Brevet FR2467972A1 — publié le 19810430

La presente invention due a la collaboration de Monsieur Rene PANNIER concerne une soupape qui peut être utilisee en particulier dans les moteurs à combustion interne, les compresseurs ou autres machines analogues, ladite soupape permettant l'obtention d'un haut debit de passage grâce a la structure aerodynamique particulière de son siège et de sa tête permettant ainsi de réduire considerablement les pertes de charge de l'ecoulement lors de l'ouverture de la soupape. On sait que les pertes de charge dans l'ecoulement gazeux aerodynamique d'un moteur a combustion interne, que ce soit à l'admission ou å l'échappement, influencent de manière sensible la valeur de la puissance que peut fournir le moteur thermique. L'étude expérimentale des caractéristiques aérodynamiques, par exemple d'un circuit d'admission de moteur à combustion interne, permet de montrer que les pertes de charge subies par l'écoulement gazeux proviennent en grande partie de la culasse du moteur et en particulier du circuit d'admission. Ces pertes de charge résultent à la fois de la forme du conduit d'admission proprement dit et de l'élargissement brusque à la sortie de la soupape, élargissement qui entraîne une perte de charge dite perte de pression cinetique. Cette dernière perte de charge représente près de la moitié de la perte de charge totale subie par l'écoulement dans la culasse du moteur. On peut songer à récupérer partiellement cette pression cinétique au moyen d'une configuration judicieuse de la chemise qui doit alors être placée à une distance précise de la soupape de façon que cette dernière tangente au moins localement ladite chemise. Toutefois cette récupération n'est que partielle et difficile à mettre en oeuvre compte tenu de la précision nécessaire dans la localisation relative de la soupape et de la chemise. L'objet de la présente invention consiste donc dans la réalisation d'une soupape dont la configuration de la tête et du siège de soupape soit telle que l'on obtienne une réduction de la perte de charge de l'écoulement. D'une manière générale, la demanderesse a constaté qu'il était possible d'obtenir un tel résultat en provoquant une déviation de l'écoulement lors de la levée de la soupape en direction perpendiculaire à l'axe de la soupape et en maintenant par effet Coanda, l'écoulement tangent à la surface de chasse qui présente la configuration d'un diffuseur.Le jet gazeux, par exemple d'air, s'échappant de la soupape, vient alors lécher la surface de chasse de sorte qu'on évite la formation de tourbillons de décollement créateurs de pertes de charge, en particulier lors d'une grande ouverture de soupape pour laquelle ces pertes de charge sont particulièrement importantes et affectent le débit de 1 'écoulement. L'objet de l'invention se trouve rempli au moyen d'une soupape pour moteur à combustion interne du type comportant une tige solidaire d'une tête coopérant avec un siège de façon à obturer un conduit. Selon l'invention, la surface de la tête de la soupape du côté du conduit comportant la tige, est sensiblement plane sur une majeure partie et perpendiculaire au mouvement de déplacement de la soupape. On constate une amélioration sensible de l'écoulement entraînant une réduction de la perte de charge. Dans le cas d'un mouvement de levée relativement important, le maintien de cet avantage nécessite de prévoir en outre une configuration particulière pour le siège de soupape. Selon l'invention le siège de soupape est évasé selon un profil curviligne convexe de façon à définir à la sortie du conduit, un passage progressivement agrandi en forme de diffuseur. La combinaison de la surface plane de la tête de la soupape avec la forme évasée de son siège permet d'obtenir un léchage de la surface de chasse par l'écoulement gazeux quelle que soit la valeur de la levée de la soupape. La réalisation pratique de l'évasement du siège en forme de diffuseur est facilitée par la décomposition de la surface évasée en une pluralité d'arrondis se raccordant les uns avec les autres de façon à obtenir un passage progressivement agrandi en forme de diffuseur. Cet évasement est tel que lors de l'ouverture de la soupape, l'écoulement dans le conduit reste appliqué sur ledit évasement par effet Coanda supprimant ainsi les tourbillons de décollement des parois. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le siège comporte une première portion évasée présentant un pre mier rayon de courbure et se trouvant par rapport à la soupape du coté du conduit lorsque ladite soupape se trouve en position fermée et repose sur son siège. Le siège comporte une deuxième portion évasée raccordée tangentiellement à la première et presentant un deuxième rayon de courbure supérieur au premier rayon, cette deuxième portion se trouvant située de l'autre côté de la soupape c'est-à-dire du coté de la chambre de combustion. On obtient de cette manière un contact linéaire entre la surface plane de la soupape et le siège évasé. Ce contact qui donne théoriquement les meilleurs résultats doit cependant être remplacé dans la pratique par un contact selon une surface afin de tenir compte des conditions de fonctionnement et d'améliorer en particulier l'étanchéité. Dans un mode de réalisation préféré, le raccordement entre les deux portions évasées du siège de la soupape se fait par une portion intermédiaire conique qui coopère en vue du contact lors de la fermeture de la soupape avec une surface conique correspondante pratiquée sur le pourtour de la tête de soupape. La demanderesse a en outre constate que les résultats avantageux obtenus par la configuration