Brevet FR2724201A1 — publié le 19960308

i 2724201 La présente invention concerne des joints pour soupape de combustion interne et plus spécifiquement des joints de soupape situés en une partie d'extrémité inférieure d'un guide de soupape, au voisinage d'une chambre de combustion. Dans les moteurs à combustion interne à soupape en tête classiques, au moins deux soupapes vont et viennent en alternance réglée pour fournir une communication intermittente entre les collecteurs d'admission et d'échappement et une chambre de combustion. Les soupapes ont des tiges de soupape qui sont couramment disposées dans des guides de soupape supportant un mouvement axial dans une tête de moteur. La lubrification est fournie aux parties supérieures des tiges de soupape par une pulvérisation d'huile de lubrification à l'intérieur d'un couvercle de soupape disposé au- dessus de la tête, ou par écoulement gravitationnel à partir d'un bras culbuteur associé. L'huile s'écoule par gravité le long de l'extrémité libre supérieure de la tige de soupape vers la tête de soupape. Etant donné que les températures dans la chambre de combustion peuvent atteindre ou dépaser 1000 Celsius, une huile de lubrification exposée à ces températures partira en vapeur ou brûlera, laissant derrière des dépôts qui peuvent interférer avec un étanchement correct des soupapes. Les joints d'étanchéité entre la tige de soupape et le guide de soupape ont été couramment situés à une extrémité supérieure du guide de soupape pour restreindre l'entrée d'huile dans la chambre de combustion. L'extrémité supérieure du guide de soupape est distant de la chambre de combustion, éloignant ainsi le joint d'étanchéité de l'intense chaleur de combustion. Lorsque la soupape se translate axialement entre les positions ouverte et fermée, l'extrémité inférieure de la tige frotte contre une extrémité inférieure du guide. Avec le joint d'étanchéité disposé dans la région supérieure & l'intérieur du couvercle de soupape, peu de lubrifiant atteint une extrémité inférieure d'une région de recouvrement de la tige de soupape et du guide de soupape. Le joint est 2 2724201 configuré pour fournir un flux contrôlé de lubrifiant passant par le joint le long de la tige de soupape, assurant une certaine protection minimale contre l'usure ou le grippage de la tige de soupape contre le guide sans produire de dépôts de résidu d'huile dans la zone d'assise. Le joint d'étanchéité d'huile résultant est un compromis difficile qui résulte souvent en un grippage de la tige de soupape. Une technique connue pour minimiser ou éliminer le grippage de soupape consiste à situer le joint dans une rainure formée à une extrémité inférieure de la tige de soupape. Le joint ferme hermétiquement contre un diamètre interne du guide de soupape. Toutefois, comme la soupape se déplace à l'intérieur du guide de soupape, le joint doit être situé en une position axiale le long de la tige de soupape qui reste à l'intérieur du guide de soupape pour toute la course de la soupape de sorte que le joint ne sorte pas du guide de soupape. La distance résultante du joint à partir de l'extrémité du guide de soupape peut fournir quelques opportunités pour l'apparition d'un grippage de soupape. En outre, la réduction résultante en section transversale produite par la soupape diminue la résistance de la tige de soupape. Il est également connu de prévoir un joint formé d'enroulements de fil métallique dans une fente à une extrémité inférieure du guide de soupape. Un joint de fil métallique est généralement moins efficace qu'un joint élastomère pour l'étanchement. Mais, les joints élastomères sont plus sensibles à la chaleur en comparaison avec les joints en fil métallique. Les agencements connus de joint de soupape pour moteur thermique ne s'adaptent pas facilement à l'utilisation d'un joint élastomère à une extrémité du guide de soupape la plus proche de la chambre de combustion. La présente invention a pour objet un système d'étanchement d'une tige de soupape pour un moteur à combustion interne comprenant un guide de soupape et un joint élastomère de soupape disposé dans celui-ci. Le guide de 3 2724201 soupape a une forme sensiblement cylindrique et a un axe longitudinal et une première et une seconde extrémités. Le guide de soupape a également une partie thermiquement isolante à la seconde extrémité et une rainure circonférentielle interne dans la seconde extrémité. Le joint élastomère de soupape est disposé dans la rainure circonférentielle. Le fait de prévoir l'élément isolant à une seconde extrémité du guide de soupape ralentit la transmission de chaleur de la chambre de combustion le long du guide de soupape, permettant à un joint élastomère d'être situé dans la seconde partie d'extrémité voisine de la chambre de combustion, permettant ainsi l'utilisation contrôlée d'huile de lubrification le long de presque toute la longueur du guide de soupape, éliminant ainsi efficacement le grippage de soupape. