[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une soupape de moteur
à combustion interne.
[0002] La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de traitement d'une
soupape de moteur à combustion interne comportant une étape de nitruration de manière
à former sur celle-ci une couche périphérique de matériau nitrurée.
[0003] Les déplacements de la soupape et sa venue en contact répétée, par sa portée, avec
le siège de soupape associé, est susceptible de provoquer une usure rapide de la portée
de soupape et du siège, en particulier lorsque le carburant utilisé dans le moteur
est peu ou pas lubrifiant.
[0004] On connaît déjà plusieurs solutions pour limiter cette usure.
[0005] On peut réaliser les sièges de soupape en acier fritté comportant un taux élevé de
cobalt et de molybdène.
[0006] On peut imprégner les porosités du siège de soupape avec un matériau lubrifiant non
miscible avec l'acier à l'état liquide tel que du plomb.
[0007] On peut blinder la portée de soupape par un procédé de stellitage déposé par torche
ou "Plasma Transfert Arc". Les types de Stellite couramment employés sont les suivants
: Stellite 12 (base Cobalt), Stellite grade F (base Cobalt) et Stellite base Fer.
[0008] On peut durcir les portées de soupape par traitement thermique lorsque la tête de
soupape est réalisée en acier martensitique.
[0009] On peut aussi combiner les différentes solutions mentionnées ci-dessus.
[0010] Ces différentes solutions ne limitent pas l'usure de manière suffisamment efficace
pour garantir la fiabilité de fonctionnement de la soupape pendant toute la durée
de vie du moteur.
[0011] L'invention vise donc à limiter plus efficacement l'usure adhésive et abrasive entre
le siège de soupape et la portée de soupape associée.
[0012] Dans ce but, l'invention propose un procédé du type décrit précédemment, caractérisé
en ce que l'étape de nitruration est suivie d'une étape de finition visant à améliorer
l'état de surface de la soupape au niveau de sa portée contre le siège de soupape,
en conservant une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour résister aux températures
de combustion du moteur.
[0013] Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- l'étape de finition consiste à écrêter la surface de la portée de soupape, notamment
en enlevant les pics d'oxyde ;
- l'étape de finition est réalisée par une technique dite de tribofinition, au cours
de laquelle la soupape est placée dans une enceinte avec une charge minérale, l'enceinte
subissant une série de mouvements d'agitation de manière à réaliser une abrasion superficielle
de la surface de la portée de soupape par la charge minérale ;
- la portée de soupape dans son état final est obtenue directement après l'étape de
finition, sans recourir à un usinage ;
[0014] L'invention propose aussi une soupape de moteur à combustion qui est obtenu par le
procédé selon l'une des caractéristiques précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur
de la couche de matériau traitée par nitruration, au niveau de la portée, après l'étape
de finition, est supérieure ou égale à cinq micromètres.
[0015] Selon d'autres caractéristiques de la soupape :
- l'épaisseur totale de la couche de matériau traitée par nitruration est sensiblement
égale à vingt micromètres.
- la soupape est utilisée dans un moteur prévu pour fonctionner avec un carburant gazeux.
[0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de
la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera
à la figure unique qui représente une soupape d'échappement de moteur à combustion
interne.
[0017] On a représenté sur la figure unique une portion de culasse 10 de moteur à combustion
interne.
[0018] La culasse 10 comporte un conduit d'échappement 12 qui permet de faire communiquer
la chambre de combustion du moteur avec le collecteur d'échappement (non représenté)
du moteur.
[0019] Le conduit d'échappement 12 est susceptible d'être obturé par une soupape d'échappement
14 qui est guidée axialement dans un guide de soupape 16 agencé dans la culasse 10
du moteur.
[0020] La soupape 14 est montée mobile suivant son axe de déplacement, qui est ici vertical.
[0021] La soupape 14 comporte une tige de soupape 18 et une tête de soupape 20 qui obture
le conduit d'échappement 12 lorsque la soupape 14 occupe sa position fermée.
