustion, à la tige de soupape plus froide qui est ainsi réchauffée. La vapeur se condense à cet emplacement et cède la chaleur à la tige de soupape.Ce mode de refroidissement met à profit les coefficients de transmission calorifique élevés au cours de la vaporisation et de la condensation. Dans toute la chambre intérieure, comprenant à la fois la chambre de liquide et la chambre de condensation de la soupape, -il règne des températures sensiblement constantes, de sorte que la tête de soupape est bien refroidie et la tige de soupape bien réchauffée Un autre avantage notable réside en ce qu'aucun groupe nouveau n'a besoin d'être prévu. En outre, ce mode de refroidissement peut être appliqué avec succès quel que soit le nombre de tours du moteur. I1 est avantageux que la tige de soupape creuse soit munie d'une chambre de liquide et d'une chambre de condensation. Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, il est prévu dans la culasse une chambre annulaire pour le refroidissement du siège de soupape, qui est remplie du liquide véhiculeur de chaleur, et au moins une chambre de condensation supplémentaire, ces chambres étant disposées dans une cloche de soupape et reliées entre elles par au moins un canal. Cette disposition permet d'abaisser encore plus la température du siège de soupape du côté de la cloche. Dans ce cas également, le liquide véhiculeur de chaleur se trouvant dans le siège annulaire de la cloche de soupape est vaporisé en absorbant de la chaleur de la tête de la soupape et du siège de la cloche, et la chaleur est transportée dans la partie supérieure de la cloche de soupape par le courant ascendant de vapeur, de sorte qu'elle se condense sur les parties plus froides de la cloche de soupape. Par suite de la formation de gouttelettes pendant la condensation, le liquide véhiculeur de chaleur s'écoule alors de nouveau vers le bas. Il est avantageux de plus que les chambres de condensation de la soupape et de sa cloche soient parcourues par un liquide de refroidissement dérive du circuit fermé de refroidissement du moteur, ou qu'on fasse passer ce liquide de refroidissement au voisinage desdites chambres de condensation. Suivant une autre forme d'exécution avantageuse de l'invention, il est prévu un gaz inerte dans les chambres de condensation au-dessus du liquide véhiculeur de chaleur. Le gaz utilisé est un gaz rare de préférence. Par ce moyen, même dans la zone de bas régime, c'est- -dire à faible charge thermique, la température de la tige de soupape ne peut pas descendre au-dessous de la valeur critique pour une corrosion par voie humide. En fonction de la charge thermique de la soupape et de sa cloche, ainsi que de la pression de vapeur correspondant à la charge thermique momentanée dans la soupape et dans sa cloche, ce matelas de gaz incondensable bloque en service une partie plus ou moins grande de la zone de condensation. De ce fait, l'évacuation de chaleur s'ajuste à l'apport de chaleur et il en résulte une uniformisation de la température en service sur toute la plage de charge du moteur à combustion interne. La proportion entre le volume de gaz et le volume total des chambres est calculee de façon que, pour la charge thermique maximale du système, la température critique du liquide vehi- culeur de chaleur ne puisse être atteinte en aucun cas. Selon une autre forme de réalisation avantageuse les cavités fermées de la soupape et de la cloche de soupape sont enduites d'une couche de protection. Une telle couche de protection est nécessaire à l'intérieur des organes pour les mettre à l'abri d'une corrosion provoquée à la longue par le liquide véhiculeur de chaleur et par la vapeur qu'il forme, à moins que le matériau constituant les parois des organes ne soit lui-mEme suffisamment résistant à la corrosion. I1 est également possible et favorable d'enduire les chambres de condensation d'une couche supplémentaire se prêtant à la formation d'une condensation en gouttelettes. Une telle condensation en gouttelettes améliore encore notablement les coefficients de transmission déjà élevés en soi. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, dont la figure unique représente en coupe longitudinale une soupape suivant l'invention, prévue dans une cloche de soupape. Le dispositif représenté comporte une soupape 1, notamment une soupape d'échappement, montée dans une cloche de soupape 2. La soupape d'échappement 1 comprend une tige de soupape 3 avec col façonné 4 et une tête de soupape 5.L'extre- mité supérieure 6 de la tige de soupape est fermée par un bouchon 7. La tige de soupape 3 possède une cavité intérieure 8. Celle-ci est subdivisée en une chambre de liquide 9, remplie d'un liquide véhiculeur de chaleur dont la température de vaporisation est inférieure à la température s'établissant en service sur la tête de soupape1 et en une chambre de condensation 10, de préférence plus grande que la chambre de liquide 9 située au-dessous. La température de condensation est supérieure à la température s'établissant sur la tige de soupape refroidie. Le bouchon de fermeture 7 de la soupape est pourvu d'un appendice 11 en forme de cylindre creux avec un évidement 12. L'appendice 11 sert au centrage du bouchon de fermeture 7 par rapport à la tige de soupape 3. L'avantage de cette disposition réside en ce que le soudage peut être effectué sans aucune préparation ni opération particulières.La tête de soupape 5 est munie d'un fond 13, dans lequel est usinée une creusure annulaire 14 se rétrécissant vers l'intérieur. Cette creusure annulaire 14 est fermée vers l'extérieur par une bague 15, soudée de façon à affleurer le fond 13 de la tête de soupape. I1 se forme ainsi, au voisinage du siège 17 de la soupape, une chambre de refroidissement annulaire 16, qui est reliée à la chambre de liquide 9 se trouvant dans la tige creuse au moyen de canaux 18 prévus en étoile dans la tête de soupape 5. La soupape 1 sus-décrite est prévue dans une cloche de soupape 2. La cloche 2 représentée comprend un élément supérieur 19, un élément inférieur 21 formé d'au moins deux nervures 20, et un siège annulaire de cloche 22. L'élément supérieur 19 de la cloche est pourvu d'une chambre annulaire extérieure de liquide 23, ainsi que d'une chambre annulaire intérieure de liquide 24. La chambre annulaire extérieure 23 possède une arrivée de liquide refroidisseur 25 et la chambre annulaire intérieure 24 un départ de liquide refroidisseur 26. Ces deux chambres de liquide refroidisseur communiquent entre elles par des canaux de trop-plein 27. Dans l'élément supe rieur 19 de la cloche est pratiqué en outre un évidement central circulaire 38 servant au logement partiel des ressorts de soupape 28, 29, les ressorts extérieurs 28 prenant appui dans la cloche de soupape 2 et les ressorts intérieurs 29 sur une douille 30 guidant la tige de la soupape. Ces ressorts de soupape 28, 29 sont glissés sur le prolongement du bouchon de fermeture 7 et maintenus par une cuvette de ressort de soupape 31 sur le bouchon de fermeture 7. La douille guide soupape 30 est agencée de telle façon que la paroi centrale intérieure de l'élément supérieur 19 de la cloche délimite, avec la paroi extérieure de la douille guide-soupape 30, la chambre annulaire intérieure de liquide refroidisseur 24.Sur les nervures 20 de l'élément inférieur de la cloche est posée une pièce circulaire 33, qui est fermée dans sa partie supérieure 32 et est réunie aux nervures par soudage ou brasage. Cette pièce 33 peut être exécutée à partir d'un tube ou être directement coulée avec les nervures. Etant donné que l'élément supérieur 19 de la cloche est posé sur les nervures 20 et que, de ce fait, la pièce tubulaire 33 s'engage dans la chambre annulaire de liquide refroidisseur 23 exécutée àun plus gros diamètre,il est possible également de faire venir de moulage cette pièce tubulaire 33 avec l'élément supérieur 19 de la cloche de soupape.Dans les nervures 20 sont prévus d'autres canaux 34, en communication avec une chambre de refroidissement annulaire 35 aménagée dans le siège 22 de la cloche pour le refroidissement du siège de soupape 17 et de la pièce tubulaire 33 constituant une chambre de condensation 36, La chambre intérieure 37 est remplie pareillement d'un liquide véhiculeur de chaleur, par exemple d'eau. Etant donné que la cloche de soupape 2 porte deux ou plusieurs nervures 20 sur lesquelles est posée la pièce tubulaire 33, il est prévu dans la cloche 2 deux chambres de condensation. Lors de la mise en oeuvre de l'invention, le liquide véhiculeur de chaleur est réchauffé par les gaz d'échappement à une haute température passant sur la tête de soupape 5. En raison de cet apport de chaleur, l'eau se vaporise dans les chambres de liquide 9 et 37, extrait de la chaleur de vaporisation de la-surface chauffée et la transporte sous la forme de chaleur latente dans la chambre de condensation 10 de la tige de soupape plus froide 3 et dans la chambre de condensation 36 de la cloche 2. Dans ces chambres de condensation 10 et 36 de la tige de soupape