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre de plusieurs modes de réalisation particuliers actuellement préférés de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une soupape et d'un guide de soupape disposés dans une tête de moteur et incorporant la présente invention; - la figure 2 est une vue agrandie et en coupe transversale de la partie de la figure 1 qui se trouve dans la zone encerclée 2; - la figure 3 est une vue agrandie et en coupe transversale d'une variante de réalisation de la présente invention; et - la figure 4 est une vue agrandie et en coupe transversale d'une autre variante de réalisation de la présente invention. Selon l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le système d'étanchement de tige de soupape 10 comprend 4 2724201 une soupape 12 avec une tige de soupape 14 disposée coulissante dans un guide de soupape 16 fixé dans une tête de moteur 18. La soupape 12 est représentative à la fois des soupapes d'admission et d'échappement. Une première extrémité 20 de la tige de soupape 14 s'étend à travers et au-delà d'une première extrémité 22 du guide de soupape 16 pour venir en contact avec un bras culbuteur (non représenté) ou un lobe de came (non représenté). La première extrémité 20 de la tige de soupape 14 a une alimentation abondante d'huile de lubrification de moteur qui lui est destinée pour minimiser l'usure entre la tige de soupape 14 et le bras culbuteur ou lobe de came. Une tête de soupape 24 est disposée à une seconde extrémité 26 de la tige de soupape 14 qui s'étend au- delà d'une seconde extrémité 28 du guide de soupape 16. La soupape 12 est sollicitée vers une position fermée par un ressort (non représenté) avec la tête de soupape 24 qui siège contre un siège de soupape 30 de la tête de moteur (18). Lorsque la soupape 12 est dans la position fermée, la tête de soupape 24 bloque l'écoulement depuis une chambre de combustion (non représentée), définie en partie par un côté de chambre de combustion 32 de la tête de moteur 18, vers un canal d'écoulement 34 dans la tête 18. Lorsqu'actionnée par le bras culbuteur ou le lobe de came, la soupape 12 est déplacée vers une position ouverte, espacée du siège 30, établissant une communication de fluide entre le côté de chambre de combustion 32 de la tête de moteur 18 et le canal d'écoulement 34. Lorsque la soupape 12 est fermée, la chaleur de combustion sur le côté de chambre de combustion 32 est transférée à travers la tête de soupape 24 à la tige de soupape 14. Lorsqu'une soupape d'échappement 12 se déplace vers la position ouverte suivant la combustion, des gaz chauds à environ 1000 Celcius passent à travers le canal d'écoulement 34 exposant la seconde extrémité 28 du guide de soupape 16 à des températures extrêmement élevées. 2724201 Le guide de soupape 16 a une forme sensiblement cylindrique et a un axe longitudinal 36. Le guide de soupape 16 est fixé dans la tête de moteur 18. Typiquement, dans les systèmes bien connus d'étanchement de tige de soupape, un joint élastomère annulaire (non représenté) est disposé entre la soupape 12 et le guide 16 à la première extrémité 22 du guide 16 pour empêcher qu'un excès d'huile de lubrification atteigne la chambre de combustion. L'huile atteignant la chambre de combustion s'y vaporiserait ou brûlerait du fait des températures élevées, laissant derrière des dépôts qui pourraient interférer avec l'assise correcte de la soupape 12, affectant en conséquence le rendement du moteur. Toutefois, pour minimiser le grippage de la soupape 12 provoqué par le frottement de la seconde extrémité 26 de la tige de soupape 14 contre la seconde extrémité 28 du guide de soupape 16, le joint est configuré pour doser une faible quantité d'huile descendant le long de la tige de soupape 14. La caractéristique de dosage est difficile à contrôler et peut résulter soit en une trop grande quantité d'huile atteignant la seconde extrémité 28 du guide 