selon l'invention sont particulièrement sensibles si l'on respecte certaines proportions dimensionnelles relatives de la soupape et de son siège. En particulier l'évasement du siège de soupape doit être tel que lors de la levée maximale de la soupape, l'é- cartement entre la surface sensiblement plane de la soupape et la surface de la chambre de combustion soit égal à environ le tiers du mouvement total de levée de la soupape. Si cet écartement augmente, on constate l'apparition progressive de tourbillons de décollement créateurs de pertes de charge. La position de la zone de contact entre la soupape et son siège est de préférence déterminée de façon que le contact se fasse dans la zone de la première portion évasée du siège, à proximité de la zone de raccordement avec la deuxième portion évasée. Pour faciliter la fabrication, il est par ailleurs avantageux de réaliser le siège de soupape sous forme d'une pièce annulaire indépendante qui est montée dans un logement approprié de la chambre de combustion. Dans ce but, la première portion évasée située du coté du conduit est de préférence pratiquée sur une telle pièce rapportée qui est ensuite montée dans le conduit et joue le rôle de siège. La deuxième portion évasée au contraire est pratiquée directement dans la surface de la chambre de combustion. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation décrit à titre nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels la fig. l représente schématiquement une soupape selon l'invention et son siège; et la fig. 2 est une vue de détail agrandie de la zone de contact entre le bord de la soupape et son siège. A titre d'exemple on a représenté sur les figures de manière schématique une soupape d'admission de moteur à combustion interne et son siège. La soupape référencée l dans son ensemble comprend une tige 2 dont le diamètre est noté d qui est solidaire d'une tête 3 qui peut venir obturer un conduit d'admission 4 lorsqu'elle stapplique sur son siège comme représenté sur la fig. l en trait plein. La tige 2 pénètre sensiblement axialement à l'intérieur du conduit d'admission 4 de configuration cylindrique dans sa majeure partie. La surface inférieure 6 de la tête 3 de la soupape l est sensiblement plane et perpendiculaire à l'axe 2a de la tige de soupape. La portion plane 6 occupe la majeure partie de la surface inférieure de la tête 3 comme on peut le voir sur la fig. l. Le raccordement entre la tige 2 et la tête 3 se fait simplement par un arrondi 7 de rayon R3 sensiblement égal à la moitié du diamètre d de la tige. La jonction entre le conduit d'admission 4 et la chambre de combustion référencée 8 dans son ensemble, se fait par l'intermédiaire du siège présentant une surface évasée définissant un passage de diamètre progressivement agrandi depuis le conduit d'admission 4 jusqu'à la chambre de combustion 8 de façon que lors de l'ouverture de la soupape l, comme repré senté en pointillé sur la fig. l, l'écoulement du jet d'air se fasse selon la flèche 9 tout en restant appliqué sur la surface de cet évasement par effet Coanda. On constate la suppression des tourbillons de décollement générateurs de pertes de charge.Cette surface de jonction évasée présente une configuration telle que lors de la levée maximale h de la soupape et la distance m représentée sur la fig. l entre la surface inférieure plane 6 de la tête 3 et la surface plane 10 de la chambre de combustion soient dans un rapport de 3 à l environ. La demanderesse a constaté que si cet écartement m était plus important, la diminution des pertes de charge cons tatée grâce à la présente invention était moins importante, l'écoulement ne restant plus convenablement plaqué contre la surface de l'évasement. Pour faciliter dans la pratique la réalisation industrielle de cette surface de jonction évasée, celle-ci est constituée par la combinaison de deux surfaces de profil semi-circulaire. Une première portion évasée il présente un rayon de courbure R1, le centre du cercle étant représente sur la fig. l par le point A. Cette portion évasée circulaire il se raccorde tangentiellement à la paroi cylindrique 12 du conduit 4. Une deuxième portion évasée 13 présentant également un profil semi-circulaire de rayon R2, se raccorde tangentiellement à la surface plane 10 de la chambre de combustion. Le centre du cercle correspondant est repéré B sur la fig. 1. La droite joignant les deux centres A et B fait avec la perpendiculaire à l'axe du conduit 4 qui est également l'axe 2a de la soupape i un angle C qui est de préférence compris entre environ 500 et 600. Le rayon R2 qui est supérieur au rayon R1 est de préférence environ le double de ce dernier rayon. On obtient les meilleurs résultats lorsque la valeur du rayon R1 est égale à environ le tiers du diamètre D du conduit d'admission 4. Le contact entre la tête 3 de la soupape l et son siège se fait dans l'exemple représenté par une portion intermédiaire conique 14 qui se traduit sur la coupe de la fig. 2 par le segment de droite EF. La tête 3 de la soupape comprend également une surface conique correspondante pratiquée sur son pourtour. Un tel chanfrein ne réduit que très faiblement le coefficient de débit tout en permettant d'améliorer très sensiblement l'étanchéité lorsque la soupape est en position fermée. Comme on peut le voir en particulier sur la fig. 2, l'ensemble de la surface de jonction entre le conduit 4 et la chambre de combustion 8 comprend une première portion semicirculaire 11 de rayon R1 jusqu'au point E puis successivement une portion conique 14 représentée par le segment de droite EF, une faible portion FG semi-circulaire