froide 3 ainsi que de la cloche de soupape 2, la vapeur se condense et cède de la chaleur à la tige de soupape 3 et à la partie supérieur de la cloche 2, qui sont ainsi réchauffées. Ce mode de refroidissement met à profit les coefficients de transmission calorifique élevés de vaporisation et de condensation, qui sont notablement au-dessus de ceux d'un refroidissement par barbotage. Dans toutes les chambres intérieures, aussi biendans les chambres de liquide 9 et 37 que dans les chambres de condensation 10 et 36, il règne une température sensiblement constante. Par ce procédé, on parvient à refroidir convenablement la tête dé soupape 5 et à réchauffer simul tanément la tige de soupape 3.De ce fait, la corrosion à chaud sur le fond 13 de la tête de soupape, dde principalement au dépôt de sodium et de vanadium dans des moteurs à combustion interne fonctionnant à l'huile lourde, ainsi que la corrosion par voie humide provoquée sur la tige de soupape 3 par l'acide sulfurique se formant aux emplacements froids de la tige de soupape sous l'action des gaz d'échappement à haute température, sont définitivement éliminées, ce qui allonge sensiblement les intervalles d'entretien et la longévité des soupapes d'échap- pement. Les températures qui sont atteintes sur le fond de la tête de la soupape par un tel dispositif de refroidissement ne dépassent pas 4500C, cependant que la température de la tige de la soupape atteint des valeurs comprises entre 1500C et 2500C environ.De plus, grâce à ce dispositif de refroidissement, la température sur le siège 17 de la soupape ne dépassera pas 3800C en raison de la température d'adhérence de la cendre d'huile lourde, de sorte qu'un refroidissement et un réchauffage efficaces des organes sont assurés dans toutes les zones menacées, L'obtention des températures précitées, en particulier sur le siège, est favorisé nettement par le refroidissement supplémentaire dans la-cloche de soupape. Afin que la chaleur puisse être évacuée dans les zones des chambres de condensation 10, 36, celles-ci sont parcourues par le liquide refroidisseur du circuit fermé de refroidissement du moteur.Ce liquide refroidisseur entre par l'arrivée 25, parcourt la chambre de condensation 36, pénètre par les canaux-de trop-plein 27 dans la chambre de liquide de refroidissement intérieure 24, parcourt la chambre de condensation 10 et est évacué par le départ de liquide refroidisseur 26. Afin que les cavités fermées de la soupape 1 et de la cloche de soupape 2 soient également protégées d'une corrosion provoquée à la longue par le liquide véhiculeur de chaleur et sa vapeur, ces cavités sont enduites, lorsque le liquide véhiculeur de chaleur utilisé est de l'eau distillée, d'une couche protectrice formée d'un alliage de cuivre. Dans les chambres de condensation 10, 36 est-appliquée sur cette couche protectrice de cuivre, une couche supplémentaire appropriée, destinée à contribuer à la formation d'une condensation en gouttelettes. Par ce moyen les coefficients de transmission calorifique déjà très élevés peuvent être encore améliorés fortement.Pour abaisser la température de la tige de soupape dans la zone de fonctionnement à faible allure, donc à charge thermique réduite, il est possible de remplir les chambres de condensation 10, 36 'un gaz inerte, tel qu'un gaz rare. En fonction des charges thermiques de la soupape et de sa cloche, ainsi que de la pression de vapeur correspondant à la charge thermique momentanée dans la soupape et dans sa cloche, ce matelas de gaz incondensable bloque en service une partie plus ou moins grande de la zone de condensation, De ce fait, l'évacuation de chaleur s'ajuste à l'apport de chaleur et il en résulte une uniformisation de la température en service sur toute la plage de charge du moteur à combustion interne. La proportion entre le volume de gaz et le volume total des chambres est calculée de façon que, pour la charge thermique maximale du système, la température critique du liquide véhiculeur de chaleur ne puisse être atteinte en aucun cas. On pourrait envisager également d'autres liquides véhiculeurs de chaleur, tels que du mercure ou des porteurs de chaleur organiques, par exemple un mélange eutectique de 26,5% de diphényl et de 73,5% d'oxyde de diphényl, de sorte que l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation repre- senté. REVENDICATIONS 1,- Dispositif pour le refroidissement de soupapes, notamment des soupapes d'échappement de moteurs à combustion interne, comportant une soupape à tige creuse, fermée vers I'extérieur et remplie en partie d'un liquide véhiculeur de chaleur, ainsi qu'un refroidissement extérieur à circulation force, prévu dans la culasse pour évacuer la chaleur amenée à la soupape, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la température de vaporisation du liquide véhiculeur de chaleur se trouvant dans la tige de soupape creuse (3) est inférieure à la température s'établissant en service sur la tête (5) de la soupape, et en ce que la température de condensation duliquide véhiculeur de chaleur est supérieure à la température s'établissant sur la tige de soupape refroidie (3). 