16 et produisant ainsi des dépôts indésirables, soit en une quantité d'huile insuffisante ayant pour résultat des tiges de soupape 14 grippées. La présente invention rend inutile le compromis difficile entre trop et pas assez d'huile atteignant la seconde extrémité 28 de la tige de soupape 14, en déplaçant le joint d'étanchéité vers la seconde extrémité 28 du guide de soupape 16. L'huile peut atteindre la seconde extrémité 28 du guide de soupape 16 sans restriction, évitant ainsi le grippage. Un joint élastomère 38 est disposé dans une rainure circonférentielle interne 40 dans le guide de soupape 16 au voisinage de la seconde extrémité 28. Le joint d'étanchéité 38 est emprisonné sur trois côtés par la rainure 40 et est piégé sur un quatrième côté par la tige de soupape 14. Le joint d'étanchéité 38 est formé en un matériau élastomère pour éliminer sensiblement toute fuite ou infiltration 6 2724201 passant par celui-ci, évitant la formation de dépôts sur le siège de soupape 30 et la tête de soupape 24. Les élastomères silicone, fluorosilicone, fluoro- carbone, et nitride hautement saturés (HSN) sont tous des élastomères donnés à titre d'exemple à partir desquels le joint 38 peut être formé. Le joint d'étanchéité 38 a par exemple une section transversale curviligne en forme de X réalisant deux cercles de contact entre le joint 38 et la tige de soupape 14 pour assurer une étanchéité efficace entre la soupape 12 et le guide de soupape 16. Le joint 38 est protégé d'une exposition directe aux gaz d'échappement à température élevée et à la chaleur de combustion par une partie isolante 42 du guide de soupape 16 définissant la seconde extrémité 28. Une partie non-isolante 44 de guide 16, c'est-à-dire le reste du guide 16 sauf la partie isolante 42, est typiquement formée en métal tel que l'acier. Il est essentiel que le joint 38 soit protégé de la chaleur, car une exposition à un niveau de chaleur trop élevé provoquerait une déformation permanente du joint 38, compromettant ainsi son efficacité d'étanchement. Si l'efficacité du joint 38 est compromise, l'huile s'infiltrera en passant par le joint 38 pour atteindre la tête de soupape 24. L'huile atteignant la tête de soupape 24 et exposée à des températures de niveau de combustion se vaporiserait probablement, laissant des dépôts sur la tête de soupape 38 et le siège 40. Plusieurs configurations pour l'élément thermiquement isolant 42 sont montrées dans les figures. Dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple sur les figures 1 et 2, la rainure circonférentielle interne 40 pour le joint 38 est formée dans la partie non-isolante 44. La partie thermiquement isolante 42 dans ce mode de réalisation est un revêtement de 0,25-0,76 mm d'épaisseur (0,010-0,030 pouces) d'une pulvérisation thermique à base de zircone telle que Y203-ZrO2, appliquée à une couche de base d'un alliage 7 2724201 nickel-chrome qui agit comme une colle pour la pulvériation à base de zircone. Dans une variante de réalisation du système d'étanchement de tige de soupape 10, illustrée sur la figure 3, la partie thermiquement isolante 42' est une pièce annulaire en céramique. La figure 4 représente encore une autre variante de réalisation de système d'étanchement de tige de soupape 10. La rainure circonférentielle interne 40' et le joint d'étanchéité 38 dans celle-ci sont situés dans la partie thermiquement isolante 42". Une couche thermiquement isolante 48 disposée sur un côté de chambre de combustion 50 de la tête de soupape 24 assure la protection du joint 38 contre la chaleur passant à travers la tige de soupape 14. La couche isolante de tête de soupape 48 ralentit la transmission de la chaleur de combustion à travers la tête de soupape 24 et dans la tige de soupape 14, protégeant ainsi le joint 38. L'élément isolant 48 est disposé sur un côté 50 de la tête 24 opposé à la tige 14. Une protection additionnelle du joint 38 contre la chaleur passant à travers la tige de soupape 14 est fournie en plaçant une couche en matériau thermiquement isolant 52 sur la tige de soupape 14 dans une région devant venir en contact avec le joint d'étanchéité 38. Ceci minimise le transfert de chaleur à travers cette partie de la tige de soupape 14. Les isolateurs thermiques 42, 48, 52 ou les barrières de la présente invention rendent possible l'utilisation d'un joint élastomère 38 au niveau de la seconde extrémité 28 du guide de soupape 16 en évitant une détérioration