présentant à nouveau le rayon R1 et enfin au-delà du point G une deuxième portion semi-circulaire 13 de rayon R2. Le point G est le point de tangence entre les deux portions circulaires de rayons respectifs R1 et R2. Dans la pratique et pour simplifier la réalisation, on peutremplacer la portion de profil semi-circulaire FG par un simple décrochement annulaire jusqu'au point H représenté sur la fig. 2. Il est alors possible de réaliser le siège proprement dit constitué par la portion conique 14 et la première portion évasée 11 sur une pièce rapportée 15 délimitée par un trait mixte sur la fig. 2 et qui vient se monter dans un logement approprié pratiqué dans la culasse dont la jonction avec la chambre de combustion comporte la deuxième portion évasée de rayon R2 au-dela du point H. On notera, compte tenu des différentes proportions dimensionnelles qui ont été évoquées précédemment et qui doivent être utilisées de préférence pour l'obtention du résultat optimal, que la surface de contact entre la tête de soupape 3 et son siège se situe dans la zone de la première portion évasée 11 de rayon R1 à proximité du point de tangence G où se raccordent les deux cercles de rayons respectifs R1 et R2. Dans l'exemple illustré sur les figures, la surface supérieure de la soupape présente une configuration bombée 16 laquelle se raccorde au chanfrein conique de contact 14 au moyen d'un arrondi 16a. De la même manière, la surface plane 6 se raccorde par un arrondi 17 de même rayon que le précédent avec la zone conique 14. Lors de l'ouverture de la soupape 1 dans la position représentée en tirets sur la fig. 1, le-flux d'admission subit une déviation perpendiculaire à l'axe 2a de la soupape en raison de la surface plane 6 et se trouve projeté sur la combinaison des arrondis 11 et 13qui constituent l'évasement en forme de diffuseur du siège de soupape. Par effet Coanda, le flux reste alors tangent à cette surface d'écoulement à arrondi progressivement agrandi jusqu'à la surface plane 10 de la chambre de combustion 8. Par une modification relativement simple de la surface de jonction entre le conduit 4 et la chambre de combustion 8 il apparaît ainsi possible selon les essais effectués par la demanderesse d'obtenir une importante réduction de perte de charge qui entraîne une augmentation sensible de la puissance du moteur thermique. nVENDICATIONS 1. Soupape pour moteur à combustion interne comportant une tige solidaire d'une tête coopérant avec un siège de façon à obturer un conduit, caractérisée par le fait que la surface de la tête de soupape orientée du coté du conduit comportant la tige, est sensiblement plane sur une majeure partie et perpendiculaire au mouvement de déplacement de la soupape, le siège étant évasé selon un profil curviligne convexe de façon à définir à la sortie du conduit un passage progressivement agrandi en forme de diffuseur tel que lors de l'ouverture de la soupape, l'écoulement dans le conduit reste appliqué sur ledit évasement par effet Coanda, supprimant ainsi les tourbillons de décollement des parois. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'évasement du siège est tel que lors de la levée maximale de la soupape, l'écartement entre la surface sensiblement plane de la tête de la soupape et la surface de la chambre de combustion soit égale à environ le tiers du mouvement de levée de la soupape. 3. Soupape selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisée par le fait que le siège comporte une première portion évasée d'un premier rayon de courbure (R1) du coté du conduit par rapport à la soupape lorsque ladite soupape repose sur son siège et une deuxième portion évasée raccordée tangentiellement à la première présentant un deuxième rayon (R2) supérieur au premier rayon du côté de la chambre de combustion. 4. Soupape selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le raccordement entre les deux portions évasées se fait par une portion intermédiaire conique coopérant avec une surface conique correspondante pratiquée sur le pourtour de la tête de soupape. 5. Soupape selon les revendications 3 ou 4, caractérisée par le fait que le contact entre la soupape et son siège se fait dans la zone de la première portion évasée présentant le premier rayon de courbure (R1) à proximité de la zone de raccordement. 6. Soupape selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait que la première portion évasée présentant le premier rayon de courbure (R1) est pratiquée sur une pièce rapportée dans le conduit jouant le rôle de siège, la deuxième portion évasée de rayon de courbure (R2) etant pratiquée directement dans la chambre de combustion. 7. Soupape selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée par le fait que le deuxième rayon de courbure (R2) est le double du premier rayon de courbure (R1). 8. Soupape selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée par le fait que le premier rayon de courbure (R1) est égal à environ le tiers du diamètre du conduit (D). 9. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la tige est raccordée à la surface plane de la tête de la soupape par un arrondi de faible rayon. 10. Soupape selon la revendication 9, caractérisée par le fait que l'arrondi de raccordement entre la tige et la surface plane de la tête est d'environ la moitié du diamètre de la tige (d). 11. Soupape selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisée par le fait que l'angle d'inclinaison de la droite joignant les centres des deux portions évasées de rayons R1 et R2 par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe du conduit et de la soupape est compris entre 500 et 600.