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tige de soupape creuse (3) est munie d'une chambre de liquide (9) et d'une chambre de condensation (10). 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre de condensation (10) est plus grande que la chambre remplie de liquide (9). 4.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu dans la culasse une chambre annulaire (35) pour le refroidissement du siège de soupape (17), qui est remplie du liquide véhiculeur de chaleur, et au moins une chambre de condensation supplémentaire (36), ces chambres (35, 36) étant reliées entre elles par au moins un canal (34). 5.- Dispositif suivant les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que la chambre de condensation (36) est parq courue par un liquide de refroidissement dérivé du circuit fermé de refroidissement du moteur. 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement parcourt une chambre centrale (24) et une chambre extérieure annulaire de liquide refroidisseur (23). 7.- Dispositif suivant les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les chambres annulaires (23, 24) parcourues par le liquide refroidisseur sont prévues dans une cloche de soupape (2) placée dans la culasse. 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la chambre annulaire extérieure de liquide refroidisseur (23) est munie d'une arrivée (25) et la chambre centrale de liquide refroidisseur (24) d'un départ (26), ces deux chambres de refroidissement (23, 24) étant reliées par des canaux de trop-plein (27). 9.- Dispositif suivant la revendication 4,caractérisé en ce que la chambre de condensation supplémentaire (36) est prévue pareillement dans la cloche de soupape (2). 10.- Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la chambre de condensation supplémentaire (36) est constituée par au moins un tube posé sur un canal (34) dans une nervure (20) de la cloche de soupape. 11.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que dans le fond (13) de la tête de soupape (5) est pratiquée une creusure annulaire (14) qui, en vue de la formation d'une chambre de refroidissement annulaire (16), est fermée au moyen d'une bague soudée (15) affleurant par sa face externe le fond (13) de la tête de soupape. 12.- Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la chambre de refroidissement annulaire (16) prévue dans la tête de soupape (5) est mise en communication avec la chambre de liquide (9) de la soupape (1) par des canaux (18) placés en étoile dans la tête de soupape (5). 13.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les chambres de condensation (1C 36) sont mises sous vide. 14.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide véhiculeur de chaleur utilisé est de l'eau. 15.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide véhiculeur de chaleur utilisé est du mercure. 16.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que le liquide véhiculeur de chaleur utilisé est un porteur de chaleur organique, par exemple un liquide formé d'un mélange de diphényl et d'oxyde de diphényl. 17.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un gaz inerte dans les chambresde condensation (10, 36) au-dessus du liquide véhiculeur de chaleur. 18.- Dispositif suivant la revendication 17, caractérisé en ce que le gaz prévu est un gaz rare, 19.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les chambres de liquide (9, 37) et les chambres de condensation (10, 36) de la soupape (1) et de sa cloche (2) sont enduites d'une couche de protection. 20.- Dispositif suivant la revendication 19, caractérisé en ce que la couche de protection est formée d'un alliage de cuivre. 21.- Dispositif suivant la revendication 20, caractérisé en ce que, dans les chambres de condensation (10, 36) est appliquée, sur la couche de protection, une couche supplémentaire se prêtant à la formation d'une condensation en gouttelettes.