[0022] La tête de soupape 20 comporte une portée 22 sensiblement tronconique qui est prévue
pour venir en appui axial contre un siège de soupape 24 complémentaire agencé dans
la culasse 10, lorsque la soupape 14 occupe sa position fermée.
[0023] Le siège 24 est ici rapporté dans le conduit d'échappement 12.
[0024] Bien entendu, l'invention s'applique aussi bien à une soupape d'admission qu'à la
soupape d'échappement 14.
[0025] On décrira maintenant le procédé de fabrication de la soupape 14, conformément aux
enseignements de l'invention.
[0026] La forme générale de la soupape 14 est obtenue par des étapes classiques de fabrication
faisant appel, par exemple, au forgeage et à l'usinage.
[0027] Le procédé de fabrication de la soupape 14 comporte ensuite des étapes qui permettent
de donner à la soupape 14 sa forme définitive, avant son montage dans le moteur.
[0028] De manière classique, le procédé comporte une étape dite de nitruration, au cours
de laquelle la soupape est traitée par enrichissement en azote.
[0029] L'étape de nitruration vise à augmenter la dureté de la soupape 14 et à minimiser
le coefficient de frottement de la portée de soupape 22 sur le siège de soupape 24.
[0030] Au cours de la nitruration, l'apport superficiel d'azote forme, dans le matériau
constituant la soupape 14, une couche périphérique nitrurée, qui comporte une couche
dite de combinaison et une couche dite de diffusion. La couche nitrurée a une épaisseur
déterminée, en particulier au niveau de la portée de soupape 22.
[0031] Pour que le traitement de nitruration soit efficace, il est nécessaire que l'épaisseur
de la couche nitrurée au niveau de la portée de soupape 22 soit, à l'état neuf de
la soupape 14, d'au moins 5 micromètres. La dureté superficielle minimale de la portée
de soupape est alors de 700 HV.
[0032] Conformément aux enseignements de l'invention, l'étape de nitruration est suivie
d'une étape dite de finition visant à améliorer l'état de surface de la portée de
soupape 22, en conservant une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour minimiser
le coefficient de frottement de la portée 22 sur le siège 24.
[0033] L'étape de finition consiste ici à écrêter la surface de la portée de soupape 22,
notamment en enlevant les pics d'oxyde.
[0034] De préférence, l'étape de finition est réalisée par une technique de traitement de
surface dite de tribofinition.
[0035] Une technique de tribofinition utilise l'énergie du frottement et de la vibration
pour le fini de surface par abrasion, ce qui permet l'obtention de profils de rugosité
très fine.
[0036] Cette technique de traitement par abrasion est mise en oeuvre à l'aide d'une machine
de tribofinition (non représentée) permettant de placer la soupape 14 dans une enceinte
avec une charge minérale, telle que des cônes de frictions ou des billes, L'enceinte
subit alors une série de mouvements d'agitation de manière à réaliser une abrasion
superficielle de la surface de la portée de la soupape 22 par la charge minérale.
[0037] L'étape de finition est mise en oeuvre de manière retrouver un état de surface de
la portée de soupape 22 proche de l'état de surface de la pièce avant nitruration.
[0038] Selon une variante de réalisation, l'étape de finition peut être réalisée au moyen
d'une technique de polissage classique telle que celle qui est utilisée pour améliorer
l'état de surface de la tige de soupape 18.
[0039] La finition par tribofinition présente l'avantage d'être indépendante de la géométrie
de la pièce, ce qui faciliter sa mise en oeuvre dans le cas de la soupape 14.
[0040] Avantageusement, la portée de soupape 22 dans son état final est obtenue directement
après l'étape de finition, sans qu'il ne soit nécessaire de recourir à un usinage
comme dans le procédé selon l'état de la technique.