significative de ses capacités d'étanchéité en protégeant le joint 38 avec des isolateurs thermiques avantageusement disposés. Des modes de réalisation préférés ont été révélés. L'homme du métier se rendra compte toutefois que certaines modifications entrent dans le cadre de l'enseignement de 8 2724201 l'invention. Par exemple, il peut être souhaitable d'utiliser des matériaux isolants différents de ceux révélés ici ou des joints élastomères différents de ceux spécifiquement révélés ici. En outre, il peut être approprié dans certaines applications d'avoir le joint 38 légèrement éloigné de la seconde portion d'extrémité pour fournir une protection additionnelle contre la chaleur. Bien entendu, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits et leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre des revendications qui suivent. 9 2724201 REVENDICATIONS 1. Système d'étanchement de tige de soupape (10), caractérisé en ce qu'il comprend: un guide de soupape sensiblement cylindrique (16) ayant un axe longitudinal (36) et une première extrémité (22) et une seconde extrémité (28) et définissant une rainure circonférentielle interne (40, 40') au voisinage de la seconde extrémité (28) et ayant une partie thermiquement isolante (42, 42', 42") formant la seconde extrémité (28) à une extrémité d'une partie non isolante (44); et un joint d'étanchéité élastomère (38) disposé dans la rainure circonférentielle. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rainure circonférentielle (40) est dans la partie non- isolante (44). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie thermiquement isolante (42) est formée d'une pulvérisation thermique. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rainure circonférentielle (40') est dans la partie thermiquement isolante (42"). 5. Système selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que la partie thermiquement isolante (42', 42") est une pièce annulaire en céramique. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une soupape (12) avec une tige de soupape (14) ayant une couche de matériau thermiquement isolant (52) recouvrant une partie de la tige de soupape (14) devant être en contact avec le joint d'étanchéité (38). 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une soupape (12) ayant une couche de matériau thermiquement isolant (48) disposée sur un côté de chambre de combustion (50) d'une tête (24) de la soupape (12). 2724201 8. Système d'étanchement de tige de soupape (10), caractérisé en ce qu'il comprend: un guide de soupape sensiblement cylindrique (16) ayant un axe longitudinal (36) et une première extrémité (22) et une seconde extrémité (28) avec une rainure circonférentielle interne (40, 40') au voisinage de la seconde extrémité (28); un joint élastomère (38) disposé dans la rainure circonférentielle; une soupape (12) ayant une tige de soupape (14) disposée coulissante dans le guide de soupape (16) et ayant une tête (24) à une extrémité (26) de la tige s'étendant au- delà de la seconde extrémité (28) du guide (16), de sorte que la tête soit apte à venir en contact avec un siège de soupape (30); et un élément isolant (42, 42', 42", 48, 52) formant partie d'au moins l'un du guide (16) et de la soupape (12) et disposé en une position pour réduire le transfert de chaleur vers le joint (38) à partir d'une direction de la tête. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément isolant (48) est disposé sur un côté (50) de la tête (24) opposé à la tige (14). 10. Système selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'élément isolant (52) est disposé sur une partie de la tige de soupape (14) devant être en contact avec le joint (38). 11. Système selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'élément isolant (42, 42', 42") définit la seconde extrémité (28) du guide de soupape (16) à une extrémité d'une partie non-isolante (44). 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que la rainure circonférentielle (40) est dans la partie non-isolante (44). 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément thermiquement isolant (42) est formé par une pulvérisation thermique. 11 2724201 14. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que la rainure circonférentielle (40') est dans l'élément thermiquement isolant (42"). 15. Système selon la revendication 12 ou 14, caractérisé en ce que l'élément thermiquement isolant (42', 42") est une pièce annulaire en céramique.