[0041] Il n'est donc pas nécessaire de rectifier les portées de soupape 22 par usinage après
la nitruration, ce qui permet de conserver une couche nitrurée d'épaisseur suffisante
pour minimiser le coefficient de frottement de la portée 22 sur son siège 24.
[0042] Bien que la portée 22, en particulier la portée 22 de la soupape d'échappement 14,
soit soumise aux très hautes températures atteintes par les gaz de combustion, on
constate que la couche nitrurée de la portée de soupape 22 ne s'altère pas. En effet,
malgré une température à coeur de la soupape 14 très élevée, la portée de soupape
22 se refroidit par son contact avec le siège de soupape 24.
[0043] Le procédé selon l'invention permet d'augmenter la dureté superficielle de la portée
de soupape 22 et de diminuer son coefficient de frottement contre le siège de soupape
24.
[0044] Ces caractéristiques sont obtenues grâce à la conservation d'une couche nitrurée
d'épaisseur minimale, alors qu'auparavant, dans le procédé selon l'état de la technique,
l'étape d'usinage effectuée après la nitruration retirait la majorité de l'épaisseur
de matériau nitrurée.
[0045] Le procédé de fabrication selon l'invention permet d'obtenir une portée de soupape
22 dont la couche nitrurée a une épaisseur minimale de 5 micromètres.
[0046] De préférence, on met en oeuvre le procédé selon l'invention de manière à obtenir
une couche nitrurée, au niveau de la portée de soupape 22, d'environ 20 micromètres,
ce qui permet d'améliorer encore la dureté de la portée de soupape 22, et de diminuer
encore son coefficient de frottement contre le siège de soupape 24.
[0047] Le procédé selon l'invention permet aussi de réduire l'usure de 50% par rapport aux
soupapes réalisées selon l'état de la technique.
[0048] On note que le procédé selon l'invention est combinable avec les solutions connues
pour limiter l'usure du contact siège de soupape/portée de soupape.
[0049] L'invention permet de garantir la bonne étanchéité et de maîtriser l'usure du contact
siège de soupape/portée de soupape, pendant toute la durée de vie du moteur.
[0050] Grâce à ces caractéristiques, la soupape 14 obtenue par le procédé selon l'invention
est particulièrement adaptée à une utilisation dans un moteur fonctionnant avec un
carburant alcoolisé, ou avec un carburant de type GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié), ou
encore avec un carburant gazeux tel que du GNV (Gaz Naturel Véhicule), du GNC (Gaz
Naturel Compressé), ou du GNA (Gaz Naturel Adsorbé).
1. Procédé de traitement d'une soupape (14) de moteur à combustion interne, comportant
une étape de nitruration de manière à former sur celle-ci une couche périphérique
de matériau nitrurée, caractérisé en ce que l'étape de nitruration est suivie d'une étape de finition visant à améliorer l'état
de surface de la soupape (14) au niveau de sa portée (22) contre le siège de soupape
(24), en conservant une couche nitrurée d'épaisseur suffisante pour résister aux températures
de combustion du moteur.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de finition consiste à écrêter la surface de la portée de soupape (22), notamment
en enlevant les pics d'oxyde.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de finition est réalisée par une technique dite de tribofinition, au cours
de laquelle la soupape (14) est placée dans une enceinte avec une charge minérale,
l'enceinte subissant une série de mouvements d'agitation de manière à réaliser une
abrasion superficielle de la surface de la portée de soupape (22) par la charge minérale.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portée de soupape (22) dans son état final est obtenue directement après l'étape
de finition, sans recourir à un usinage.
5. Soupape (14) de moteur à combustion interne qui est obtenue par le procédé selon l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche de matériau traitée par nitruration, au niveau de la portée
(22), après l'étape de finition, est supérieure ou égale à cinq micromètres.
6. Soupape (14) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'épaisseur totale de la couche de matériau traitée par nitruration est sensiblement
égale à vingt micromètres.
7. Soupape (14) selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle est utilisée dans un moteur prévu pour fonctionner avec un carburant gazeux.